UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DEL TREN MOTRIZ DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO
TODOTERRENO
SERGIO DANIEL ROA MELO
Asesor de Proyecto
LUIS ERNESTO MUÑOZ
PhD, MSc, Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
DISEÑO DEL TREN MOTRIZ DE UN VEHÍCULO HÍBRIDO
TODOTERRENO
SERGIO DANIEL ROA MELO
Tesis presentada como requisito parcial para optar por el título de Ingeniero Mecánico
Asesor de Proyecto
LUIS ERNESTO MUÑOZ
PhD, MSc, Ingeniero Mecánico
Jurado de Proyecto
CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ
PhD, MSc, Ingeniero Mecánico
A cada una de esas personas importantes que motivan y apoyan mi día a día.
A quienes permitieron y apoyaron mi estudio en Uniandes. A las personas y circunstancias que hicieron decidirme por la Ingeniería Mecánica
AGRADECIMIENTOS
A mi profesor asesor Luis Muñoz, por su importante guía durante el desarrollo de este proyecto, por su valioso apoyo en lo académico y personal, por la confianza depositada y su disposición a
escuchar con tanta calidez.
TABLA DE CONTENIDO
1. TREN DE POTENCIA EN VEHÍCULO HÍBRIDO TODOTERRENO ... 9
1.1 Introducción ... 9 1.2 Motivación ... 10 1.3 Objetivo General ... 10 1.4 Objetivos Específicos ... 10 2. VEHÍCULOS HÍBRIDOS ... 11 2.1 Descripción general ... 11 2.2 Historia ... 11
2.2.1 Evolución de las baterías ... 12
2.3 Ventajas y desventajas ... 14
2.4 Configuración Serie y Paralelo ... 14
3. CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO Y SELECCIÓN DE MOTOR ELÉCTRICO ... 18
3.1 Descripción general del vehículo ... 18
3.2 Simulación de potencia mínima requerida ... 19
3.3 Motores evaluados ... 21
3.4 Metodología de selección ... 22
3.5 Desempeño objetivo del vehículo ... 26
3.6 Determinación de relaciones de reducción finales ... 27
3.7 Simulación de desempeño ... 29
4. DISEÑO DE REDUCCIONES ... 34
4.1 Tipo y número de reducciones ... 34
4.2 Configuración del tren de potencia ... 35
5. REDUCCIÓN DE CAMBIO DE MARCHA ... 36
5.1 Tren planetario o epicíclico: fundamentos y cinemática ... 36
5.2 Tren planetario para cambio de marcha ... 39
6. REDUCCIÓN EN RUEDA ... 41
6.1 Reducción en rueda simple ... 41
6.1.2 Resultados de la evaluación de reducción simple ... 46
6.2 Reducción simple de cuatro engranajes ... 50
6.3 Reducción en rueda con tren planetario ... 51
6.3.1 Restricciones de ensamble en un tren planetario ... 51
6.3.2 Análisis estructural en un tren planetario ... 54
7. CONCLUSIONES ... 64
7.1 Simulaciones de potencia requerida ... 64
7.2 Selección de motores ... 64
7.3 Desempeño del vehículo ... 64
7.4 Configuración del tren de potencia ... 65
7.5 Reducción de cambio de marcha ... 65
7.6 Reducción en rueda ... 65
8. TRABAJO A SEGUIR Y RECOMENDACIONES ... 66
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Esquemas de configuraciones posibles del tren de potencia. ... 15
Figura 2.2. Configuración en paralelo de un HEV ... 15
Figura 2.3. Configuración en serie de un HEV ... 16
Figura 2.4. Flujos de energía en diferentes operaciones de HEV en serie ... 17
Figura 3.1. Potencia mínima requerida sobre cada una de las ruedas del vehículo. Pendiente 0%. ... 21
Figura 3.2. Comparación factor potencia vs primer indicador de factor torque ... 23
Figura 3.3. Comparación factor potencia vs segundo indicador de factor torque ... 24
Figura 3.4. Eficiencia de motores respecto a velocidad de vehículo... 25
Figura 3.5. Motor seleccionado: HiTor® de UQM Technologies ... 26
Figura 3.6. Desempeño vehículo sin bajo. GVW, pendiente 0%, arranque desde el reposo. ... 30
Figura 3.7. Desempeño vehículo sin bajo. GVW. Velocidad a diferentes pendientes... 31
Figura 3.8. Fuerza de tracción respecto a velocidad de vehículo a diferentes pendientes. GVW, sin bajo. ... 32
Figura 3.9. Fuerza de tracción respecto a velocidad de vehículo a diferentes pendiente. GVW, sin bajo. ... 33
Figura 3.10. Desempeño vehículo con bajo. GVW. Velocidad y aceleración respecto al tiempo ... 33
Figura 5.1. Esquema de tren planetario simple ... 37
Figura 6.1. Comparativo entre dientes helicoidales y rectos. Carga y ancho de cara iguales. ... 45
Figura 6.2. Configuración de tren de potencia con reducción en rueda simple ... 46
Figura 6.3. Reducción en rueda simple ... 47
Figura 6.4. Opciones calculadas con valores y rangos de la Tabla 6.3 ... 48
Figura 6.5. No dominados y dominados.……… ... 49
Figura 6.6. Curva de Pareto.……… ... 49
Figura 6.7. Superficie de Pareto. ... 49
Figura 6.8. Vista superior de la superficie de Pareto. ... 50
Figura 6.9. Reducción en rueda de cuatro engranajes ... 50
Figura 6.10. Factor de corrección ... 52
Figura 6.11. Radio Root fillet mínimo de acuerdo al ángulo de presión, número de dientes y addendum ... 54
Figura 6.12. Factor para todos los esfuerzos. Factores de seguridad = = 1. ... 59
Figura 6.13. Factor mínimo. Factores de seguridad de la Tabla 6.5. 𝑠=180 ... 60
Figura 6.14. Factor mínimo. Factores de seguridad de la Tabla 6.5. ... 61
Figura 6.15. Curvas de nivel de la superficie máxima de ... 62
Figura 6.16. Diámetro de corona en función del ancho de cara para ... 62
Figura 6.17. Boceto de tren planetario para reducción en rueda ... 63
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Desempeño de baterías ... 13
Tabla 3.1. Parámetros base para diseño de tren de potencia ... 18
Tabla 3.2. Posibles motores para el vehículo. Especificaciones básicas ... 22
Tabla 3.3. Índice de masa de motores ... 24
Tabla 3.4. Resultado final de índices de desempeño de motores ... 25
Tabla 3.5. Relaciones de reducción finales ... 29
Tabla 3.6. Desempeño en aceleración del VED respecto a la descripción del proyecto JLTV ... 31
Tabla 3.7. Desempeño en pendiente del VED respecto a la descripción del proyecto JLTV ... 31
Tabla 5.1. Resumen del comportamiento de un tren planetario con dos grados de libertad ... 38
Tabla 5.2. Resumen del comportamiento de un tren planetario con un grado de libertad ... 39
Tabla 6.1. Factores usados en cálculos bajo norma AGMA ... 44
Tabla 6.2. Otros factores para cálculos bajo estándar AGMA ... 47
Tabla 6.3. Valores y rangos para cálculos bajo estándar AGMA ... 47
Tabla 6.4. Parámetros para cálculos de tren planetario ... 58
1. TREN DE POTENCIA EN VEHÍCULO HÍBRIDO TODOTERRENO
1.1 Introducción
En los últimos años grandes fabricantes automotrices se han esforzado por diseñar y producir vehículos híbridos con diferentes características. La mayor ventaja que se destaca en este tipo de automóviles es que hacen parte de la solución a la problemática de emisión de gases y contaminación mundial. Sin embargo un híbrido va más allá, en realidad la mayor ventaja resulta ser una considerable mejora en el desempeño respecto a los vehículos con motor de combustión interna. Los híbridos ofrecen una mayor eficiencia energética al usar motores eléctricos como parte o totalidad de su propulsión, además de un desempeño en aceleración y tracción comparable con vehículos tradicionales del mismo tamaño. Derivado de esa mejora en eficiencia, la emisión de gases se reduce parcialmente por un mejor uso del motor de combustión interna y la mayor eficiencia de conversión de energía de uno o varios motores eléctricos.
