Городские авто "переобуют" в мотор-колеса

Наверное, все помнят из школьного курса физики, что электродвигатель состоит всего из двух деталей: ротора, который вращается, и статора, что неподвижен. Так вот, если мы превратим статор в ось, а на вращающийся ротор наденем автомобильную шину, то перед нами получится не что иное, как мотор-колесо. Именно такое "чудо" недавно было создано в США.

Фото:

Казалось бы, чего проще — вот так сделал и бери себе поезжай! Однако в реальной жизни все оказалось совсем не так просто, как кажется на первый взгляд.

Первым автомобилем, имевшим мотор колеса, стал "продвинутый" Lohner-Porsche (1900) — первый в мире гибридный автомобиль, в конструкции которого были применены мотор-колёса. Успеха он не имел, поскольку на нем были очень тяжелые и громоздкие свинцово-цинковые аккумуляторы, и он не столько ездил, сколько их заряжал.

Впрочем, идея мотор-колеса после этого отнюдь не умерла, а получила свое инженерное воплощение в оригинальных двигателях для… карьерных самосвалов. Как правило, это огромные машины, которые по обычным асфальтовым дорогам не ездят, а день и ночь колесят по уходящим в глубины земли рудным или алмазным карьерам, перевозя на поверхность за каждую поезду десятки, а то сразу и сотни тонн породы!

Как эти "чудовища" устроены проще всего рассмотреть, скажем, на примере Komatsu 930E-3SE — флагмана японского производителя такого рода необычной техники. Полная масса автомобиля — 504 тонны, мощность двигателя — 3500 лошадиных сил, а перевозит он в своем "чреве" (то есть в кузове!) до 290 тонн груза. Для того, чтобы сдвинуть такую громадину с места, у автомобиля под капотом имеется 18-цилиндровый турбодизельный двигатель мощностью 3500 лошадиных сил, который способен давать 1900 оборотов в минуту.

Кстати, этот силовой агрегат может похвастаться не только высокой мощностью и потрясающим крутящим моментом, но и немалым весом — 10 тонн! И эта цифра не кажется совсем фантастической, особенно, когда узнаешь, что в его системе смазки "плещется" 340 литров моторного масла, а в систему охлаждения заливается 719 литров антифриза. Причем в отличие от обычных автомобилей, где маховик двигателя соединен с ведущими колесами через коробку передач, в карьерных самосвалах самой популярной является схема с мотор-колесами. В ней двигатель всю свою мощность отдает не механической трансмиссии, а генератору переменного тока, питающего тяговые электромоторы, а они как раз и являются мотор-колесами, так до сих пор и не появившимися на массовых легковых автомобилях.

Крутящий момент от электродвигателей передается на гигантские колеса не напрямую, а через компактные редукторы, поэтому объем масла, необходимый для работы каждого редуктора, составляет всего 95 литров. С таким силовым агрегатом максимальная скорость Komatsu 930E-3SE составляет 64,5 километров в час, что для такой махины совсем немало, и проблема тут состоит не в том, чтобы ее разогнать, а в том, как остановить. Над этой задачей трудится гибридная тормозная система, состоящая из трех подсистем: основной, вспомогательной и стояночной.

Основная система — гидравлическая, многодисковая, с раздельными контурами передней и задней оси и масляным охлаждением тормозных дисков. Максимальное давление тормозной жидкости в контуре составляет 172 атмосферы и при этом во время торможения общая площадь поверхности трения составляет почти 10 квадратных метров! Но даже такая система не может в одиночку справляться с гигантом, поэтому ей на помощь приходит вспомогательная — электродинамическая система торможения.

Во время торможения тяговые электромоторы переключаются в режим генераторов, и вся вырабатываемая ими электроэнергия превращается в тепло на нагрузочных резисторах. Мощность, рассеиваемая на резисторах, в пике может быть более 4000 киловатт! В то время как среднее значение этого параметра составляет 2900 киловатт. Стояночная тормозная система — с сухими тормозными дисками, способна удерживать полностью загруженный автомобиль на 15-процентном уклоне.

О чем это говорит? Да только о том, что все это техническое совершенство всего лишь результат действия закона спроса и предложения. Есть спрос — есть и предложение в виде оформленного технического решения, и даже необходимость в настоящих реках топлива и масла тут никого не останавливает! А вот как обстоит дело с городским автомобилем на мотор-колесах?

