Design and Realization of a Lightweight Mechanical Drivetrain for an Electric Formula Student Racecar.

Hannah Daled & Raf Schoenaers Hannah Daled Raf Schoenaers
Geduld is een schone zaakdoor Hannah Daled en Raf SchoenaersGeduld is een schone zaak, in het geval van de elektrische auto is het letterlijk een schone zaak. Elektrische wagens zijn een oud concept in de auto-industrie, maar de toekomst van de elektrische wagen zag er niet rooskleurig uit in 1999. Het leek erop dat de ontwikkeling bruut werd stopgezet toen de eerste massa geproduceerde elektrische wagen, de EV1, van zijn eigenaars werd teruggenomen en vernield door de fabrikant zelf, General Motors.

Design and Realization of a Lightweight Mechanical Drivetrain for an Electric Formula Student Racecar.

Geduld is een schone zaak

door Hannah Daled en Raf Schoenaers

Geduld is een schone zaak, in het geval van de elektrische auto is het letterlijk een schone zaak. Elektrische wagens zijn een oud concept in de auto-industrie, maar de toekomst van de elektrische wagen zag er niet rooskleurig uit in 1999. Het leek erop dat de ontwikkeling bruut werd stopgezet toen de eerste massa geproduceerde elektrische wagen, de EV1, van zijn eigenaars werd teruggenomen en vernield door de fabrikant zelf, General Motors. Gelukkig is er recent een zeer indrukwekkende en veelbelovende heropleving binnen zowel personenwagens als motorsport.

Patience is a virtue, and I'm learning patience. It's a tough lesson.

Een quote van Elon Musk, een buitengewone ondernemer en groot visionair. Als jonge student aan de universiteit had hij al een duidelijke visie over welke drie aspecten een enorme invloed zouden hebben op de mensheid: het internet, ruimteonderzoek en duurzame energie. Elon heeft succes geboekt op elk van deze drie impact domeinen: Paypal, SpaceX en Tesla Motors: de creatie van een aantrekkelijke elektrische luxe sportwagen. De eerste creatie was de Tesla Roadster, gevolgd door een sportsedan Model S. Een SUV Model X zal leverbaar zijn vanaf de herfst van 2015.

Andere autoconstructeurs volgenNiet alleen Tesla is volop bezig met het ontwikkelen van elektrische wagens. Ook BMW voorspelt een elektrische toekomst en startte in 2007 Project i. Dit project omvat zeven jaar later al vijf volledig elektrische modellen. Volkswagen bleef niet achter en presenteerde in 2013 de e-Golf en de e-Up. Ook Ford kwam in datzelfde jaar met de Focus Electric, als alternatief voor de Nissan Leaf. Alle autoconstructeurs zijn momenteel bezig aan hun ontwerp van een elektrische wagen, zelfs supercars zoals de McLaren P1, de Ferrari LaFerrari en de Porsche 918 maken de overgang naar een volledig elektrische aandrijving. Stuk voor stuk worden hun verbrandingsmotoren aangevuld met elektromotoren. Zou Tesla deze concurrentie vrezen? Helemaal niet! In 2013 stelde Tesla zelfs zijn patenten open zodat iedereen hun technologie kan toepassen.

"Our true competition is not the small trickle of non-Tesla electric cars being produced,

but rather the enormous flood of gasoline cars pouring out of the world’s factories every day.

Formule E elektrische revolutieNiet enkel personenwagens gaan de elektrische tour op, het jaar 2014 zal de geschiedenisboeken ingaan als het jaar waarin de eerste race van het Formule E kampioenschap werd georganiseerd. Dit is een kampioenschap zoals Formule 1 maar dan met een puur elektrische aandrijving. Grote namen uit de Formule 1 geschiedenis zoals Jean Todt en Alain Prost zetten hun schouders onder het opstarten van dit kampioenschap en klinkende namen als McLaren, Renault, Williams en Michelin namen de technologie voor hun rekening. Motorsport is meer dan sensatie en loeiende motoren. Formule 1 bijvoorbeeld is al ruim zes decennia lang een enorme voedingsbodem van nieuwe technologieën. De voorbeelden spreken voor zich: sequentiële transmissies, banden met een lage rolweerstand, de bovenliggende nokkenas, onderdelen en volledige koetswerken uit koolstofvezel, aerodynamica, veiligheidssystemen, computergestuurde ophanging en meer. Al deze technologieën kende hun oorsprong in de Formule 1 en sijpelde door naar de personenwagens. Het Formule E kampioenschap is het vuur aan de lont van de elektrische revolutie van de auto-industrie!

