Nie myślisz o oponach, dopóki nie przebiją się. To słuszna uwaga. Jeśli oni się rzucą, ty też rzucisz. Sprawdzasz ciśnienie krwi. Być może sprawdzasz głębokość bieżnika. Zwykle na tym kończy się Twoja interakcja z nimi. Koszt i trwałość to jedyne rzeczy, które mają znaczenie, gdy stoisz w przejściu w sklepie.
Jednak od ponad dekady inżynierowie i giganci branży oponiarskiej starają się przełamać ten stereotyp. Nie tylko ulepszają opony. Poruszają „mózgiem” i „mięśniami”.
Na scenę wchodzą silniki elektryczne umieszczone bezpośrednio w kołach.
W teorii nie jest to koncepcja nowa. Po prostu trudno było to wdrożyć w praktyce. Firmy takie jak Michelin widzą przyszłość, w której koło wykona więcej pracy niż kiedykolwiek wcześniej. Chcą zintegrować cały układ napędowy samochodu bezpośrednio z napędem.
Anatomia silnika elektrycznego w kole
Logika jest tutaj niezwykle prosta. Wymontuj silnik spalinowy. Jest ciężki, nieefektywny i zajmuje dużo miejsca. Zastąp go co najmniej dwoma silnikami elektrycznymi. Po jednym na każde tylne koło. Być może nawet cztery.
To nie tylko wały napędowe. Są to jednostki autonomiczne.
Układ hamulcowy znajduje się wewnątrz piasty. Zapewnia transmisję mocy. Zastępuje skrzynię biegów. Sprzęgło. Wahacze zawieszenia. Nawet niektóre elementy geometrii układu kierowniczego. Wszystko to przenosi się do środka. W koło.
Zwiększa to masę nieresorowaną. Koszmar dla inżynierów. Zapewnia jednak korzyści, których nie zapewniają tradycyjne układy.
Dlaczego silniki elektryczne w kołach są ważne
Można się zastanawiać, dlaczego nie wszędzie jeszcze widzimy tę technologię. Odpowiedź leży w zarządzaniu temperaturą i trwałości.
Silnik elektryczny wytwarza ciepło. Dużo ciepła. Jeśli umieścisz silnik w kole otoczonym oponą, która również się nagrzewa, problemem staje się przegrzanie.
Tradycyjne silniki znajdują się w komorze silnika lub pod podłogą samochodu. Mają systemy chłodzenia przeznaczone do takich warunków. Koło obraca się z prędkością 1000 obr./min. Przepływ powietrza nie jest stały. Wnikanie brudu. Przedostanie się wody.
Zatem wyzwaniem nie jest tylko zbudowanie silnika. Konieczne jest stworzenie silnika, który będzie w stanie przetrwać w agresywnych warunkach środowiskowych, zachowując jednocześnie zdolność przenoszenia momentu obrotowego.
“Podstawowa zasada działania samochodu wyposażonego w silniki elektryczne w kołach jest prosta. Silnik spalinowy… po prostu nie jest potrzebny.”
Ta zmiana zmienia sposób, w jaki myślimy o dynamice pojazdu. Bez centralnego mechanizmu różnicowego wektorowanie momentu obrotowego jest natychmiastowe. Każde koło otrzymuje dokładnie taką ilość mocy, jakiej potrzebuje, we właściwym czasie. Żadnych opóźnień mechanicznych. Brak utraty płynu.
Ale czy poprawia to komfort jazdy? To jest pytanie za milion dolarów.
Kompromisy
Masa nieresorowana jest wrogiem prowadzenia. Kiedy umieścisz w kole ciężkie elementy, zawieszenie musi pracować ciężej. Ma to wpływ na jakość jazdy. Ma to wpływ na zużycie opon.
Producenci dostosowują projekty, aby złagodzić te skutki. Zastosowano lżejsze materiały. Ulepszone łożyska. Uszczelnione bloki, aby zapobiec przedostawaniu się zanieczyszczeń.
