Mechanika pohonného ústrojí

29.3.2016 | autor Petr Sucháček

Jak již z názvu monopostu vyplývá, současná formule již používá pohonu všech kol. Ovšem tomu tak nebylo vždy.

První elektroformuli vyvinutou na fakultě elektrotechnické ČVUT poháněl jeden elektromotor o maximálním výkonu 30 kW s maximálními otáčkami 3000 /min. Výkon byl přenášen přes planetovou převodovku (převodový poměr 3:1) a řetězový převod (převodový poměr 1,3:1) na diferenciál s omezenou svorností. Vzhledem k tomu, že se jednalo o první formuli, byla snaha toto pohonné ústrojí sestavit z nakupovaných a běžně dostupných komponent. Výsledná hmotnost pohonu bez potřebného rámu byla 39 kg, avšak složitost rámu pro uchycení těchto komponent si vyžádala dalších 10 kg.

Druhá a třetí elektroformule využívaly shodného pohonného řetězce. Jednalo se o pohon dvěma elektromotory, z nichž se každý staral o pohon jednoho zadního kola (s využitím elektronického diferenciálu). Pro zjednodušení celého pohonného řetězce bylo rozhodnuto pro použití nízkootáčkových motorů s vysokým krouticím momentem bez jakéhokoliv dalšího převodu. Tudíž byly přímo na výstupní hřídel elektromotoru upevněny poloosy pomocí tripodových kloubů.

Tuto koncepci pohonu jsme si mohli dovolit použít díky spolupráci s brněnskou firmou TG Drives, která nám dodala na míru vyrobené motory s námi požadovanými parametry. Výsledkem jsou 2 elektromotory, každý o špičkovém výkonu 35 kW, maximálním krouticím momentu 450 Nm a hmotnosti 20 kg. Oba motory byly spojeny zadními čely v jeden kompaktní celek. Výsledná hmotnost tohoto pohonného ústrojí byla 43 kg (40 kg motory, 3 kg poloosy a tripodové klouby).

Při návrhu čtvrté formule FSE.04x bylo rozhodnuto použít pohonu všech kol, protože jsme se museli čím dál více vypořádávat s problémy přenosu takto vysokého výkonu na vozovku. Zároveň jsme na konkurenčních vozech s pohonem všech kol viděli jejich výraznější obratnost, obzvláště při snížených adhezních podmínkách.

Dále bylo také rozhodnuto o maximální úspoře hmotnosti celého vozu, proto jsme opět oslovili našeho partnera TG Drives o pomoc při vývoji elektromotorů pro náš další monopost. Bylo rozhodnuto pro vysokootáčkové elektromotory (maximální otáčky 9 000/min), které mají výrazně vyšší měrný výkon a to i včetně převodovky.

Zadní motory, jejichž maximální výkon je 2 x 23 kW a hmotnost každého 9 kg, jsme umístili do zadní části rámu formule, podobně jako pohonné ústrojí předchozích elektroformulí. K těmto elektromotorům jsme navrhli vlastní převodovky s čelním ozubením s převodovým poměrem 5,3:1, jejichž výstup je přímo uzpůsoben pro tripodový kloub. Celá zástavba zadního pohonu pak váží 25 kg.

Přední motory o výkonu 2 x 8 kW a hmotnost každého 3,4 kg byly oproti zadním umístěny přímo do předních kol. Toto řešení se ukázalo jako nejjednodušší a velmi efektivní vzhledem k nedostatku prostoru v přední části formule a vysoké hmotnosti homokinetických kloubů pro přenos výkonu na řiditelnou nápravu. Motor je upevněn přímo v těhlici předních kol, uvnitř ní je dále integrována planetová převodovka o převodovém poměru 5,3:1 (stejný jako na zadní nápravě kvůli shodným maximálním otáčkám motorů). Výstup planetové převodovky je přímo náboj kola, na který je již upevněn ráfek a pneumatika.

Výkon jednotlivých motorů byl volen v poměru maximálních přenesitelných momentů na nápravách při akceleraci. Výsledné pohonné ústrojí má hmotnost 30 kg a celkový maximální výkon 66 kW. Při hmotnosti vozu pouhých 200 kg je díky tomu možné dosáhnout přetížení při akceleraci až 1,1 g a zrychlit z 0 na 100 km/h za 3,8 s.

Ač je výkon předních motorů pouze 16 kW, poháněná přední kola výrazně pomohla dynamice a především ovladatelnosti vozu. Ta byla ovšem ještě podpořena elektronickým systémem rozdělujícím točivý moment na jednotlivá kola. Tento systém simuluje jednotlivé diferenciály (přední, zadní i mezinápravový) a také rozděluje točivý moment na jednotlivá kola podle pilotem zvolených parametrů. V extrémních zatáčkách dokonce dovoluje pilotovi vypnout pohon vnitřních kol, tudíž je formule schopná otočit se téměř na místě.

Tento koncept pohonného ústrojí se natolik osvědčil na voze FSE.04x, že bude s drobnými úpravami použit i v následující formuli FSE.05.