Реферат: Белка в колесе

Владимир Санников

Двенадцать лет назад в лабораториях компании Michelin началось создание экологически чистого электрического колеса будущего, вмещающего в себя весь автомобиль, не считая кузова и сидений: двигатель, трансмиссию, подвеску, рулевое управление и тормозную систему

Авто с электрическими мотор-колесами обладают рядом веских преимуществ перед традиционными. В первую очередь это отсутствие множества сложных и тяжелых передаточных механизмов между двигателем и колесом - сцепления, трансмиссии, приводных валов и дифференциалов. Во-вторых, отменная динамика: компактные и легкие электрические моторы способны развивать крутящий момент вплоть до 700 Нм даже на самых низких оборотах. В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным -ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия. В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения. Ну и в-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения - все продвинутые электромеханические алгоритмы типа ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и так далее запросто прошиваются в управляющий софт и воздействуют на каждое отдельное колесо.

За перечисленные преимущества мотор-колесо расплачивается столь же существенными недостатками. Главный из них - масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели мотор-колес нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Для традиционных автомобилей лишний вес в конструкции трансмиссии не критичен. Но для колес действует совершенно другой принцип. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижает комфорт и управляемость, повышает износ подвески, передает на кузов вибрации. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Наконец, ремонт мотор-колеса представляет собой операцию, требующую высокой квалификации. Переобуться в обычной шиномонтажной мастерской у его владельца не получится. А если повреждение произойдет вдалеке от сервисного центра? Запасное мотор-колесо в багажнике? Вряд ли это возможно, ведь стоимость такой запаски отобьет всякое желание покупать электромобиль.

Электронная диета

Инженерам Michelin удалось побороть два главных недуга мотор-колес – размеры и вес. По словам Патрика Олива, руководителя подразделения компании по перспективным разработкам, масса мотор-колеса Active Wheel второго поколения в сборе, установленного на концепте Heuliez WILL, составляет 42, а неподрессоренная масса – 35 кг. Для сравнения – неподрессоренная масса переднего колеса хетчбэка Renault Clio равна 38 кг. Такого результата удалось добиться за счет предельной миниатюризации всех элементов конструкции – ведущего электродвигателя, одноступенчатого понижающего планетарного редуктора, электродвигателя управления подвеской и поворотом колес, пружин, тормозного механизма и системы жидкостного охлаждения. Достаточно сказать, что вес ведущего мотора в модификации системы для спорткара Venturi Volage составляет всего 7 кг при максимальной мощности 75 л.с. и крутящем моменте 58 Н•м, развиваемом в диапазоне от 0 до 8500 оборотов в минуту. Вся осталь ная механика внутри Active Wheel укладывается в 11 кг. Основа Active Wheel – легкая алюминиевая рама, которая простым жестким рычагом соединена с подрамником кузова. Соединение сделано подвижным, чтобы колесо могло поворачиваться. К внутренней поверхности рамы крепятся все элементы Active Wheel, а сам обод закрепляется на плоской дискообразной ступице. Тормозной механизм состоит из вращающегося диска и суппортов с электромагнитными актуаторами. Ведущий электродвигатель во время торможения работает в режиме генератора, вырабатывая электроэнергию для питания бортового аккумулятора. Подвеска состоит из стальной пружины и электрических амортизаторов. Моторчик, управляющий амортизаторами, отвечает также за поворот колеса. Благодаря большому углу поворота электромобиль значительно маневреннее обычных авто.

Сложным хозяйством Active Wheel управляет продвинутая электроника. По словам инженеров Michelin, время отклика электрической подвески составляет всего 0,003 с. Это на порядок быстрее реакции стандартного гидравлического амортизатора. Подвеска, характер которой может изменяться за тысячные доли секунды, позволяет больше не искать компромисс между плавностью хода и управляемостью. Более того, простым переключением кнопки на сенсорном дисплее приборной панели можно выбрать один из нескольких режимов жесткости подвески и остроты рулевого управления. Уникальная технология Michelin позволяет настраивать повадки автомобиля под настроение водителя. Хочется поджечь покрышки на скоростной трассе – пожалуйста, желаете медленно и комфортно прокатиться по тесным улочкам – нет проблем.