Un vehículo todoterreno tiene una operación exigente, el hecho de transitar por lugares donde no hay vías o las hay en mal estado hace necesario tener un diseño especial de distintos componentes. Uno de los puntos importantes es la disponibilidad de tracción, se requiere transitar superficies difíciles, posiblemente inclinadas, llevando peso adicional como carga. Un vehículo todoterreno generalmente es grande y masivo, requiere una línea de potencia acorde al peso y necesidad de fuerza de tracción. Ésta característica de la línea de potencia de un vehículo todoterreno sugiere la necesidad de diseñar detalladamente el tren motriz en un híbrido con dicho fin. Dado que la fuerza de tracción proviene de uno o varios motores eléctricos (eventualmente también del motor de combustión interna), es necesario realizar una configuración especial y definir la posición de los componentes y la forma de interconectarlos.
El diseño del tren de potencia requiere inicialmente evaluar el funcionamiento del vehículo con sus respectivas características (dimensiones, peso, ruedas) bajo el desempeño del motor seleccionado, este estudio energético permite definir las características generales. Por tratarse de un vehículo híbrido es necesario evaluar la configuración del tren, es decir, la posición adecuada de los componentes. No es igual un tren de potencia tradicional al requerido por un híbrido. Después de definir la configuración es necesario entrar en el detalle de las reducciones necesarias para cierto desempeño deseado.
Este trabajo busca realizar un diseño inicial del tren de potencia de un vehículo híbrido en serie de tipo todoterreno. Con base en simulaciones se busca hacer la selección de los motores eléctricos requeridos y definir los parámetros generales del tren de potencia. Por último se quiere establecer una configuración adecuada y analizar dos reducciones que resultan críticas.
1.2 Motivación
En muchas ocasiones los vehículos eléctricos son vistos como un tipo de automóvil pequeño, de baja velocidad, con poca capacidad de aceleración y para muy cortas distancias. En realidad un vehículo eléctrico está en capacidad de superar a los vehículos de combustibles fósiles en todas excepto una característica. La autonomía proporcionada por las baterías no es comparable con la de la gasolina o diesel, por esta razón surge la idea de un vehículo híbrido que use ambas tecnologías y aproveche cada una de sus ventajas.
Lograr una reducción del peso en vacío del vehículo, un desempeño en tracción y aceleración deseable y una parcial reducción de emisiones motiva el desarrollo del tren de potencia como parte del diseño completo de un vehículo híbrido, de tipo todoterreno. Por otra parte, la actual investigación y desarrollo de híbridos de gran tamaño y altas prestaciones en algunos países dan base para el desarrollo de este trabajo como una investigación actual en el desarrollo de vehículos de tecnología híbrida.
1.3 Objetivo General
Este trabajo busca hacer un primer diseño del tren de potencia para un vehículo híbrido todoterreno de configuración en serie, con un motor eléctrico por rueda. Con base en el estudio de potencia requerida para cumplir especificaciones de desempeño se seleccionan motores, la configuración adecuada y las relaciones de reducción requeridas. El estudio se centra en el tren de potencia comprendido entre los motores eléctricos y las ruedas sin tener en cuenta la generación de energía ni su almacenamiento.
1.4 Objetivos Específicos
Determinar bajo simulaciones la potencia mínima requerida por un vehículo de características establecidas para un desempeño dado.
Seleccionar motores eléctricos y verificar su funcionamiento en el vehículo establecido bajo simulaciones.
Determinar la configuración adecuada del tren de potencia, el número de reducciones necesarias y sus características generales.
Determinar el funcionamiento de marcha baja para el vehículo. Realizar un primer diseño de la reducción final considerada crítica.
2. VEHÍCULOS HÍBRIDOS
2.1 Descripción general
Un vehículo híbrido es aquel que usa más de una fuente de energía para operar. En sentido más estricto, un híbrido tiene más de una combinación ‘fuente-convertidor’ de energía. En ocasiones a cada tipo de combinación se le denomina tren de potencia. El ejemplo más claro es la combinación ‘gasolina-motor de combustión interna’ y ‘baterías-motor(es) eléctricos’. Este es conocido como Vehículo Eléctrico Híbrido (HEV, por sus siglas en inglés). Lo importante de estos vehículos es que pueden distribuir y/o entregar la potencia desde sus convertidores de energía de distintas maneras. En el caso de un HEV, por ejemplo, la tracción podría ser entregada desde ambos trenes de potencia. Otra opción es que solo uno entregue tracción mientras el otro es quien alimenta al primero. También el tren de potencia eléctrico puede recibir potencia desde las ruedas durante el frenado regenerativo. Esta versatilidad en el flujo de energía permite usar de manera más flexible el tren motriz mientras ambos sistemas operan en el rango de mayor eficiencia. Actualmente hay dos grandes arquitecturas de HEV conocidas como configuración en serie y configuración en paralelo. El hecho de que se alterne la entrega de potencia a las ruedas entre diferentes sistemas añade la necesidad de tener un control, esto para lograr que todo el conjunto de transmisión funcione de manera adecuada y se tenga un verdadero provecho de la combinación híbrida. Estos sistemas de control no han sido un impedimento tecnológico en el avance de los HEV, el más grande problema ha sido la barrera en la autonomía que impone la baja capacidad de carga de las baterías. Sin embargo, la mejora continua en la capacidad de carga y el número de recargas útiles durante las últimas tres décadas ha hecho posible el desarrollo reciente de los HEV. El sistema de control, las baterías, los motores eléctricos, los sistemas de refrigeración, entre otros, son componentes que actualmente añaden un valor elevado al costo de los HEV, sin embargo, las ventajas de este tipo de vehículos comienzan a primar ahora que el desarrollo tecnológico de las baterías ha alcanzado un nivel de desarrollo adecuado.