Ontwerp en realisatie van een mechanische aandrijflijnEr is mogelijk geen boeiendere tijd om ingenieur te zijn dan nu:  we staan op de rand van verschillende doorbraken binnen duurzaam transport en hernieuwbare energie. De scriptie “Design and Realization of a Lightweight Mechanical Drivetrain for an Electric Formula Student Racecar” kadert dan ook in dit groter geheel van huidige ontwikkelingen in duurzaam transport. Als teamleden van Formula Group T ontwerpen en bouwen we negen maanden lang een elektrische racewagen, waarmee we in de zomer racen tegen andere ingenieursteams op verschillende Formula Student competities. Voor June, de laatste trots van Formula Group T, hebben wij als scriptie de mechanische aandrijflijn ontworpen die de wagen prestaties oplevert zoals een acceleratie van 0 tot 100 km/uur in nauwelijks drie seconden. De mechanische aandrijflijn houdt alles in wat zich tussen de elektrische motor en de wielen bevindt en is nodig om de snelheid en versnelling van de wagen, gewenst door de chauffeur, te matchen aan wat de motor levert. Het hoofddoel van het ontwerp is een zo licht mogelijke aandrijflijn. Een lichte racewagen betekent een wendbare en dynamische wagen, wat resulteert in lagere racetijden op de circuits. Het resultaat van maanden onderzoek, ontwerp, berekeningen, computersimulaties en tenslotte productie en montage van de stukken, in samenwerking met niet minder dan acht topbedrijven, was een zeer compacte planetaire overbrenging, en een gewichtsreductie van 75% ten opzichte van het ontwerp van het jaar voordien!

Zon, planeten en ringEen planetaire transmissie bestaat uit vijf tandwielen: een centraal zontandwiel waar drie planeettandwielen ronddraaien, hierrond ligt een groot ringtandwiel met inwendige vertanding. De voornaamste reden waarom de planetaire transmissie zo licht is, is de verdeling van de belasting over drie planeettandwielen die gelijktijdig met het zontandwiel ingrijpen. In een klassieke transmissie wordt het vermogen over slechts twee ingrijpende tandwielen overgebracht. Deze gelijke belasting verdeling mag enkel verondersteld worden als één van de drie elementen – de zon, de planeten of de ring- de vrijheid heeft zich in de meest optimale positie te positioneren. Daarom is het zontandwiel ontworpen met een radiale vrijheid van 0,1 mm. Een zelf opgestelde flowchart en iteratieve berekeningen op verschillende onderdelen simultaan maakt dat elke mechanische component zo licht mogelijk is ontworpen, binnen de ontwerpgrenzen.  Met een totaalgewicht van 2,2 kg per transmissie kan de aandrijflijn zich meten met de allerlichtste van de competitie. De Formula Student competitie is de ideale ervaring om ondernemende en innovatieve ingenieurs te ontwikkelen die uitgerust zijn grote uitdagingen aan te gaan in zowel de automobiel- als motorsport industrie.

186 jaar na de allereerste elektrische wagen bevinden we ons in een boeiend huidig klimaat in de auto-industrie, gecreëerd door de combinatie van voorname autoconstructeurs die werken aan hun elektrische wagens en de oprichting van Formule E. Geduld is een schone zaak en de elektrische wagen is klaar om onze wegen te domineren.

Bibliografie

[1] http://formulagroept.be/[2] http://events.imeche.org/formula-student/[3] SAE International, 2014 Formula SAE Rules [Online].Available: http://students.sae.org/cds/formulaseries/rules/[4] S. Roman, private communication, September 2013.[5] A. Peeters, “Modeling of a Vehicle Dynamic Model with Implementation of a Custom Developed Tire Model of a Formula Student Car with LMS International Virtual.Lab Motion Software”, M.S. Thesis, Dept. Mech. Eng., Leuven, Belgium, 2013.[6] Catalog, Polyurethane Timing Belts, Gates Mectrol GmbH, p. 124-126[7] Roloff / Matek Machineonderdelen, 4th edition,D. Muhs, H. Wittel, M. Becker, D. Jannasch, and J. Vossiek, Braunschweig/Wiesbaden, 2010, pp. 579[8] Unknown. Elements of Metric Gear Technology [Online].[9] Catalog, medias® Product Catalogue, FAG, Schweinfurt, Germany.[10] Roloff / Matek Machineonderdelen, 4th edition,D. Muhs, H. Wittel, M. Becker, D. Jannasch, and J. Vossiek, Braunschweig/Wiesbaden, 2010, pp. 656-700[11] Catalog No. 9013/E, Needle Roller Bearing Handbook, NTN Corporation, Osaka, Japan.[12] Typical Stribeck curve [Online]. Availabe: http://library.nmu.edu/guides/userguides/apacitingtables.htm[13] Fundamentals of Machine Elements, Hamrock et al, McGraw-Hill, 1999[14] China jiangyou longhai Special Steel Co , Data Table for: Carbon steel:16MnCr5 , Available: http://www.steelss.com/Carbon-steel/16mncr5.html[15] Catalog, Technisch handboek Oliekeerringen, ERIKS, Belgium.[16] Dudley's Handbook of Practical Gear Design and Manufacture, 2nd ed., S. P. Radzevich, Florida, U.S., 2012, pp. 47-48[17] Satya Seetharaman, “An investigation of loadindependent power losses of gear systems,” Ph.D. dissertation, Dept. Mech. Eng., Ohio State University, Columbus, OH, 2009.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de Industriële Wetenschappen: Elektromechanica focus Intelligent Manufacturing
Groep T
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Deel deze scriptie