Μελέτη, σχεδιασμός και κατασκευή συστήματος κίνησης (drivetrain) ηλεκτρικού οχήματος FSAE

Σιάγγας, Γεώργιος

Mechanical design and development of a drivetrain system for an electric FSAE racecar

Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών

Η παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφει το σχεδιασμό και την ανάπτυξη του συστήματος κίνησης του UoP5e, ενός ηλεκτρικού αγωνιστικού αυτοκινήτου που συμμετείχε στους διεθνής διαγωνισμούς Formula Student UK 2017 και FSG 2017, εκπροσωπώντας το Πανεπιστήμιο Πατρών, και συγκεκριμένα το τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών. Ο διαγωνισμός Formula Student είναι ένας διεθνής διαγωνισμός σχεδιασμού που διοργανώνεται από τη SAE International. Η ιδέα του διαγωνισμού είναι ο σχεδιασμός ενός αγωνιστικού μονοθεσίου, για μια φανταστική εταιρεία κατασκευής μονοθεσίων που επικεντρώνεται στον ερασιτεχνικό μηχανοκίνητο αθηλητισμό. Οι ομάδες σχεδιάζουν και κατασκευάζουν τα δικά τους πρωτότυπα οχήματα, με βάση τους κανόνες που δημοσιεύονται από τους διαγωνισμούς. Η τελική βαθμολογία χωρίζεται σε δύο κατηγορίες, τους στατικούς αγώνες που περιλαμβάνουν την παρουσίαση του σχεδιασμού (150 πόντοι), του κόστους και της κατασκευής (100 πόντοι) και του επιχειρηματικού σχεδίου (75 πόντοι), και τους δυναμικούς αγώνες που περιλαμβάνουν την επιτάχυνση (75 πόντοι) , skidpad (75 πόντοι), autocross (100 πόντοι), αγώνα αντοχής (325 πόντοι) και απόδοση καυσίμου (100 πόντοι). Λαμβάνοντας υπόψη τις τρέχουσες εξελίξεις στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, ο διαγωνισμός δημιούργησε μια κατηγορία ηλεκτρικών αγωνιστικών οχημάτων και η UoP Racing ξεκίνησε να αναπτύσσει ηλεκτρικά αγωνιστικά οχήματα από το 2012. Αυτή η διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη διαδικασία λήψης αποφάσεων του μηχανολογικού σχεδιασμού, στην ανάπτυξη και την κατασκευή του συστήματος κίνησης ενός ηλεκτρικού αγωνιστικού οχήματος. Ένα σύστημα κίνησης ενός ηλεκτρικού οχήματος θεωρείται κάθε συσκευή που παράγει και μεταφέρει μηχανική ισχύ. Περιλαμβάνει τον ηλεκτρικό κινητήρα, το κιβώτιο ταχυτήτων, το διαφορικό και τη μετάδοση ισχύος στους κινητήριους τροχούς του οχήματος. Το σύστημα κίνησης του UoP5e αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα υψηλής πυκνότητας ισχύος [EMRAX 228 HC LC], που είναι τοποθετημένος κατά μήκος του διαμήκους άξονα του οχήματος, ένα κιβώτιο ταχυτήτων εξ’ ολοκλήρου σχεδιασμένο και κατασκευασμένο απο την ομάδα, ένα διαφορικό περιορισμένης ολίσθησης, ενσωματωμένο στο κιβώτιο ταχυτήτων και ένα σύστημα ημιαξονίων. Ο σχεδιασμός επικεντρώθηκε σε τρία κύρια χαρακτηριστικά, την αξιοπιστία των εξαρτημάτων, τις επιδόσεις του οχήματος και τις οικονομικά εφικτές σχεδιαστικές λύσεις. Η αξιοπιστία διασφαλίζεται μέσω της δομικής ανάλυσης και της πειραματικής δοκιμής κάθε εξαρτήματος. Οι επιδόσεις του οχήματος αξιολογούνται μέσω ενός αυτο-ανεπτυγμένου μοντέλου επιτάχυνσης οχημάτων. Τέλος, οι οικονομικά εφικτές σχεδιαστικές λύσεις βασίζονται σε μια προσέγγιση σχεδιασμού για κατασκευή, που σημαίνει ότι ο σχεδιασμός είναι προσεκτικά ισορροπημένος μεταξύ των χαρακτηριστικών απόδοσης και των κατασκευαστικών αναγκών κάθε εξαρτήματος.

The current diploma thesis describes the design and the development of the drivetrain system used by the UoP5e, an electric racecar which took place in Formula Student UK 2017 and FSG 2017 competitions, representing the University of Patras, and specifically the department of Mechanical and Aeronautics Engineering. Formula Student competition is an international design competition organized by the SAE International (former Society of Automotive Engineers). The concept of the competition is the design of a single seat open wheeled racecar, for a fiction manufacturing company, focused on the weekend racer. The student teams design and manufacture their own prototypes, based on rules published by the competitions. The final scoring divides into two categories, the static events which include the design presentation (150 points), the cost and manufacturing (100 points) and the business plan presentation (75 points), and the dynamic events which include acceleration (75 points), skidpad (75 points), autocross (100 points), endurance (325 points) and finally efficiency (100 points). Considering the current developments in the field of the automotive industry, the competition has created an electric racecar class, and UoP Racing has been developing electric racecars since 2012, when the change from internal combustion power units to full electric power units was decided. This diploma thesis focuses on the decision making process of the mechanical design, the development and the manufacturing of the drivetrain system of an electric racing vehicle. A drivetrain system of an electric vehicle is considered every device that produces and transfers mechanical power. It includes the electric motor, the gearbox, the differential and the transmission of power to the driven wheels of the vehicle. The drivetrain of UoP5e is comprised by a high power density electric motor [EMRAX 228 HC LC] mounted across the vehicle’s longitudinal axis, a custom-developed single speed twin-stage transaxle type gearbox, a limited slip clutch-pack differential integrated to the gearbox and a system of floating tubular steel driveshafts. The design was focused on three main characteristics the reliability of the components, the vehicle performance aspects and the economically feasible design solutions. The reliability is ensured through the structural analysis and the physical testing of each component. The vehicle performance aspects are evaluated through a self-developed acceleration performance model, coded in MATLAB. Finally the economically feasible design solutions are based in a design for manufacturing approach, meaning that every developed component’s design is carefully balanced between performance characteristics and manufacturing feasibility.