SISTEMA MODULAR DE TRACCIÓN PARA UN …somim.org.mx/memorias/memorias2011/pdfs/A1/A1_193.pdf · configuraciones para el tren motriz para un vehículo, la configuración con motor

MEMORIAS DEL XVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM21 al 23 DE SEPTIEMBRE, 2011 SAN LUIS POTOSÍ, MÉXICO

Derechos Reservados © 2011, SOMIM

SISTEMA MODULAR DE TRACCIÓN PARA UN VEHÍCULO ELÉCTRICOEmilio Sánchez M. ([email protected]), Serafín Castañeda C. ([email protected]),

Adrian Espinosa B. ([email protected]), Mario Alberto Narváez P.

Laboratorio de proyectos en Mecatrónica, Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Facultad de Ingeniería,Universidad Nacional Autónoma de México

Circuito Exterior, Cd. Universitaria, CP 04510, México, D.F. (+55) 5550-0041 y (+55) 5622- 8050mecatronica.unam.mx, cdm.unam.mx

RESUMEN

El trabajo inicia con la determinación deespecificaciones de diseño mediante un análisis derodadura. Posteriormente se establecen lascontradicciones técnicas, que muestran una idea clarade la problemática. Se termina con un análisisfuncional y propuestas de configuración para evaluarla viabilidad técnica.

Para aprovechar la flexibilidad en la interacción entresubsistemas se plantea que el sistema de tracción seamodular, es decir, cada subsistema al cumplir unafunción determinada puede ser sustituido por algúnotro subsistema para la misma función, sin requerirun cambio en la configuración de los sistemasrestantes.

ABSTRACT

Work starts with the identification of designspecifications through a rolling analysis. Lately thetechnical contradictions that show a clear idea of theproblem area is established. The work finishes with afunctional analysis and configuration proposals toevaluate the technical feasibility.

The traction system is modular. This to takeadvantage of the flexibility in the interaction amongstsubsystems, i.e. each subsystem which accomplishesa particular function can be replaced by anothersubsystem to accomplish the same function withoutrequiring a change in the configuration of theremaining systems.

PALABRAS CLAVETRIZ, matriz de contradicciones, sistema de tracción,vehículo eléctrico

ANTECEDENTES

El vehículo eléctrico fue inventado en 1834, durantela última década del siglo 19, varias compañíasprodujeron vehículos eléctricos en América, ReinoUnido y en Francia, debido a las limitacionesasociadas con las baterías y el rápido avance en losvehículos con motor de combustión interna desde1930 los vehículos eléctricos casi desaparecen.

Los vehículos eléctricos no producen emisiones, niruido y la ventaja sobre los vehículos con motor decombustión interna es el motor altamente eficiente yrelativamente de bajo costo, la principal desventajason las baterías que presentan baja energía y bajapotencia en comparación de los combustibleslíquidos, los vehículos eléctricos tienen más de tresveces la eficiencia de los vehículos con motor decombustión interna (ICEV vehicle – internalcombustion engine vehicle) y el doble de eficienciaque los vehículos eléctricos híbridos (HEV – hybridelectric vehicle), el costo por kilometro decombustible para un vehículo eléctrico está muy pordebajo en comparación de un vehículo de motor decombustión interna.

Un vehículo eléctrico en ciudad es apropiado, por elrango promedio de velocidad en el que seconduce,11.96 km/h en calles residenciales a las19:30 hrs y 51.82 en las vías rápidas a las 05:30 hrssegún el estudio actividad vehicular en la ciudad deMéxico (International Sustainable Systems Research)

El concepto de vehículo que se desarrollo tiene unaconfiguración de tres ruedas, dos ruedas frontalescon tracción independiente, el vehículo gira porvelocidad electrónica diferenciada (differentialsteering), es decir, si el vehículo se quiere hacer quede vuelta a la derecha la velocidad de la ruedaderecha girara a menos revoluciones por minuto encomparación de la rueda izquierda.

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 421 >>

mailto:[email protected]





En la búsqueda de innovación para el desarrollo de unvehículo eléctrico basado en la tendencia de lossistemas mecatrónicos se propuso la sustitución delsistema convencional de dirección por la utilizaciónde dos ruedas motrices frontales, con movimientoindependiente de tal forma que la navegación delvehículo se da mediante la diferencia de velocidades.