Wskaźniki wydajności są nadal testowane. Efektywność? To się różni. Niektóre prototypy wykazują korzyści. Inne wykazują straty spowodowane zużyciem energii przez systemy radiatorów.
Jesteśmy świadkami technologii, która zapowiada rewolucję. Ale rewolucje są zawsze chaotyczne.
Czy wymiana jest tego warta? Nie ma jeszcze ostatecznego wyroku.
Sprawność silnika elektrycznego w kole
Montaż silników elektrycznych w nadkolach nie jest projektem typu „zrób to sam”. To inżynieryjny koszmar wymagający zmian w geometrii zawieszenia, systemach zarządzania temperaturą i masie nieresorowanej. Nie można po prostu wyrwać V8 i wsadzić tam silnika. Celem jest nie tylko zapewnienie przyczepności, ale także integracja wszystkich komponentów.
Protean Electric to rozumie. W 2008 roku na targach SEMA zaprezentowali Forda F-150, który stracił „serce” i zyskał cztery nowe. Standardowy silnik V8 zniknął. Zamiast tego: cztery silniki elektryczne w kołach. Każda jednostka rozwijała moc ponad 100 KM. Cztery z tych silników? To jest 400 KM. w sumie. Standardowa ciężarówka nie mogła nawet marzyć o takim momencie obrotowym.
Sprzęt okazał się zaskakująco lekki. Każdy silnik ważył tylko 68 funtów (31 kilogramów). Całkiem sporo jak na taką moc. Zużyli energię z akumulatora litowo-jonowego o pojemności 42 kWh. Prawdziwy zasięg? Około 161 kilometrów przed koniecznością ponownego naładowania.
Dlaczego nie ograniczyć się do czterech? Nie musisz. Architektura jest skalowalna. Większość samochodów osobowych potrzebuje tylko dwóch silników. Napęd na tylne koła, napęd na przednie koła – to nie ma znaczenia. Ale jeśli budujesz SUV-a lub samochód torowy, potrzebujesz przyczepności. Aby napęd na wszystkie koła (AWD) działał skutecznie, potrzebne są silniki elektryczne w kołach na wszystkich czterech rogach.
Michelin posunął się dalej w tej koncepcji dzięki systemowi Active Wheel. Nie chodzi tylko o kręcenie kołem. Chodzi o kontrolę.
Jak faktycznie działają aktywne koła
Aktywne koło Michelin nie jest silnikiem przykręconym do piasty. To jest centrum. Silnik elektryczny jest wbudowany bezpośrednio w środku zespołu koła. Eliminuje to potrzebę stosowania półosi, mechanizmów różnicowych i półosi napędowych. Jest to zmniejszenie masy elementów nieresorowanych. To prowadzenie, które nie sprawia wrażenia, jakbyś ciągnął za sobą łańcuch.
W systemie zastosowano silnik synchroniczny z magnesami trwałymi. Jest kompaktowy. To skuteczne. Umożliwia także niezależne wektorowanie momentu obrotowego. Każde koło może obracać się z inną prędkością, przykładać różną ilość momentu obrotowego, a nawet niezależnie odzyskiwać energię.
Oto kicker: Michelin zintegrował zacisk hamulcowy w tym samym zespole. Silnik elektryczny zapewnia przyspieszenie i hamowanie regeneracyjne. Fizyczne klocki hamulcowe zapewniają siłę hamowania podczas zwalniania przy małych prędkościach lub gdy regeneracja osiąga maksimum. Jest to ujednolicony układ hamulcowy i trakcyjny.
Kompromisy
To nie magia. Są koszty.
Po pierwsze masa elementów nieresorowanych. Mimo że silnik jest lekki, nadal jest przymocowany do koła. To pogarsza jakość jazdy. Zawieszenie musi pracować ciężej, aby utrzymać oponę na drodze podczas pokonywania nierówności. Michelin rozwiązał ten problem dzięki zaawansowanym algorytmom tłumienia, ale fizyka to fizyka.