Обслуживание, ремонт и замена покрышек на колесах Active Wheel, по уверениям инженеров Michelin, не составит большой проблемы для владельцев. Обод колеса вместе с покрышкой сделан съемным. Не со всем ясно, насколько система Active Wheel будет устойчива к воздействию низких температур, грязи и влаги. Но думается, что разработчики колес для лунного внедорожника не могли упустить из виду такие важные моменты эксплуатации. Вероятно, ко времени появления серийных машин компания создаст специальную оснастку для автосервисов и шиномонтажного оборудования. По словам руководства Michelin, ждать осталось недолго. Серийное производство мотор-колес начнется в 2010 году в Китае. Там же будут собирать пакеты литий-ионных элементов для электромобилей с технологией Active Wheel.

Аэродинамика минус металлолом

Появление на Парижском автосалоне новейшего концепта небольшой экзотической автокомпании из Монако не случайно. Вот уже семь лет, с тех пор как у Venturi появился новый хозяин, Гильдо Пастор, компания удивляет публику невероятными разработками. Кредо Venturi – экологически чистый электропривод и эпатажный дизайн, автором которого является знаменитый французский дизайнер со славой бунтаря и хулигана Саша Лакич. Первой его работой стал родстер Venturi Fetish, показанный в Париже в 2002 году. Затем были созданы фантастический Astrolab, не похожий ни на что первый в мире автономный электромобиль Eclectic, использующий энергию солнца и ветра, и, наконец, Volage. Лучшего способа продемонстрировать уникальные качества Active Wheel, чем оснастить чудо-колесами Volage, было не придумать. Хайтек на грани реальности – вот что получилось в итоге. Venturi Volage – это двухместный родстер снаряженной массой 1075 кг, созданный на модернизированном шасси концепта Fetish. Осно ва кузова – очень легкая и жесткая платформа из полых алюминиевых панелей с сотовой структурой, облицованных с двух сторон карбоновым волокном. Для крепления мотор-колес спереди и сзади на платформе установлены жесткие подрамники из авиационной стали. Передний подрамник выполняет еще одну важную функцию – формирует переднюю сминаемую зону безопасности. На заднем помещается литийполимерный аккумулятор французской компании Zebra. Кузовные панели отформованы из многослойного карбонового листа. По словам создателя Volage Саши Лакича, дизайн родстера продиктован законами аэродинамики и вычитанием лишнего – ненужного двигателя, трансмиссии, подвески и еще целой кучи металлолома.

Развесовка автомобиля идеальна – 45% массы на передней оси и 55% – на задней. Для полноприводного автомобиля с четырьмя ведущими и управляемыми колесами это очень важно. Мощность каждого мотор-колеса составляет 75 лошадок. Итого 300! До сотни с места эта бесшумная ракета разгоняется всего за 4,9 с и развивает максималку 150 км/ч. Умная электроника чутко прислушивается к работе моторов, подвески и мгновенно корректирует малейшие отклонения от курса, заставляя каждое колесо вращаться со своей скоростью. Щербатую мостовую Volage преодолевает так, что седоки могут спокойно наслаждаться горячим кофе.

На подходе к прилавку Через три года в продаже появятся первые экземпляры Volage ручной сборки. Venturi оценивает обладание фантастическим электромобилем в €300 000. Автолюбители поскромнее уже в следующем году смогут приобрести серийный суперкомпакт Heuliez WILL с передними мотор-колесами Michelin Active Wheel суммарной мощностью 81 л.с. и запасом хода на одной зарядке литий-полимерной батареи от 150 до 400 км. Стоимость автомобиля составит €20 000. В качестве бонуса Heuliez предоставит клиентам широкополосный мобильный интернет-доступ прямо в салон и кучу полезных online-сервисов от корпорации Orange.