En la figura 1 se observan las posiblesconfiguraciones para el tren motriz para un vehículo,la configuración con motor longitudinal y motortransversal son típicas de un ICEV y de conversionesde ICEV a EV sustituyendo el motor en el caso mássimple o cambiando el embrague y la caja develocidades por un reductor con índice de reducciónfija y conservando el diferencial, en la última parte dela figura se tiene la configuración de motores en laruedas la cual es la tendencia de configuración de losEV, ya que permite eliminar el uso de un diferencialmecánico y realizar la función por medio de undiferencial eléctrico, la última configuración permitelograr movimiento en la rueda sin el uso dereductores de velocidad (o amplificadores de par),únicamente con el motor eléctrico acoplado a larueda..

Fig. 1. Configuraciones de tren motriz para vehículoseléctricos [1].

Respecto a las tendencias de desarrollo en vehículoseléctricos se ha vuelto más atractivo el propósito dehacer vehículos eléctricos que el hacer conversiones alos vehículos con motor de combustión interna,gracias a las últimas configuraciones se ahorraespacio y peso, necesarios para las baterías y paraaligerar el chasis.

Los precios de los motores de alto par y bajasrevoluciones por minuto en la actualidad son caros,por lo que la configuración que se utilizará solamentetomando los elementos motrices es la siguiente:

Fig. 2. Transmisión de potencia típica

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 422 >>



El propósito es el desarrollo de un sistema motrizcuyos componentes gemelos, únicamentecomunicados por señales eléctricas, cumplan suobjetivo fundamental: proporcionar el movimiento.

Requerimientos:

Vehículo de tres ruedas Tres pasajeros + conductor Fuente motriz: motor eléctrico Velocidad crucero: 40 km/h Velocidad máx.: 60 km/h Costo del vehículo: $24,000 -$26,000

DESARROLLO

En la necesidad de proporcionarles fuerza motriz a lasmáquinas el ideal ha sido el uso de sistemas deconducción directa o direct drive, que son sistemasde bajo peso, poco espacio y que directamenteproporcionan todo el par requerido a la velocidadrequerida.

Fig. 3. Sistema de conducción directa

Estos sistemas direct drive en la actualidad sonutilizados en bicicletas, motocicletas de baja potencia,prototipos de vehículos híbridos con alta potencia,etcétera.

Análisis de rodadura

Mediante este análisis se encuentra la fuerzapropulsora , la cual depende de:

La resistencia a la rodadura: Fuerzadebido a la fricción con el camino y laspérdidas mecánicas,= ……(1): [ ]:

El arrastre aerodinámico. Fuerza debido ala interacción de la parte frontal de vehículoen movimiento y el aire,= ……(2): á [ ]:: :

La fuerza de ascenso: Es la fuerza necesariapara romper la fuerza de gravedad cuando elvehículo pase por un camino a una pendientedada, =: á [°]

La fuerza de aceleración: Es la fuerza quese aplica para que exista un cambio develocidad. =: ó

La fuerza de aceleración angular: Es lafuerza necesaria para dar aceleración angularal motor

=: [ ]: [ ]: í ó

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 423 >>



: óObtenemos la fuerza propulsora haciendo la suma delas fuerzas descritas anteriormente, es necesarioresaltar que algunas fuerzas se considerandespreciables debido a las aceleraciones yvelocidades y los escenarios de funcionamiento delvehículo: funcionamiento a velocidad plena,velocidad máxima, en ascenso, etc., con el cálculo dela fuerza propulsora podemos conocer la potencia, pary velocidad requeridas de los motores.

Tabla 1. Especificaciones para el Vehículo

Datos Valor

Masa 570 kg(4 pasajeros

+ 250 kgvehículo)

Vel. crucero 40 km/h

Vel. Max 60 km/h 16,67 m/s

Velocidad enpendiente

30 km/h 8,33 m/s

Tiempo Acel. 18 s

Aceleración Max. ---- ----- 1,67 m/s2

Pendiente 10 grados 0,174 rad

Gravedad 10 m/s2

Factor deseguridad

1,2

Coeficiente deresistencia a la

rodadura0,015

Densidad 1,25 kg/m3

Coeficiente dearrastre

0,7

Área frontal 1,2 m2

Se realizó el análisis a distintas velocidades ydiámetros de la rueda y distintos índices de reducción,para obtener rangos de valores posibles en el diseñode la tracción.