Po drugie, jest ciepło. Silniki nagrzewają się. Koła kręcą się szybko. Usuwanie ciepła z miejsca styku opony bez topienia gumy jest trudnym zadaniem. Michelin wykorzystuje kanały chłodzące ciecz wbudowane bezpośrednio w zespół koła. To skomplikowane. To jest drogie. Ale to działa.
Po trzecie łatwość konserwacji. Jeśli złapiesz gumę, nie możesz jej po prostu wymienić. Masz do czynienia z połączeniami wysokiego napięcia, przewodami chłodzącymi i mocowaniami konstrukcyjnymi. Przebicie opony staje się wydarzeniem dla centrum serwisowego.
Dlaczego to ma teraz znaczenie
Widzimy tę technologię
Większość producentów inaczej organizuje te systemy pod maską, ale ich podstawowa anatomia pozostaje taka sama. Jako przykład weźmy aktywne koło Michelin jako punkt wyjścia. Na pierwszy rzut oka to tylko koło. Gdybyś nie przyjrzał się bliżej, nie wiedziałbyś, że w środku ukryty jest silnik elektryczny.
Zdejmij koło. Nagle wszystko się zmienia.
W tej kompaktowej przestrzeni mieszczą się hamulce, aktywne zawieszenie i sam napęd. Zawieszenie nie jest pasywne. Reaguje w ciągu 0,003 sekundy. Przechylenie ciała i nachylenie ciała są korygowane, zanim w ogóle je poczujesz. To jest układ elektryczny. Jest szybka. Jest dokładna.
Jak silniki w piastach oszczędzają energię
Hamowanie regeneracyjne jest standardem w niektórych konstrukcjach. System wychwytuje energię kinetyczną podczas zwalniania i zwraca ją z powrotem do akumulatora. Technologia ta nie jest nowa. Stosowany jest w Toyocie Prius. Jechała Teslą Roadster. Cel jest prosty: zwiększyć zasięg.
Ale prawdziwa historia dotyczy wydajności.
Energia przekazywana jest bezpośrednio z silnika na koło. Brak transmisji. Brak półosi. Żadnych różnic. Odległość, jaką pokonuje energia, jest zredukowana prawie do zera. Wydajność wzrasta dramatycznie.
Porównaj to z jazdą po mieście samochodem z silnikiem spalinowym. Otrzymujesz około 20 procent wydajności. Większość energii paliwa jest rozpraszana w postaci ciepła lub tarcia mechanicznego. Silnik elektryczny w piaście osiąga sprawność około 90 procent w tych samych warunkach poślizgu i zatrzymywania.
To ogromna różnica.
Jak zatem utrzymuje moc pomimo tak dużego wzrostu wydajności? Odpowiedź leży w ograniczeniu strat mechanicznych. Każdy element znajdujący się pomiędzy źródłem zasilania a drogą pobiera pewną ilość energii. Eliminując ten łańcuch, więcej energii dociera do powierzchni drogi.
„Mówi się, że silnik w piaście działa z wydajnością około 90 procent w tym samym środowisku”.
Nie chodzi tylko o oszczędność paliwa. Chodzi o odzyskanie utraconego potencjału. Silnik nie tylko obraca kołem. Zarządza całym interfejsem pomiędzy samochodem a drogą.
Zawieszenie przejmuje obciążenia pionowe. Silnik kontroluje moment obrotowy. Hamulce zapewniają siłę hamowania. Wszystko w jednym kompaktowym urządzeniu.
Na papierze brzmi to idealnie. Ale są kompromisy. Zwiększa się masa nieresorowana. Koło jest zmuszone do cięższej pracy. Problemem staje się odprowadzanie ciepła. Omówimy te kwestie w dalszej części.
Jak silniki montowane w kołach zapewniają natychmiastowy moment obrotowy bez opóźnień mechanicznych
Możesz się obawiać, że przeniesienie ciężkich funkcji mechanicznych na piastę koła pozbawia samochód czegoś podstawowego: zachowania sprężyny, jakiego oczekujesz po naciśnięciu pedału przyspieszenia. Jednak silniki elektryczne nie tylko dostarczają energię. Zapewniają moment obrotowy. I robią to natychmiast.