Что же, сегодня уже есть городской двухместный электромобиль Hiriko, который как раз и оснащен мотор-колёсами. Применение данного конструктивного решения позволило реализовать на сверхмалом автомобиле независимый поворот колес, то есть он еще и очень маневренный. Этот автомобиль является коммерческой реализацией проекта CityCar, разработанного в Массачусетском технологическом институте Media Lab с 2003 года, а производится он в Испании, в стране Басков. Кстати, и название его Hiriko на языке басков означает "городской" или "из города".

Теперь вот США порадовали всех любителей экологического транспорта еще одним подобным авто. В Университете штата Огайо разработан необычный электромобиль, управлять которым без бортового компьютера и различных вспомогательных систем просто невозможно. Придумал его адъюнкт-профессор отделения машиностроения Ван Цзюньминь. Причем в отличие от карьерных самосвалов у него нет традиционного двигателя внутреннего сгорания, трансмиссии и дифференциалов.

Каждое из четырех колес приводится в движение собственным электромотором, получающим питание от блока аккумуляторных батарей. Это дает ему возможность совершать самые разнообразные маневры, быстро менять направление движения и делать резкие повороты.

Впрочем, вот так просто делать эти самые резкие повороты нельзя. Водителю на помощь приходит специальный бортовой компьютер, который с частотой до 100 раз в секунду получает и анализирует показатели о положении рулевого колеса, педалей акселератора и тормоза. А уже на основании этих данных вычисляются параметры работы каждого из четырех мотор-колес.

Использованная математическая модель позволяет не только с высокой точностью рассчитать нужный крутящий момент, но и обеспечивает новое авто такими возможностями, которые недоступны обычным автомобилям. Например, этим достигается очень хорошая маневренность и отзывчивость на каждый поворот руля. Причем во время движения одно или несколько колес могут притормаживаться, а оставшиеся — продолжать движение с прежней скоростью. Так что направления движения может воспроизводиться им идеально.

Разработка автомобиля началась в 2009 году при поддержке Управления научно-исследовательских работ ВМС США. Затем в феврале 2012-го команда Вана получила пятилетний грант в размере 400 тысяч долларов, что, в общем-то, не так уж и много, однако и немало. Новый электромобиль создан на шасси коммерческого внедорожника и весит приблизительно 800 кг. В каждое колесо установлен электрический двигатель мощностью 7,5 кВт, питание которого обеспечивается 15-киловаттным блоком литий-ионных аккумуляторов. С центральным компьютером моторы связывает электрический кабель.

Колоссальным преимуществом автомобиля является нулевой выброс вредных газов в атмосферу. А подзаряжать батареи можно при помощи возобновляемых источников энергии. Испытания в различных условиях показали, что точность маневрирования в ответ на действия водителя равна 10-20 см. Заряда аккумуляторов хватает на 8-10 часов езды с остановками.

Специалисты, впрочем, признают, что коммерческий вариант автомобиля вряд ли появится раньше, чем через 5-10 лет. Дело в том, что необходимо улучшить реакцию его бортовой компьютерной и механической систем, а также реализовать необходимые средства обеспечения безопасности водителя и пассажиров.

Следует заметить, что в последнее время в качестве двигателя для электромобиля мотор-колеса используются все чаще и чаще, особенно в концепт-карах. Исключением стал лишь Volage — спортивный электромобиль, построенный силами фирм Venturi и Michelin, который скоро должен будет поступить в продажу. Все активные системы безопасности, такие как ABS, ESP, Brake Assist и Traction Control, в таком автомобиле можно соединить в один управляющий софт, после чего они смогут воздействовать на каждое колесо по отдельности. Добавим к этому ещё и мобильность данной системы и её способность регенерировать энергию при торможении.

Конечно, у мотор-колес есть и определенные недостатки. Попробуйте-ка запихнуть кучу механизмов внутрь маленького обода. Понятно, что вес колеса при этом увеличится, а это плохо скажется на управляемости, повысится износ подвески автомобиля, увеличится передача вибрации на кузов. Доказано, что идеальный вес автомобильного колеса должен составлять 10-30 кг. Инженерам Michelin удалось вписаться в этот жесткий лимит: их тяговый электродвигатель Active Wheel весит всего 7 кг, а остальная механика системы укладывается в 11 кг.

Ну а существенных недостатков у самого электродвигателя просто нет. Зато есть большие сложности в его питании. И вот именно несовершенство источников пока не дают использовать электродвигатели внутри колес (как, впрочем, и просто электродвигатели!) в массовом коммерческом автомобилестроении.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"