A continuación se muestran gráficas para la velocidadcrucero requerida 40 km/h , la potencia necesaria:6.07 kW.

Fig. 4 Diámetro de la rueda vs par

Fig. 5 Diámetro vs velocidad de la rueda

Se muestran gráficas para la velocidad máximarequerida 60 km/h , la potencia necesaria: 12.79 kW60 km/h – 12.79 kw

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 424 >>



Fig. 6 Diámetro de la rueda vs par

Fig. 7 Diámetro vs velocidad de la rueda

Los campos resaltados son valores picocorrespondientes a la tabla 1, para alcanzar lavelocidad requerida de 60 km/h. Se proponedesarrollar un sistema que contenga elementos de latransmisión dentro del vehículo.

Fig. 8 Subsistemas por función

Filosofía de diseño

Se estableció directrices las cuales fueronconclusiones de proyectos anteriores en la búsquedade un mejor diseño:

Funciones separadas – modular.

1. Una función específica por cada subconjuntode elementos.

2. Interacción con los conjuntos adyacentes, esdecir, si se reemplaza un conjunto no afectea los conjuntos adyacentes

Flexibilidad. Dentro del conjunto deelementos se busca la menor dependencia deun elemento dado, desde la flexibilidad decambiar un rodamiento, por el costo delmismo p. ej., hasta cambiar la tracción depoleas a una tracción por cadena

Flujo de información. Consiste en hacerbases de datos, para elementos distintos dedistintas marcas de distintos proveedores

Propuestas de transmisión I

Se realizaron dos propuestas con los siguientesobjetivos:

Transmisión de movimiento de la maneramás directa

Menor espacio posible Menor número de elementos

a) Flechas coaxiales. El eje de giro del motor yde la rueda se encuentra relacionadacoaxialmente, de esta forma se tendría unmenor espacio radial y un mayor espacioaxial.

Fig. 9 Propuesta flechas coaxiales

b) Flechas paralelas. El eje de giro del motor yde la rueda se encuentran en paralelo, de estaforma se tiene mayor espacio radial peromenor espacio axial.

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 425 >>



Por sus características de operación como son, bajasrevoluciones, menor ruido, costo, etc. se propone unatransmisión flexible síncrona por bandas.

Fig. 10 Propuesta flechas paralelas

Selección del motor eléctrico y de componentespara la tracción

Una variable para la selección del motor eléctrico esel índice de reducción, de tal forma que el motorpueda operar de forma óptima, se presentan gráficaspara la operación a velocidad nominal requerida de 40km/h y velocidad máxima requerida 60 km/h condistintos índices de reducción.

Fig. 11 Diámetro rueda vs par en motor con distintosíndices de reducción

Fig. 12 Diámetro rueda vs velocidad en motor condistintos índices de reducción (40 km/h)

Fig. 13 Diámetro rueda vs par en motor con distintosíndices de reducción (60 km/h)

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 426 >>



Fig. 14 Diámetro rueda vs velocidad en motor condistintos índices de reducción (40 km/h)

Tabla 2 Motores eléctricos

ModeloPotencia

. WParNm

Vel.nomRPM

VoltajeV

ImaxA

MCGAB48001

1276 4.06 3000 170

MCGAB48003

1808 8.22 3000 170

MarsME-3001PMSM/BLDC

4000 11.9 3200 54 110

HPM5000B 7000 15.68 3000 72 100

Se buscaron motores eléctricos (extracto Tabla 2) conlos datos de par y velocidad requeridos de las figuras10 a 13 y con el uso de una rueda típica para unvehículo utilitario que nos diera ventajas de costo ydisponiblidad de componentes adicionales;adicionalmente se selecciono el motor con aspectosde protección contra agua, peso, tamaño y costo.

Una vez seleccionado el motor se evalúan laspropuestas de configuración para ejes coaxiales y ejesparalelos de forma cuantitativa.

Se hace una preselección para una etapa utilizandoengranes y una preselección de dos etapas para lapoleas debido al espacio requerido, con el fin depoder dimensionar, obtener un costo aproximado yestimar el peso.