2.2 Historia
Contrario a lo que se cree, los vehículos eléctricos (EV, por sus siglas en inglés) no son un invento de dos décadas atrás. El primer EV se inventó hace más de 130 años, antes que el primer automóvil con motor de combustión interna. Durante principios del siglo XX los EV competían en el mercado con los vehículos de Motor de Combustión Interna (ICE, por sus siglas en inglés), no fue sino hasta mediados de la década de 1920 que los EV fueron desapareciendo debido a su limitada autonomía. Sólo hasta la década de 1960 y 1970, cuando se genera una crisis de petróleo y se
manifiesta preocupación por el medio ambiente, se retomó el interés de EV. Sin embargo tan solo se desarrollaron dos buenos proyectos, uno de ellos el vehículo de exploración para la misión Apollo que no requería mayor autonomía. A comienzos de la década de 1990 nuevamente se retomó el interés por los EV e incluso algunos gobiernos contribuyeron con las investigaciones, General Motors fabricó el EV1 y Peugeot el 106 Electric. A pesar de que estos vehículos significaron un gran avance en el campo de los EV, los fabricantes de automóviles entendieron que era imposible superar la autonomía de la gasolina con la tecnología de baterías de la época. Los HEV tampoco son producto del desarrollo de los últimos años. El primero se construyó en 1899, se conoció como Pieper Vehicle y fue fabricado por una compañía belga y otra francesa. Se trató de un HEV con configuración en paralelo, tenía un motor de gasolina asistido por un motor eléctrico que se conectaba a baterías de plomo-ácido. Un segundo vehículo construido por Vendovelli and Priestly fue fabricado en el mismo año, era triciclo de configuración en serie. Poseía un motor eléctrico en cada rueda trasera y un motor de gasolina de ¾ hp conectado a un generador eléctrico. Tenía baterías que eran recargadas por el generador y su concepto base era que sólo los motores eléctricos daban tracción mientras el motor de gasolina entregaba potencia al generador. Para mediados de la década de 1920 los ICE mejoraron en tamaño y eficiencia y la asistencia de motores eléctricos se hizo innecesaria, sumados los inconvenientes con el control de estos, al igual que los EV, los HEV desaparecieron rápidamente. Sólo hasta la década de 1960 y 1970 se retomaron investigaciones sin obtener resultados positivos. A la par con los EV, durante la década de 1990 se retomaron las investigaciones. Solo hasta la década actual resurgió un interés importante en sacar provecho de la autonomía de la gasolina y el desempeño de los motores eléctricos. Realizar HEV combinando ambas tecnologías para producir un vehículo superior se convirtió en la apuesta hacia el futuro, usando ICE y motores eléctricos más pequeños se mejoraría la eficiencia y se necesitarían menos baterías. Los HEV se convirtieron en la transición necesaria entre los vehículos con ICE y los EV mientras se da el avance tecnológico necesario para mejorar la energía que pueden almacenar las baterías.
2.2.1 Evolución de las baterías
Vale la pena centrar el estudio del desarrollo tecnológico de baterías en la aplicación a vehículos eléctricos (EV) e híbridos (HEV). Las baterías siempre han sido limitantes en cuanto a autonomía y peso para estos vehículos, actualmente su desarrollo constituye la mayor demanda de investigación tecnológica en el campo de baterías. En la última década se han desarrollado nuevas tecnologías y materiales, se ha mejorado enormemente la capacidad de almacenamiento portátil. Las baterías Li-ion superan considerablemente a las baterías de plomo-ácido que aún mantienen un desempeño comparable con las de un siglo atrás. Sin embargo, a pesar del desarrollo, las baterías siguen siendo limitantes. Es necesario hacer mejoras y descubrir nuevas tecnologías de
baterías para poder masificar este tipo de vehículos. Cualquier EV o HEV requiere baterías para alimentar los motores de tracción y almacenar la energía proveniente del frenado regenerativo. Su desempeño se describe generalmente por su energía específica y potencia específica (refiriéndose “específico” como “por unidad de masa”). El desempeño es limitante, los grandes problemas son su gran peso, su baja potencia, su limitada autonomía y sus cuidados en cuanto a ciclos de carga y descarga. Existen otros problemas como el efecto memoria, de seguridad, su limitada vida útil y sus altos costos.
Las baterías de plomo-ácido datan de 1859 y son una tecnología madura. Son las de más bajo costo y su desempeño no es bueno. A pesar de esto actualmente se realizan investigaciones que buscan insertar espuma de grafito para disminuir su peso y mejorar el problema de efecto memoria. Se usaron en los primeros EV y HEV. Las baterías Ni-MH son un balance adecuado en cuanto a costos y desempeño. Su comercialización inició a principios de la década de 1990. Este tipo de baterías no brindan suficiente autonomía y tienen problemas de seguridad. Su efecto memoria es reducido, actualmente se busca refrigerarlas para mejorar su desempeño. Fueron usadas en las primeras versiones del Prius de Toyota e Insight de Honda. Las baterías de Li-ion son la apuesta actual, presentan alta potencia y energía específica aunque con altos costos, no tienen efecto memoria. La investigación en estas baterías se inició desde 1970, varios inconvenientes tecnológicos hicieron que fuera comercial solo hasta mediados de la década de 1990. Actualmente hay problemas de seguridad y vida reducida (respecto a Ni-MH). Existen tres variantes de baterías de Li-ion, en la primera y más común, el electrolito es un gel o líquido. En la segunda el electrolito es un polímero que ofrece mayor desempeño y seguridad. La tercera variación es Li-air, usa el aire abundante del ambiente como electrodo. Esta tercera variación de Li-ion entra en una nueva tecnología de baterías Metal-Air la cuál usa diferentes metales (Aluminio, Magnesio, Zinc) como electrodos. Éstas últimas aún están en fase de experimentación y no se implementan en vehículos comerciales. La Tabla 2.1 muestra la evolución de las baterías, como se ha mejorado la energía y potencia específica así como los ciclos de vida útil. El desempeño de estas baterías se compara con el de la gasolina.
Tecnología Energía Específica (Wh/kg)
Eficiencia (%) Ciclos de vida Costo (US$/kWh)
Plomo-ácido 35-50 80 500-1000 120-150 Ni-Cd 50-60 75 800 250-350 Ni-MH 70-95 70 750-1200 200-350 Li-ion (alcalina) 150-200 - 1000 360 Li-ion (polímero) 130-200 - 1000 N/A Li-FeS 100-130 80 1000 110 Al-air 200-300 50 N/A N/A Gasolina 12500 N/A N/A -
2.3 Ventajas y desventajas
Son muchas las ventajas que aportan los vehículos híbridos, infortunadamente también existen algunas desventajas asociadas que hacen difícil su diseño, producción y comercialización. A continuación se mencionan las ventajas y desventajas más generales de los vehículos híbridos en la perspectiva actual.
Ventajas
Mayor eficiencia de conversión de energía. Disminución de emisiones.
Mejor desempeño en aceleración y respuesta. Frenado regenerativo.
Disminución en tamaño de componentes como motores y tren de potencia. Facilidad de uso
Operación más silenciosa.
Asociado al frenado regenerativo, a la eventual propulsión exclusivamente eléctrica, a las paradas con motor apagado, a la operación más eficiente del ICE, entre otras, con un HEV se logra obtener un “kilometraje” mayor, la distancia recorrida puede aumentar entre 30% y 40% respecto a un vehículo convencional.
Desventajas
Altos costos (de adquisición, mantenimiento y reparación). Mayor número de componentes.
Complejidad del sistema de control. Mayor peso
Seguridad de las baterías
2.4 Configuración Serie y Paralelo
Actualmente los vehículos híbridos se clasifican según la forma cómo se conectan sus componentes en el tren de potencia, además de cómo fluye la energía a través de estos. Dependiendo de si la tracción es entregada por uno o más convertidores de energía, los HEV se clasifican en Serie o Paralelo. Derivado de ésta denominación general existen otras combinaciones recientes conocidas como HEV mixtos y HEV complejos.
La Figura 2.1 (Ehsani, Gao, & Emadi, 2010) muestra un esquema de las diferentes clasificaciones, (a) configuración en serie, (b) configuración en paralelo, (c) configuración mixta y (d) configuración compleja. A continuación se profundiza en las dos primeras haciendo énfasis en la configuración en serie por ser objetivo de este trabajo.
Figura 2.1. Esquemas de configuraciones posibles del tren de potencia.