W tradycyjnej skrzyni biegów energia tracona jest na przekładniach, mechanizmach różnicowych i osiach. Silniki kołowe omijają te straty. Siła przenoszona jest bezpośrednio ze stojana na felgę koła. Nie ma transmisji pośredniej. Każde koło ma również własny zestaw czujników. Czujniki te odczytują w czasie rzeczywistym dane dotyczące trakcji i obciążenia. Informują silnik dokładnie, jaki moment obrotowy jest potrzebny w danej milisekundie.
Czas reakcji jest krótszy niż w przypadku jakiegokolwiek obecnie produkowanego pojazdu elektrycznego. Dlaczego? Ponieważ obecne systemy opierają się na złożonych ścieżkach komunikacji elektrycznej i połączeniach mechanicznych, które zwiększają opóźnienia. Konstrukcja koła silnikowego eliminuje pośredników.
Technologia „By-wire” i śmierć przekładni
Kiedy silnik, hamulce i przekładnia kierownicza zostaną umieszczone wewnątrz koła, środek samochodu staje się pustą przestrzenią. To tutaj dzieje się magia projektowania. Silnik znika. Skrzynia biegów znika. Sprzęgło znika? Tak też. Nawet części zawieszenia można zintegrować z aktywnym tłumieniem samego koła.
Inżynierowie nazywają to przejście od sterowania mechanicznego do elektrycznego technologią by-wire. Napęd przewodowy. Hamulec przewodowy. Sterowanie przewodowe.
Usunięcie silnika spalinowego i powiązanego z nim wyposażenia umożliwia radykalne ulepszenia konstrukcyjne. Nie tylko przesuwasz części. Przemyślasz na nowo całą architekturę podwozia. Samochód koncepcyjny Venturi Volage przetestował to podejście. Producent samochodów z Monako wykorzystał silniki w kołach, aby stworzyć platformę, która nie wymagała centralnego tunelu zespołu napędowego. Była czystsza. Łatwiejsze. Bardziej elastyczny.
Problem niezawodności w układach z kołami silnikowymi
Kilku producentów samochodów eksperymentowało z tą koncepcją. Michelin aktywnie promuje swój program Active Wheel. Hi-Pa Drive koncentruje się na zastosowaniach o wysokiej wydajności. Ale jest niuans.
Nadal nie mamy obszernych danych operacyjnych. Pozostają pytania dotyczące trwałości. Co się stanie, jeśli silnik wewnątrz koła będzie przez dziesięć lat narażony na działanie wody, soli i zanieczyszczeń drogowych? Czy będzie w stanie wytrzymać ciepło powstające przy długotrwałych dużych obciążeniach? Czy wytrzyma uderzenie w dziurę w jezdni, które zniszczyłoby tradycyjną oś?
Bezpieczeństwo to kolejna przeszkoda. W przypadku awarii hamulca mechanicznego dostępna jest redundancja. Jeśli elektroniczna jednostka sterująca silnika koła ulegnie awarii, polegasz całkowicie na redundancji oprogramowania i systemach zasilania rezerwowego. Nie zostało to udowodnione na dużą skalę. Dopóki nie zobaczymy tych systemów w pojazdach flotowych lub samochodach codziennego użytku z tysiącami godzin pracy, rozmowa o niezawodności pozostaje teoretyczna.
Trwałość elementów znajdujących się bezpośrednio w nadkolu jest nadal dyskusyjna.
Na razie technologia robi wrażenie na papierze. Przenoszenie momentu obrotowego jest natychmiastowe. Opakowanie komponentów jest wydajne. Jednak nie jest jeszcze gotowy na każde warunki drogowe, każdy klimat i każdą strefę komfortu kierowcy. Przeszkody inżynieryjne są znaczące. Korzyści są kuszące.
Musimy tylko obserwować testerów. Poczekajcie na pierwsze doniesienia o prawdziwych awariach. Albo pierwsza wielka historia sukcesu. Cokolwiek stanie się pierwsze, koło się zmieni.