Tabla 3 Evaluación de elementos de transmisión

Elemento Descripción Reducción

Engrane I

Pd: 2 inCara: 1 in

Peso: 0.44 kgMaterial: Acero 5 Reductor

planetario

Engrane II

Pd: 8 inCara: 1 in

Peso: 2.632Material: Acero

Polea síncronaI

Pd: 3.024 inCara: 1 inPeso: 1.2

Material: Hierro2.53

Polea síncronaII

Pd:7.639 inCara: 1 inPeso: 12.1

Material: Hierro

Polea síncronaIII


Material: Hierro1.82

Polea síncronaIV


Material: Hierro

Es necesario un montaje del motor en el chasis deforma que el motor no oscilase, para esto se utilizauna suspensión con brazo oscilante.

La composición para el sistema de flechas paralelasconsidera el número de elementos y los tiempos entresesiones de mantenimiento.

En este punto se propone una combinación de unatransmisión con engranes tipo “gearhead”, la cual esacoplada directamente al motor, haciendo unareducción compacta y de esta se transmite elmovimiento al eje mediante una transmisión síncronapor poleas.

Fig. 15 Configuración

Selección de los componentes

Diseño de reductor planetario - engranes

En nuestra configuración el engrane sol transmitemovimiento a engranes planetas que se muevenlibremente apoyados en un engrane interno fijo.

Para este caso:

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 427 >>



= + 1Tabla 4. Especificaciones para reductor

DatoProtección IP3 ( vs agua nebulizada)Diámetro 8 inLargo 8 inReducción 1:4Material Engranes y carcasa de nylon y aluminioMediante la fórmula de Lewis se dimensionaron losengranes,

= 600600 +y = 0.262 ( )

Tabla 5. Diseño de engranes

Dato Valor [Unidad]S Esfuerzo de

cedencia(Nylon)

6000 [lb/in2]

F Ancho dediente

2 [in]

Y Factor deforma

0.337

P Pasodiametral

12

D Diámetro depaso

2 [in]

RPM Velocidadangular

3270 [RPM]

V Velocidad enla línea depaso

1713.48 [FPM]

W Carga en eldiente

93.09 [lb]

Factor deservicio

1.3

Factor deseguridad

1.22

Se realizó un análisis de fuerzas para las flechas y enun proceso paralelo se seleccionaron rodamientospara un rango de precios y para la carga requerida,además de obtenerse los diámetros mínimos para lasflechas.

Diseño de transmisión por poleas

El tipo de poleas se seleccionaron por factor deservicio, potencia, velocidad, factor de seguridad, conesto se seleccionaron poleas con las siguientescaracterísticas:

Estableciendo el máximo espacio que podría llevaruna rueda de 24 pulgadas (rim de 13 pulgadas), y elespacio del motor de 8.5 in se obtuvo la mínimadistancia entre centros para la selección la banda, detal forma que el motor pudiese ser colocado endistintas posiciones fuera del perímetro definido porla rueda.

Fig. 16

Tabla 6. Especificaciones para poleas

Dato Valor Unidad

Factor de servicio 1.3 -----

Flecha del motor 7/8 in

Paso 8 mm

Velocidad polea conductora 817.5 RPM

Par polea conductora 149.47 Nm

Potencia 6.4 (8.6) kW (HP)

velocidad rueda 545 RPM

Par rueda 224.2 Nm

Tabla 7. Poleas seleccionadas

Item DescriptionTime pulley:P38-8M-50-SH

Dp: 3.810 inAncho de diente: 50 mmPeso: 1.364Material: iron cast

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 428 >>



Time pulley:P64-8M-50-SK

Dp: 6.416 inAncho de diente: 50 mmPeso: 4.4Material: cast iron

Belt:1200–8M-50

Distancia entre centros:17.12 inAncho: 50 mmLargo: 1280

Para reducir el costo y peso de las poleas se realizó unanálisis de elemento finito a un cuarto de poleadentada, el resultado fue la posibilidad de cambiar elmaterial de aluminio a material de nylon, losresultados se muestran a continuación

Aluminio6061-T6

Resistencia a la cedencia 275.79Factor de seguridad 159.85Desplazamiento máximo 1.79 10

Nylon Resistencia a la cedencia 37.9Factor de seguridad 22.11Desplazamiento máximo 9.18 10

Fig. 17. Análisis de elemento finito a polea

Interacción de transmisión con los demássubsistemas

Una vez teniendo definida las dos etapas detransmisión se realizó el diseño para los subsistemas yla interacción de estos.

Fig. 18. Sección sistema de tracciónA pesar de que el brazo de la suspensión se encuentrapor enfrente, tanto los espacios como la forma deensamble facilitan el remplazo de la banda.