Configuración en Paralelo
Un tren de potencia en paralelo de un HEV usa el motor de combustión interna (ICE) y un motor eléctrico para proveer potencia mecánica directamente a las llantas. El ICE es asistido por un motor eléctrico, o viceversa, cuando la demanda de potencia así lo requiere. Ambos motores generan tracción y se acoplan entre sí mediante una unión mecánica compuesta de embragues, frenos y reducciones. Una de sus ventajas frente a la configuración en serie es que no requiere un generador, esto implica menor peso/volumen y mayor eficiencia. Su desventaja resulta ser la complejidad del mecanismo de acople entre los motores. La Figura 2.2 (Ehsani, Gao, & Emadi, 2010) muestra en detalle la configuración en paralelo.
Configuración en Serie
Un tren de potencia con configuración en serie usa uno o varios motores eléctricos para generar tracción en las ruedas, mientras el ICE mueve un generador que produce la energía suficiente para cargar las baterías y/o mover directamente los motores eléctricos. Hay un flujo de energía unidireccional entre la planta (ICE y generador) y el controlador (inversor, rectificador), mientras que entre los motores de tracción y el controlador hay un flujo bidireccional (tracción y frenado regenerativo). Los HEV en serie tienen un funcionamiento igual a un EV, la diferencia es la adición de la planta (y un control más complejo) para lograr extender la autonomía que sólo con baterías resulta muy limitada. El sistema de control es complejo, debe encargarse de administrar adecuadamente los flujos de energía entre los componentes (el HEV en serie, a diferencia del paralelo, usa un acople eléctrico y no mecánico entre el ICE y los motores eléctricos) de acuerdo a los mandos del piloto (acelerador y freno), a condiciones de operación (velocidad, aceleración) y condiciones externas (terreno inclinado).
Figura 2.3 Configuración en serie de un HEV
La Figura 2.3 muestra el detalle de la configuración en serie. El tanque de combustible almacena energía que es convertida por el ICE y luego por el generador. Los motores de tracción eléctricos toman la energía de las baterías o directamente del generador. El acople eléctrico entre los dos sistemas consta de un inversor y un controlador que distribuyen los flujos de energía de manera adecuada (incluyendo el frenado regenerativo). En la mayoría de casos se incorpora un sistema para cargar las baterías conectándose a la red eléctrica. Existen siete formas de operar (Ehsani, Gao, & Emadi, 2010) un HEV en serie. Los tres primeros corresponden a la forma de tracción, los cuatro siguientes a las formas de almacenar energía en las baterías:
1. Tracción eléctrica: los motores eléctricos toman energía de las baterías mientras el ICE está apagado. Hay operación silenciosa.
2. Tracción con ICE: los motores eléctricos toman energía únicamente del generador. Hay operación de crucero.
3. Tracción híbrida: los motores eléctricos toman energía de las baterías y del generador simultáneamente. Situaciones de mayor demanda de potencia.
4. Tracción con ICE y carga de baterías: los motores eléctricos reciben energía del generador, el ICE produce más energía de la necesaria para la tracción con el fin de cargar las baterías.
5. Frenado regenerativo: los motores eléctricos funcionan como generadores y aprovechan la energía cinética del vehículo durante el frenado para cargar las baterías.
6. Carga de baterías: el vehículo no es propulsado, el ICE proporciona energía para cargar las baterías.
7. Carga de baterías híbrida: durante una frenada, los motores eléctricos funcionan como generadores y entregan energía a las baterías junto con el ICE.
La Figura 2.4 (Fuhs, 2009) muestra algunos de los flujos mencionados anteriormente: (a) tracción híbrida, (b) tracción con ICE, (c) tracción con ICE y carga de baterías, (d) frenado regenerativo.
La mayor ventaja es que el ICE no está conectado con las ruedas y no genera tracción. Esto hace posible operarlo en el rango de mayor eficiencia disminuyendo a su vez las emisiones.
Por otra parte, ya que solo los motores eléctricos proveen tracción, no es necesaria una transmisión con diferentes relaciones de reducción debido al comportamiento en torque de los motores eléctricos. Si se usan dos motores eléctricos, uno en cada rueda de un eje, se evita el diferencial mecánico. Usar cuatro motores hace posible controlar cada rueda por separado, resulta muy útil en vehículos todoterreno que operan en superficies difíciles donde la tracción es crítica.
Entre las desventajas está la menor eficiencia producto de la doble conversión de energía entre el tanque de combustible y la salida del generador. También el hecho de añadir un generador implica mayor peso (aunque se compensa con evitar el diferencial y la transmisión). De manera general, la configuración en serie resulta más costosa que la configuración en paralelo.
3. CARACTERÍSTICAS DEL VEHÍCULO Y SELECCIÓN DE MOTOR
ELÉCTRICO
3.1 Descripción general del vehículo
Este trabajo es parte del diseño total de un vehículo híbrido todoterreno. El proyecto se desarrolla bajo un top-down design en el que se especifican las características generales del vehículo objetivo, de ahí se desprenden los diferentes componentes para iniciar el diseño de detalle. La definición global nace de la revisión del estado del arte de diferentes vehículos convencionales de tipo todoterreno alrededor del mundo. Basados en las necesidades y el desempeño objetivo, un rango estudiado sirve como modelo para definir los parámetros globales con los cuales iniciar el proceso de diseño de detalle de componentes. Para el caso particular del tren de potencia se requieren parámetros geométricos como el tamaño de la rueda y el área frontal del vehículo, también se requiere el peso del vehículo y un desempeño esperado en cuanto a aceleración, fuerza de tracción y comportamiento en pendiente. En la Tabla 3.1 se listan los parámetros relevantes al diseño del tren de potencia, con base en estos se realizan simulaciones de la potencia mínima requerida encaminando la selección de motores eléctricos adecuados.
Parámetros Valor definido Masa
Peso Bruto Vehicular Peso en Vacío 5800 kg 3400 kg Área frontal 4.2 Alto 1.9 m Radio rueda 47 cm
3.2 Simulación de potencia mínima requerida
Una vez se tienen estos parámetros base es posible calcular la potencia requerida para operar a velocidad constante. Con base en modelos de dinámica longitudinal se pueden calcular las fuerzas involucradas y, de acuerdo a la velocidad del vehículo, una potencia mínima requerida.
Fuerzas involucradas en la dinámica longitudinal
Se entiende dinámica longitudinal como el análisis de las fuerzas sobre el vehículo mientras este se desplaza en dirección de su eje longitudinal, es decir, hacia adelante o hacia atrás en acción de aceleración o frenado. Para el análisis de la potencia mínima requerida por el Vehículo en Desarrollo (en adelante VED), se requiere hacer un análisis de las fuerzas mientras éste se desplaza a velocidad constante y en línea recta. Asociadas estas fuerzas a la velocidad habrá una potencia disipada que deberá estar en equilibrio con la potencia proporcionada por el tren de potencia, en el caso específico de este trabajo, por los motores que toman la energía después de su conversión y almacenamiento. Las fuerzas involucradas son la fuerza de arrastre, la fuerza de resistencia a la rodadura y la fuerza producto de la componente del peso dada una vía inclinada. En términos generales, la fuerza de arrastre (o fuerza aerodinámica) se produce por la intrusión del vehículo en el aire a velocidades medias y altas (arriba de 25 km/h aproximadamente). Por otra parte, la fuerza de resistencia a la rodadura se genera entre la vía y las ruedas, esta se opone al movimiento del vehículo como una fuerza de fricción y aparece inmediatamente las ruedas giran. Su origen es básicamente la interacción entre la rueda y el suelo que permite el movimiento del vehículo, asociado a esta interacción existen pérdidas de energía por deformación de la rueda y la carretera, por fricción en el área de contacto, por deslizamiento longitudinal y por golpes. Por último, la componente del peso es una fuerza adicional que el vehículo debe vencer en caso de estar subiendo una pendiente. El modelo siguiente es tomado de (Gillespie, 1992).
