Het ontwerp en de realisatie van een mechanische aandrijflijn in een elektrische racewagen

Het ontwerp en de realisatie van een mechanische aandrijflijn in een elektrische racewagen

Inleiding:

In het kader van het CQS Group T Racing Team, een team masterstudenten aan de Internationale Hogeschool Groep T te Leuven, werd een elektrische racewagen gebouwd om deel te nemen aan een uithoudingsrace van 24-uren en 24-minuten op het circuit van Spa-Francorchamps. De ontworpen elektrische racewagen draagt de naam Odyssee, en is gebaseerd op de legendarische Citroën Deux Chevaux (2CV, ook wel 2PK genoemd). Er werden zoveel mogelijk originele 2CV-onderdelen hergebruikt uit een donorwagen bij de bouw van deze elektrische bolide. Vanuit de doelstellingen van het CQS Group T Racing Team diende deze elektrische racewagen te beschikken over een innovatieve 30 kW piek geschakelde reluctantiemotor (SRM) als hart van de aandrijving. Het toepassen van deze technologie maakt van de Odyssee een unieke elektrische racewagen. Nog nooit werd dit type elektromotor toegepast in de aandrijving van een elektrische racewagen. De keuze voor dit exotisch type elektromotor vloeide voort uit de innovatieve eigenschappen van deze elektrische motor. Vooral het robuuste design, de hoge specifieke energiedichtheid, het ontbreken van permanente magneten, en de lage kostprijs in massaproductie maken dit type motor interessant om toegepast te worden in toekomstige commerciële elektrische voertuigen. Van alle elektromotoren op de markt heeft de SRM de laagste levenscyclusimpact. Het materiaal - en energieverbruik tijdens productie, gebruik en recyclage is het kleinst van dit type motor.

Vanuit deze standpunten leek het voor het team dan ook opportuun om gebruik te maken van dergelijke technologie in de racewagen, hoewel deze nog maar in zijn kinderschoenen staat. Naast de SRM bevat het voertuig ook de nodige elektronica om deze motor aan te sturen, een eigen ontwikkelde boordcomputer om alle elektronica-hardware intelligent met elkaar te laten communiceren, en een lithium-ion ijzerfosfaat batterijpakket dat de wagen voorziet van stroom. De racebody bestaat uit een biologisch afbreekbaar biocomposiet en is geoptimaliseerd naar aerodynamica toe. 

Om het vermogen van de elektromotor over te brengen op de wielen dient men echter te beschikken over een mechanische overbrenging op maat van deze SRM. Deze scriptie behandelt dan ook het ontwerp en de realisatie van het mechanische aspect van een elektrische aandrijflijn voor de elektrische racewagen. We noemen dit onderdeel de mechanische aandrijflijn. Het ontwerp van deze mechanische aandrijflijn diende aan een aantal criteria te voldoen.

Om te beginnen moest de overbrenging het vermogen op een efficiënte manier overbrengen naar de wielen met zo weinig mogelijk verliezen. Om de actieradius van de racewagen zo hoog mogelijk te houden moest de mechanische aandrijflijn ook een licht gewicht hebben. Bij het ontwerp van de componenten diende men ook rekening te houden met de eigenschappen van de SRM en de montagepunten op het 2CV-chassis. Ook moest er zoveel mogelijk gebruik gemaakt van originele 2CV-onderdelen om de kostprijs van het ontwerp te drukken, en tegemoet te komen aan het reglement van de 2CV Racing Cup. Tot slot moest gezocht worden naar industriële partners om bij te staan bij het ontwerp op vlak van engineering en bij de productie van de componenten. In functie van sponsoring werd zo intensief samengewerkt met een heel aantal bedrijven. Net daarom bleef het niet enkel bij een ontwerp op papier, maar werd deze mechanische aandrijflijn ook effectief gebouwd en geïmplementeerd in de racewagen.

Ontwerp en realisatie van de mechanische aandrijflijn voor de Odyssee:

De mechanische aandrijflijn van een voertuig is het geheel aan componenten dat het mechanisch vermogen van de motor omzet in de beweging van het voertuig. Bij een elektrisch voertuig zijn de componenten die de mechanische aandrijflijn vervullen de elektromotor, de reductietrap, en de aandrijfassen die verbonden zijn met de wielen. De reductietrap zorgt hierbij voor een koppelvergroting zodat het voertuig snel kan accelereren.  Na een onderzoek van 25 toepasbare aandrijfconcepten van werd geopteerd om het originele differentieel van de 2CV te gebruiken als reductietrap. Hierbij werd rekening gehouden met de gewenste wagenspecificaties (gewenst acceleratievermogen, topsnelheid, maximaal gewicht voertuig,…), en het wedstrijdreglement.

Tevens werd een simulatieprogramma geschreven om te onderzoeken welke overbrengings-verhoudingen toepasbaar zouden zijn voor onze racewagen. Het programma zelf berekent de topsnelheid en acceleratievermogen van de racewagen rekening houden met de weerstandskrachten die inwerken op het voertuig. Denk maar aan luchtweerstand, rolweerstand, enz… Door het toepassen van het differentieel in de mechanische aandrijflijn kon een reductie-trap verkregen worden die efficiënt, robuust, en goedkoop was met een minimum aan gewicht. Dit laatste voordeel komt ten goede bij de actieradius van het voertuig. Tevens konden een heel aantal originele onderdelen gebruikt of aangepast worden om het mechanische ontwerp te verwezenlijken. De originele versnellingsbak werd bijvoorbeeld deels verspaand, en voorzien van een nieuwe lagering om de krachten van de rondselas te kunnen opnemen en deze te borgen in de behuizing. Om het lagerhuis (onderdeel dat de lagers borgt in de reductietrap) te ontwerpen, en de lagers te berekenen in functie van de te verwachten belastingen tijdens de race werd nauw samengewerkt met FAG, de leverancier van de lagers. Tevens werd de nieuwe behuizing oliedicht gemaakt, en een koppeling gekozen om de elektromotor te verbinden met de reductietrap.  

Besluit:

Het ontwerp van deze mechanische aandrijflijn werd in samenwerking met de bedrijven VCST, Schaeffler Group INA FAG, C. Vangompel Metaalbewerking, Siemens, CADMES, Kaneka, Dietz Motoren, Fabory, CQS Group, Mehari-2CV Club Cassis, en Harry Martens Limmen omgezet in een effectieve realisatie. Tevens werden de ontworpen componenten geïmplementeerd in het elektrische voertuig. Het totale gewicht van de mechanische aandrijflijn (zonder aandrijfassen en remschijven meegerekend) bedraagt slechts 85 kg. De reluctantiemotor is hierbij verantwoordelijk voor 84% van het totale gewicht. De reductietrap weegt 10,5 kg en de koppeling 3 kg. Op het moment van schrijven werkt het team de wagen af en test men alle componenten om vervolgens het voertuig raceklaar te maken voor de 24-uren en 24-minuten race op het circuit van Spa-Francorchamps. Meer informatie over het gehele project is te vinden op de website: www.cqsgrouptracingteam.be.