Se analizó y diseñaron los componentes inter-actuantes con los engranes para el diseño del reductor

Fig. 19 Análisis de fuerzas

Tabla 8. Factores de seguridad componentes delreductor

Flecha planetasmaterial AISI 1018F.S. 7.72

Disco portaplanetas

material AISI 1018F.S. 5.39

Flecha de salidamaterial AISI 1018F.S. 21.52

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 429 >>



Se analizó y diseñaron los componentes inter-actuantes con la transmisión por poleas

Tabla 9. Factores de seguridad componentes desuspensión, giro y arrastre

Flecha de arrastrematerial AISI 1018F.S. 7.98

Flecha de lasuspensión


Brazo desuspensión


Chumaceramaterial AISI 1018F.S. 8.47

Diseño de tensores

De la figura 14 se observa que existen 3 ejes, elprimero es el eje de la polea conductora, el segundode la polea conducida y el tercer eje corresponde albrazo de la suspensión, el movimiento del brazo de lasuspensión ocasiona que la distancia entre los ejes dela polea conducida cambie, por lo tanto tambiéncambia la tensión de la banda, si bien el uso de tresejes redujo la complejidad del diseño mecánicoademás de disminuir el número de piezas, se hizonecesario el uso de tensores dinámicos.

Para el sistema de poleas se requiere una fuerza de detensión sobre la banda, en el rango de 285-385 lbf.

Fig. 20. Imagen del tensor

RESULTADOS

Se obtiene un sistema de tracción de31.5 25 20 (0.8 0.635 0.508 ) deaproximadamente 44 , potencia de 6.4 , par desalida de 224.2 , velocidad crucero de 365 RPM(2180 RPM en el motor) para llevar una masa de570 a 40 /ℎ, velocidad máxima de 545 RPM(3270 RPM en el motor) para llevar una masa de570 a 60 /ℎ.

A la fecha de redacción del presente documento, elequipo se encuentra trabajando en el diseño de unprotocolo de pruebas considerando las característicaspropias del vehículo y en las variables másimportantes a documentar.

El diseño de dicho protocolo de pruebas se estábasando en las especificaciones técnicas paravehículos eléctricos que utiliza la Oficina deTecnología de Transportación del Departamento deEnergía de EUA [8]. Dichas especificaciones técnicasreportan el desempeño del vehículo: tiempos deaceleración de 0-32 [km/h] a diferentes pendientes,velocidad máxima, pendiente máxima, etcétera.

Fig. 21 Sistema de tracción montado en el vehículo

CONCLUSIONES

Se obtuvo un sistema flexible que brinda laposibilidad de reconfigurarse sin la necesidad dehacer modificaciones severas.

Las premisas de la filosofía de diseño ayudaron comouna buena forma de evaluar desde la selección depropuestas hasta la selección de componentes

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 430 >>



El sistema de tracción tiene la virtud de poderseaplicar a otros vehículos de más de dos ruedasbasándose en la tendencia de evolución tecnológica.

El usar una combinación de transmisión flexible ytransmisión rígida dio como resultado un sistema debajo peso y poco espacio.

BIBLIOGRAFIA

[1] Chan, C.C, The state of the art of electric andhybrid vehicles, Proceedings of IEEE, Vol. 90 Issue 2Feb. 2002, pp. 247 -275

[2] Larminie, J. “Electric Vehicle TechnologyExplained”, John Wiley and Sons, 2003, 304 pp.

[3] MOTT, Robert L. “Diseño de elementos demáquinas”, cuarta edición, Pearson educación,México 2006, 872 pp

[4] Boston Gear., “Open gearing Cathalog”, USA,2006.

[5] NORTON, Robert L.,”Diseño de máquinas”,México, 1999, Ed. Prentice-Hall, pag 994.

[6] Shigley, J. E., “Diseño en Ingeniería Mecánica”,McGrawHill., México, 6ta edición, 2002,

[7] www.matweb.com

[8] NEV America: Neighborhood electric vehicletechnical specification, Appendix ARevision 3. September 21,2007

A1_193

ISBN: 978-607-95309-5-2 << pag. 431 >>

www.matweb.com

Documents

SISTEMA MODULAR DE TRACCIÓN PARA UN …somim.org.mx/memorias/memorias2011/pdfs/A1/A1_193.pdf · configuraciones para el tren motriz para un vehículo, la configuración con motor