La Ecuación 3.1 representa el cálculo de la fuerza de arrastre. representa el coeficiente de arrastre asociado a la geometría del vehículo. Dado que la geometría final del VED aún no se conoce, el coeficiente debe estimarse de acuerdo a lo reportado para vehículos de dimensiones similares. 𝑠 ( ) 𝑠 ( 𝑠)
La densidad del aire se fija a 1400 metros sobre nivel del mar ( ) de acuerdo a la altura promedio estimada a la que operará el VED. El coeficiente de arrastre se fijó finalmente en 0.5, un poco por encima del coeficiente habitual para una camioneta tipo pickup (0.45).
La Ecuación 3.2 representa el cálculo de la fuerza de resistencia a la rodadura. Tanto el eje delantero como trasero pueden agruparse en un único coeficiente que multiplicado por el peso del vehículo representa la fuerza de resistencia a la rodadura.
𝑠 𝑠
𝑠 𝑠 𝑠
El coeficiente es dependiente de la velocidad, a medida que el vehículo aumenta su velocidad también lo hace la fuerza de resistencia a la rodadura. La Ecuación 3.3 muestra un estimativo del coeficiente para una vía de concreto.
( ) 𝑠
El coeficiente representa la componente de fricción base sin tener en cuenta la velocidad de la rueda. El coeficiente representa la componente adicional que depende de la velocidad. Para el VED se fija que y . Ambos coeficientes se determinan de acuerdo a (Gillespie, 1992).
Finalmente la componente del peso se calcula como en la Ecuación 3.4.
𝑠 𝑠
De la combinación de las ecuaciones 3.1, 3.2 y 3.4 se puede deducir cuál es la potencia disipada por el vehículo a cierta velocidad. La Ecuación 3.5 representa la potencia mínima requerida para mantener el VED a cierta velocidad constante.
Si se evalúan diferentes velocidades se puede obtener una curva de potencia estable para mantener el vehículo a velocidad constante. La Figura 3.1 muestra la potencia mínima requerida en plano (pendiente 0%) sobre cada una de las ruedas (por cada motor) para dicho fin.
Figura 3.1. Potencia mínima requerida sobre cada una de las ruedas del vehículo. Pendiente 0%.
De acuerdo a la gráfica anterior se puede deducir una potencia mínima para cada motor de acuerdo a una velocidad máxima de vehículo establecida. Por ejemplo, para 120 km/h la potencia mínima debe ser cercana a 16 kW. Dado que el vehículo requiere acelerar para llegar a una velocidad determinada, la potencia total requerida incluyendo la necesaria para acelerar (no incluida en la Figura 3.1) debe ser superior a los 16 kW mencionados. Con base en este resultado es posible realizar la selección del motor adecuado para cada una de las ruedas.
3.3 Motores evaluados
Después de una búsqueda de proveedores de motores eléctricos acorde a las necesidades del vehículo, cinco fabricantes ofrecen seis opciones que se listan a continuación en la Tabla 3.2. Se muestran las características más relevantes que serán los criterios de selección más importantes.
Referencia Fabricante Torque continuo (Nm)@RPM Potencia continua (kW)@RPM Masa (kg) Vel. Máx. de rotación (RPM) HiTor UQM 180@0-1000 30@1200-6500 41 6500 AFM 140 EVO Electric 220@0-4000 75@N/A 40 5000 GP300WC Calmotors 121@0-3000 75@8000 65 12 000
HVH-250-090-SOC3 Remy Inc 275@0-2500 60@2500 33.5 10 600
HSM1 6.17.12 Brusa 130@0-5000 57@4200-11000 53 11 000
ASM 8.24.10 Brusa 193@0-5000 36@2700 68 11000
Tabla 3.2. Posibles motores para el vehículo. Especificaciones básicas
Cabe destacar que cualquiera de los motores mostrados en la Tabla 3.2 cumple con los requisitos en potencia y torque continuo y trabajaría bien en el VED. Se busca encontrar los mejores motores para finalmente seleccionar de acuerdo a precio, posibilidad de contacto con el fabricante y tiempo de entrega.
3.4 Metodología de selección
Con base en las especificaciones de la Tabla 3.2 se puede aplicar una metodología de selección según el torque, la potencia y la masa de los motores. El último factor no resulta tan relevante, para el VED de peso bruto vehicular estimado de seis toneladas la masa de los motores no es un factor realmente crítico. Aún menos cuando la diferencia entre los diferentes motores es muy poca. Por el contrario, la potencia continua a máxima velocidad, el torque continuo a bajas velocidades y la velocidad máxima sí son factores críticos. Para lograr una selección adecuada se comparan estas características de acuerdo a tres indicadores que permiten encontrar los mejores puntos. El primer indicador en la Ecuación 3.6 evalúa la potencia del motor. Cómo se mostró anteriormente, la potencia mínima que se debe entregar en continuo a 120 km/h es de 16 kW. El segundo factor a evaluar es el torque del motor, surgen dos indicadores para este factor. El primero de ellos en la Ecuación 3.7 compara el torque requerido por motor (sin etapa de reducción) para subir una pendiente de 12% a aceleración moderada, contra el torque continuo entregado por el motor a bajas revoluciones (cerca de 0 RPM). El tercer indicador, segundo del factor torque (Ecuación 3.8), compara el torque requerido en pendiente de 12% con la relación final de tren de potencia ( ) adecuada para cada motor (dependiente de la velocidad máxima),
contra el torque continuo logrado también con . Finalmente el tercer indicador en la Ecuación
3.9 relaciona la masa de cuatro motores con el peso bruto vehicular del vehículo.
𝑠 𝑠 𝑠
La Figura 3.2 muestra la distribución de los seis motores comparando el indicador potencia con el primer índice del indicador torque. La Figura 3.3 muestra la comparación del indicador potencia con el segundo índice del indicador torque.
Figura 3.2. Comparación factor potencia vs primer indicador de factor torque 5 6 7 8 9 10 11 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
C
t1C
pC
t1
vs C
p
HiTor AFM 140 GP 300WC HVH250-090-SOC3 HSM1 6.17.12 ASM 8.24.10Figura 3.3. Comparación factor potencia vs segundo indicador de factor torque
Un motor será bueno en los diferentes factores si su respectivo indicador es mínimo. Algunos motores estarán en la curva de Pareto (ver detalle en la sección 6.1.2), otros estarán siendo dominados y dominantes, mientras otros solo dominados. Dependiendo del nivel en donde se encuentren se asigna un puntaje por el índice , , por la masa y por la eficiencia. La Tabla 3.3
muestra el indicador masa para cada motor y la Figura 3.4 muestra la eficiencia de acuerdo a la velocidad del vehículo (teniendo en cuenta la relación necesaria). Esta gráfica fue reconstruida
con base en la eficiencia reportada por los catálogos de los fabricantes.