СХЕМАМОТОР-КОЛЕСА MICHELIN ACTIVE WHEEL

Два электродвигателя, электрическая подвеска, тормозные механизмы с электромагнитными актуаторами - все это помещается внутри обода автомобильного колеса

Технические характеристики

Venturi Volage

Двухместный полноприводный родстер

Начало малосерийного производства: 2012 год Предполагаемый объем выпуска:

10 экземпляров в год

Стоимость: €297 000

Силовая установка: 4 электромотора с жидкостным охлаждением по 55 кВт (75 л.с.) / 58 Нм при оборотах вала от 0 до 8500, масса одного ведущего мотора 7 кг, масса мотор-колеса в сборе (с учетом подвески, тормозной системы и шины) 35 кг

КПД силовой установки: 90%

Батарея: пакет литий-полимерных элементов емкостью 45 кВтч с жидкостным охлаждением Zebra

Масса батареи: 350 кг

Количество циклов заряда/разряда: 1500

Время заряда до 80% емкости: 4 часа с применением специального бустера мощностью 10 кВт, 8 часов при обычном режиме

Шасси: герметизированный алюминиево-карбоновый сэндвич с внутренней сотовой структурой, передний и задний подрамники из авиационной стали

Кузов: карбон

Подвеска: электрическая подвеска с управляющим электродвигателем Michelin Active Wheel, время отклика 0,003 с

Тормозная система: тормоза дисковые, с электромагнитными актуаторами и системой регенерации энергии торможения

Размеры и масса

Масса кузова: 1075 кг

Длина/ширина/высота: 3965 мм / 1949 мм / 1235 мм

Колесная база/колея: 2702 мм / 1525 мм / 1626 мм

Размерность колес п/з: Michelin 205 40 R18 / Michelin 235 45 R18

Динамика

Максимальная скорость: 150 км/ч

Разгон от 0 до 100 км/ч: 4,9 с

Запас хода на полной зарядке: 320 км (на скорости 90 км/ч)

Эволюция мотор-колеса: российские корни

Идея электрического мотор-колеса родилась практически сразу же после того, как появились достаточно мощные и компактные электромоторы.

Первые в истории патенты на подобные механизмы были получены в Америке Веллингтоном Адамсом из Сент-Луиса в 1884 году и еще через шесть лет – Альбертом Парселлом из Бостона. Но пионером в деле практического применения мотор-колес стал Фердинанд Порше. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже был показан его электромобиль Lohner-Porsche с передними ведущими электрическими моторколесами. В 1906 году патент на силовую установку был продан Daimler, и до начала Первой мировой войны компания выпустила более 300 электромобилей. Впоследствии эта технология не получила развития, и всерьез к ней вернулись лишь после Второй мировой войны в СССР.

В рамках советской лунной программы ленинградский ВНИИтрансмаш создал шасси для планетохода с использованием электрического мотор-колеса. В его герметичном модуле помещались редуктор, электромотор, тормоза и необходимые датчики. Аналогичные проекты разрабатывались NASA. В конце 1970-х в Новосибирске был создан первый прототип колеса-мотора для автомобиля "жигули". В 1979 году на Волжском автозаводе такие колеса были собраны в металле и тогда же экспонировались на советско-американском симпозиуме по электромобилям.

В 1980–1990-х годах исследования технологии мотор-колес с разным успехом велись практически всеми крупными автокомпаниями. Интересно, что наибольших успехов на этом поприще вновь добились наши соотечественники Александр Пунтиков и Борис Маслов. В 1998 году они запатентовали оригинальную концепцию мотора, симулирующего работу человеческих мышц (Adaptive motor), а в 2000 году создали в Америке технологическую компанию Wavecrest Laboratories. Идея была успешно осуществлена на практике, и теперь мотор-колеса Пунтикова и Маслова используются в различных отраслях промышленности. Другой россиянин, изобретатель Владимир Шкондин, еще в начале 1990-х разработал мотор-колесо собственной конструк ции и запатентовал его в 28 странах мира. Уникальный механизм состоит всего из семи деталей. Стоит отметить еще одну интересную идею, родившуюся в России, – вариоколесо Н.В. Гулиа, М. Ференца и С.А. Юркова. Ученые предложили встроить бесступенчатый вариатор в ступицу колеса совместно с понижающей передачей. При более высокой сложности конструкции такое решение мотор-колеса дает серьезный выигрыш в компактности, массе и КПД.

Список литературы

Популярная механика № 4 (78) апрель 2009