Motor Puntaje HiTor 0.0272 AFM 140 0.0265 GP 300WC 0.0431 HVH 250-090-SOC3 0.0222 HSM1 6.17.12 0.0351 ASM 8.24.10 0.0451
Tabla 3.3. Índice de masa de motores
Haciendo una suma de estos resultados para cada motor se obtiene un índice general que permitirá organizarlos de manera adecuada. Por ejemplo, de la Figura 3.2 se pueden observar tres niveles, el AFM140 está en el primero, el ASM 8.24.10 está en el tercero mientras los restantes están en segundo nivel. El motor HiTor obtendrá un puntaje de 2/3, está en segundo nivel entre tres niveles. De la Figura 3.3 se pueden observar cuatro niveles, en este caso el motor HiTor está en nivel tres y se le asigna un puntaje de 2/4. De la Tabla 3.2 el HiTor se encuentra en la tercera posición, se asigna un puntaje de (se considera la mitad del puntaje para todos los motores en el indicador masa dado que es menos relevante que los demás factores). Finalmente de la Figura 3.4 se asigna un puntaje de 2/6 al HiTor, es el segundo menos eficiente entre los seis motores. La Tabla 3.4 muestra el resultado final para cada motor.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
C
t2C
pC
t2
vs C
p
HiTor AFM 140 GP 300WC HVH250-090-SOC3 HSM1 6.17.12 ASM 8.24.10Figura 3.4. Eficiencia de motores respecto a velocidad de vehículo Motor Puntaje AFM 140 2.77 GP 300WC 2.63 HVH250-090-SOC3 2.37 HSM1 6.17.12 2.33 HiTor 1.90 ASM 8.24.10 1.60
Tabla 3.4. Resultado final de índices de desempeño de motores
Cabe resaltar que los resultados de la Tabla 3.4 evalúan seis motores con características diferentes de potencia, torque y velocidad. Como se comentó anteriormente, los seis motores evaluados funcionarían adecuadamente para el vehículo en cuanto a su torque y potencia, lo que se pretende con esta metodología de selección es catalogar los motores que ofrecerían mejor desempeño en los aspectos evaluados.
La selección final de los motores dependerá no solo de los resultados anteriores, sino también de aspectos económicos y de mercado. Al momento de contactar y cotizar con los fabricantes surgen inconvenientes. De los seis fabricantes se logró contacto con tres: UQM, EVO Electric y Brusa. EVO Electric fabrica motores a encargo, sobre especificaciones (lo que sugiere altos costos) y el tiempo de entrega estimado es de seis meses. El tiempo de entrega de UQM y Brusa es de seis semanas. En cuanto a precios, UQM incluye el inversor dentro del sistema lo que reduce considerablemente el costo. Cinco motores HiTor tienen un valor normalizado de 0.65, mientras cinco motores HSM1 6.17.12 (incluyendo el inversor DMC524) tienen un valor normalizado de 1. Como se comentó anteriormente, todos los motores analizados cumplen con los requerimientos de potencia y torque continuo para el vehículo, el HiTor, por su precio, especificaciones de torque y potencia,
75 80 85 90 95 100 0 20 40 60 80 100 120 % Velocidad vehículo (km/h)
Eficiencia motor vs Velocidad vehículo
HiTor AFM 140 GP 300WC HVH250-090-SOC3 HSM1 6.17.12 ASM 8.24.10
capacidad regenerativa y robustez es el motor seleccionado para el VED. La Figura 3.5 muestra el HiTor con algunas de sus especificaciones
Figura 3.5. Motor seleccionado: HiTor® de UQM Technologies
3.5 Desempeño objetivo del vehículo
Resulta importante fijar un desempeño con el cual trabajar durante la etapa de diseño. El VED será un vehículo de alta exigencia, se espera un desempeño sobresaliente en todos sus aspectos que deberán cumplir con algunos estándares. Actualmente el ejército de los Estados Unidos tiene un proyecto conocido como Joint Light Tactical Vehicle (JLTV) que busca desarrollar vehículos tácticos mejores a los que actualmente existen en ese país. Con base en un documento de descripción del proyecto JLTV se fijan parámetros de desempeño mínimo y objetivo para el VED. A continuación se listan los objetivos relacionados al tren de potencia.
Desempeño en pendiente
El vehículo debe estar en capacidad de ascender sobre arena seca de grano grueso (1% de humedad) en pendiente de 30% (GVW).
(Mínimo) El vehículo debe estar en capacidad de ascender sobre terreno seco y duro una pendiente de 40% (GVW con remolque).
(Objetivo) El vehículo debe estar en capacidad de ascender sobre terreno seco y duro una pendiente de 60% (GVW con remolque).
Desempeño en aceleración
(Mínimo) El vehículo debe estar en capacidad de acelerar en terreno seco, duro y nivelado desde 0 hasta 48.3 km/h en 9.4 segundos.
(Objetivo) El vehículo debe estar en capacidad de acelerar en terreno seco, duro y nivelado desde 0 hasta 48.3 km/h en 7 segundos.
El vehículo debe estar en capacidad de acelerar en terreno seco, duro y nivelado desde 0 hasta 80.5 km/h en 26.1 segundos.
Desempeño en velocidad
El vehículo debe estar en capacidad de mantener una velocidad mínima de 112.7 km/h en terreno seco, duro y nivelado.
(Mínimo) El vehículo debe estar en capacidad de ascender de forma continua una pendiente de 5% a mínimo 72.4 km/h (GVW).
(Objetivo) El vehículo debe estar en capacidad de ascender de forma continua una pendiente de 5% a mínimo 96.6 km/h (GVW).
Desempeño en agua
(Mínimo) El vehículo debe estar en capacidad de superar un obstáculo de agua salada de 76.2 cm de altura, sin sufrir daños. (Sin kit de vadeo).
(Mínimo) El vehículo debe estar en capacidad de superar un obstáculo de agua salada de 152.4 cm de altura, sin sufrir daños. (Con kit de vadeo).
(Objetivo) El vehículo debe estar en capacidad de superar un obstáculo de agua salada de 152.4 cm de altura, sin sufrir daños. (Sin kit de vadeo).
El tren de potencia influirá en el desempeño en agua en la medida que los motores y reducciones puedan ser sumergidos completamente.
3.6 Determinación de relaciones de reducción finales
El modelo de dinámica longitudinal permite en segunda instancia encontrar la fuerza de tracción en la rueda con base en el torque suministrado por el motor. Esta fuerza es la encargada de vencer y superar las fuerzas resistivas que actúan sobre el vehículo. Cuando la fuerza de tracción es igual a las fuerzas resistivas, hay equilibrio y el vehículo se desplazará a velocidad constante. Para que el vehículo pueda cambiar su velocidad o iniciar la marcha necesita acelerar, la fuerza de tracción disponible debe ser superior a la suma de la fuerza de arrastre, de resistencia a la rodadura y eventualmente a la componente del peso debido a una vía inclinada. Esta fuerza puede calcularse como el torque sobre las ruedas de tracción multiplicado por el brazo donde se aplica la fuerza, es
decir, el radio de la rueda. Este cálculo es válido siempre y cuando la interacción con el piso garantice la posibilidad de tracción hasta tal valor. La Ecuación 3.10 muestra el cálculo teniendo en cuenta una relación de reducción final del tren de potencia y una eficiencia total .
Dado que el motor eléctrico proporciona un torque inferior al requerido por el vehículo, es necesario poner entre su salida y la rueda una o varias relaciones de reducción que amplifiquen el torque y disminuyan la velocidad. Esa combinación de reducciones es y representa la
multiplicación de cada etapa de reducción.
La tracción es un factor crítico para el VED. Con base en la investigación del estado del arte de vehículos todoterreno se determinó que la fuerza de tracción mínima total que se debe lograr es 79056 N. Si se tiene en cuenta el torque máximo continuo suministrado por el HiTor® (180 Nm), además del radio de la rueda establecido (0.47 m) se tiene que la relación de reducción debe
ser de 57.34. Si se realiza el cálculo cinemático de la velocidad del vehículo cuando el motor gira a velocidad angular máxima (6400 RPM) se tiene que el vehículo tendría una velocidad máxima aproximada de 20 km/h. No es permisible una velocidad máxima tan baja, de acuerdo a simulaciones realizadas (sección 3.7) se requiere usar dos reducciones, una para velocidad alta y condición de operación normal, y otra para máxima tracción a similitud de un “bajo”. Dado que el torque de los motores eléctricos tiene un comportamiento , a medida que la velocidad de rotación aumenta, el torque entregado disminuye e implica que a bajas velocidades se tiene un torque alto, mientras que a altas velocidades se tiene un torque bajo. De acuerdo al desempeño del HiTor® una sola marcha no es suficiente ya que, o se mantiene una alta velocidad de rotación para cumplir con la velocidad máxima de vehículo, o se mantiene alto el torque a bajas velocidades para cumplir con el requerimiento de tracción. Para cumplir ambos requisitos a la vez es necesario usar más de una marcha. En las simulaciones de la siguiente sección se puede verificar que dos marchas funcionan adecuadamente, además que el comportamiento en aceleración y fuerza de tracción del vehículo tiende a
El cálculo de la segunda relación de reducción se basa en la velocidad máxima del vehículo y en la velocidad angular máxima del motor. Asumiendo que no existe deslizamiento entre las ruedas y el piso, el cálculo cinemático es como se especifica en la Ecuación 3.11.
𝑠⁄
( 𝑠⁄ )
𝑠
Se fijó una velocidad máxima de 121 km/h, valor que está por encima de lo especificado en la descripción del proyecto JLTV. La relación de marcha alta resulta ser 9.37. La Tabla 3.5 resume las relaciones de reducción finales que se determinaron.
Marcha Reducción Valor
Baja R1 57.34:1
Alta R2 9.37:1
Tabla 3.5. Relaciones de reducción finales
3.7 Simulación de desempeño
Después de determinar las relaciones de reducción finales es posible evaluar el desempeño del vehículo usando los motores seleccionados. Retomando el modelo de dinámica longitudinal se puede predecir el comportamiento del vehículo en cuánto a velocidad y aceleración. Ésta simulación permite verificar que el desempeño del vehículo, de acuerdo a los parámetros mencionados anteriormente, si es adecuado y verifica si el motor seleccionado funciona adecuadamente.
La ecuación 3.11 permite calcular la aceleración debido a la sumatoria de fuerzas que actúan longitudinalmente, tal como la segunda ley de Newton. De esta manera, la fuerza de tracción excedente hará cambiar la velocidad del vehículo.
𝑠
( 𝑠⁄ )
Existe un término asociado a la potencia usada para acelerar los componentes rotacionales del tren de potencia. Este fenómeno se agrupa en un único término conocido como “factor masa”, representa de manera condensada la inercia del tren de potencia. El modelo detallado se puede verificar en (Gillespie, 1992). De forma estimativa, manteniendo límites razonables y procurando introducir un factor de seguridad adecuado, se estableció que el factor masa para el VED es 1.3. La
Ecuación 3.12 establece de forma completa la forma de calcular la aceleración del vehículo teniendo en cuenta este factor y las fuerzas que actúan sobre el vehículo.
𝑠
𝑠
Con base en este modelo se establece una simulación que permite evaluar la velocidad y aceleración en el tiempo con base en la integración de la Ecuación 3.12. Bajo el software MatLAB® y usando la herramienta de integración ODE45 se obtienen resultados de desempeño comparables con el desempeño objetivo del vehículo.
Figura 3.6.Desempeño vehículo sin bajo. GVW, pendiente 0%, arranque desde el reposo.
La Figura 3.6 muestra el comportamiento del vehículo en aceleración pura, con los cuatro motores entregando su torque máximo (continuo), en marcha alta (sin bajo), con peso bruto vehicular, en superficie plana (sin pendiente) y partiendo desde el reposo. La curva roja continua representa la velocidad respecto al tiempo, la curva verde discontinua representa la aceleración respecto al tiempo. Con base en esta simulación es posible estimar el tiempo que le toma al vehículo llegar a cierta velocidad partiendo del reposo. La Tabla 3.6 muestra un comparativo de los resultados de aceleración entre la simulación y los requerimientos de desempeño especificados anteriormente, el VED posee un desempeño adecuado en aceleración. Sin embargo, es deseable mejorar esta condición entre 0-48.3 km/h para acercarse más al tiempo objetivo (O) de la descripción del proyecto JLTV.
Condición de aceleración Tiempo (JLTV) Tiempo (Simulación) 0-48.3 km/h (M) 0-48.3 km/h (O) 9.4 segundos 7 segundos 9.15 segundos 0-80.5 km/h 26.1 segundos 23.3 segundos Tabla 3.6. Desempeño en aceleración del VED respecto a la descripción del proyecto JLTV
Otra de las características de desempeño es la velocidad máxima para diferentes pendientes. La Figura 3.7 muestra la velocidad del vehículo para tres condiciones de pendiente diferentes. Esta simulación se llevó a cabo con las mismas condiciones establecidas para la Figura 3.6. La Tabla 3.7
resume los resultados de simulación y los compara con los requerimientos establecidos anteriormente.
Figura 3.7. Desempeño vehículo sin bajo. GVW. Velocidad a diferentes pendientes, arranque desde el reposo La velocidad máxima del vehículo en superficie plana está por encima de la objetivo. La velocidad en pendiente 5% está entre la franja establecida, más cerca a la velocidad objetivo. Con estos resultados se comprueba que el vehículo cumple adecuadamente con el desempeño de velocidad en pendiente esperado. Cabe destacar que estos resultados son para el vehículo con Peso Bruto Vehicular.
Pendiente (%) Velocidad JLTV (km/h) Velocidad Simulación (km/h)
0 112.7 120.0
5 72.4 (M)
96.6 (O) 88.5
Tabla 3.7. Desempeño en pendiente del VED respecto a la descripción del proyecto JLTV
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 120 140 Tiempo (s) V e lo ci d a d ( km /h )
Velocidad a diferentes pendientes. Sin Bajo
Pendiente 0% Pendiente 5% Pendiente 12%
La Figura 3.8 y Figura 3.9 representan la fuerza del tracción del vehículo (línea roja y continua) respecto a las fuerzas disipativas a diferentes pendientes (líneas azules discontinuas). El cruce de la línea de tracción y de fuerzas disipativas determina la pendiente máxima que se puede ascender a velocidad constante, a máximo la velocidad en la abscisa. De la Figura 3.8 se puede observar que la máxima pendiente que se puede ascender a velocidad constante es de 22%. La máxima velocidad para esa condición es 28 km/h aproximadamente. También se puede ver que la velocidad máxima en pendiente 5% es 88 km/h, igual a la encontrada en la Figura 3.7. De la Figura 3.9 se verifica que con bajo el VED podría ascender una pendiente de 73% a 11 km/h como velocidad constante.
Por último, el desempeño en pendiente sin bajo se puede verificar en la Figura 3.8. El desempeño en pendiente con bajo se puede verificar en la Figura 3.9. Para la marcha alta la pendiente máxima que se puede ascender a velocidad constante es 22.2%. Con bajo se puede ascender una pendiente superior a 60% que es la especificada como objetivo por la descripción del proyecto JLTV. Con base en estos resultados, el desempeño en pendiente del VED es adecuado. La Figura 3.10 muestra el comportamiento del vehículo en aceleración pura para GVW y pendiente de 60%.
Figura 3.8. Fuerza de tracción respecto a velocidad de vehículo a diferentes pendientes. GVW, sin bajo.
0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 Velocidad (km/h) F u e rza (kN ) Sin bajo 0% 5% 11% 17% 22%
Figura 3.9.Fuerza de tracción respecto a velocidad de vehículo a diferentes pendiente. GVW, sin bajo.
Figura 3.10.Desempeño vehículo con bajo. GVW. Velocidad y aceleración respecto al tiempo
0 5 10 15 20 25 10 20 30 40 50 60 70 80 Velocidad (km/h) F u e rza (kN ) Con bajo 22% 45% 73% 112% 173%
4. DISEÑO DE REDUCCIONES
Después de determinar las relaciones de reducción totales y de comprobar el desempeño del vehículo con los motores seleccionados, es necesario determinar el número de reducciones, el tipo, la configuración y ubicación de acuerdo al espacio disponible y las necesidades de diseño de otros componentes.
4.1 Tipo y número de reducciones
En las transmisiones de automóviles son comunes los engranajes rectos, helicoidales, cónicos e hipoidales. Se usa cada tipo de engranaje dependiendo del tren de engranajes que se desee construir de acuerdo a la necesidad de transmisión. Los engranajes rectos generalmente son usados en trenes simples y compuestos cuando la transmisión se hace mediante ejes paralelos. Los engranajes helicoidales suelen ser usados en el mismo tipo de trenes, la transmisión puede ser de ejes paralelos y cruzados. Cuando se requieren ángulos de transmisión diferentes suelen ser usados los engranajes cónicos. En la transmisión final de vehículos con tracción trasera y motor adelante son muy usados los engranajes hipoidales, un tren hipoidal permite bajar (o subir) el eje de salida respecto al de entrada de acuerdo a la necesidad de diseño. Con engranajes rectos o helicoidales también es posible obtener un tren planetario, este tipo de reducción es muy usada en las transmisiones automáticas dada su versatilidad para cambiar su relación de reducción y por mantener sus ejes de entrada y salida axiales.
Para el diseño del tren de potencia del VED resulta necesario encontrar los tipos de trenes de engranajes a usar de acuerdo a las necesidades de transmisión entre cada motor eléctrico de tracción y cada rueda. La distancia a recorrer por cada línea de potencia es corta en relación a un tren de potencia de un vehículo tradicional. Por otra parte, y como una de las ventajas de los vehículos con motores eléctricos, no es necesaria una compleja transmisión con varias relaciones de reducción. Estos dos requerimientos hacen posible usar trenes de engranajes con ángulos de transmisión usuales, con ejes paralelos o axiales. Además, uno de los requisitos del diseño del tren de potencia es lograr que su manufactura sea común y de mínimo costo. Basándose en lo anterior es razonable pensar en tipos de engranajes rectos y helicoidales. De ser así, se definiría que los tipos de trenes de engranajes a usar son simples o compuestos. Sin embargo, dado que el VED tiene dos marchas es necesario hacer una reducción que cambie su relación de reducción, resulta más versátil usar un tren planetario que un tren compuesto para este fin. De acuerdo con lo mencionado, el diseño del tren de potencia del VED debe hacerse con al menos un tren planetario, más el número de reducciones restantes necesarias con trenes simples y/o compuestos.
El número de reducciones estará determinado por el tipo de trenes que se usen, además de la configuración y el espacio disponible. Teniendo en cuenta que la máxima relación es 57.34:1, el proceso de diseño se inicia con cuatro reducciones, esto corresponde a un relación promedio de 2.75:1 para cada una de ellas. En secciones posteriores se redefinirá el número de reducciones y el diseño final será de tres.
Este proyecto se concentra en dos de las reducciones críticas, la reducción de cambio de marcha y la reducción final. De la primera se definirá el posible funcionamiento del tren planetario en cuanto a su cinemática, de la segunda, considerada la más crítica en cuanto recibe un elevado torque, se hará un diseño que incluye el análisis estructural.
4.2 Configuración del tren de potencia
Los motores eléctricos deben estar en el chasis, es necesario tener una línea de potencia que transmita el movimiento desde cada motor hacia cada rueda. La configuración de la línea está enfocada en lograr una buena transmisibilidad y restringida al espacio disponible en el chasis. El tren de potencia, en líneas generales, debe estar compuesto del número de reducciones a determinar, una de esas reducciones como transmisión para las dos marchas establecidas anteriormente, y de un tipo de freno mecánico tradicional. Adicional a estos componentes, ejes, semiejes, entre otros, necesarios para permitir la transmisión de potencia.
Resulta interesante no ubicar el freno mecánico en la rueda como se hace tradicionalmente, éste podría ser ubicado justo después del motor eléctrico y antes del conjunto de reducciones con el fin de minimizar el torque necesario por el sistema de frenado para detener el vehículo. Hacer esto también permite tener mayor espacio disponible en el cubo, lugar donde se une el eje de transmisión final con la rueda.
Inicialmente se determinan estas primeras especificaciones para la configuración del tren de potencia. Posteriormente se retomará este tema de acuerdo al número de reducciones que se determinan según la opción de combinación de trenes de engranajes que se plantee.
5. REDUCCIÓN DE CAMBIO DE MARCHA
Por lo general en un vehículo que usa motores eléctricos para su movimiento no hace falta una transmisión con diferentes relaciones a modo de cambios. Dado el rango de velocidad y la curva de torque de un motor eléctrico, no hace falta más que una única relación de reducción fija. Sin embargo, vehículos con ciertas características especiales requieren algún tipo de cambio de marcha, el VED necesita una primera relación nominal que permita desarrollar su velocidad máxima, y otra que permita entregar suficiente torque a la rueda para incrementar su tracción en condiciones de superficies irregulares y difíciles. El funcionamiento de este cambio de marcha se asemeja al uso de un bajo, el cambio de relación no se hace en movimiento sino detenido y de manera controlada.
Usar un tren planetario para la reducción de cambio de marcha trae ciertas ventajas frente a un tren compuesto. A pesar de ser complejo de analizar, diseñar y manufacturar ofrece gran versatilidad para hacer el cambio de relación necesario. Un tren planetario, a diferencia de un tren simple o compuesto, es un mecanismo de dos grados de libertad (GDL). De ahí que se afirme que las relaciones de reducción de un tren planetario son más versátiles. A continuación se resumen los fundamentos y se realiza un análisis de la cinemática de los trenes planetarios.
5.1 Tren planetario o epicíclico: fundamentos y cinemática
Los trenes planetarios, también conocidos como trenes epicíclicos, constan de un engranaje solar, unos engranajes planeta (también conocidos como satélites), un brazo de acople y un engranaje corona. La Figura 5.1 muestra un esquema donde se aprecian estos cuatro componentes. Los planetas orbitan alrededor del sol mientras el brazo los une, los tres planetas giran sobre sus ejes alrededor de la corona y, el brazo, sol y corona giran sobre el mismo centro: el centro axial del tren.
El hecho de tener dos GDL hace que sea necesario tener dos entradas para producir una única salida conocida. Esa es la versatilidad del tren planetario, tres de los elementos pueden ser entradas o salidas: el sol, la corona y el brazo. Dependiendo de la combinación se pueden obtener diferentes relaciones de reducción o amplificación, con o sin inversión de giro.
Figura 5.1. Esquema de tren planetario simple
El movimiento de un tren planetario resulta poco intuitivo, es difícil imaginar lo que hará cada uno de los elementos de acuerdo a las entradas. Existen dos métodos conocidos para analizar las velocidades en el tren, el método tabular y el método de la fórmula. El método tabular consiste básicamente en crear una tabla que represente las velocidades propias de los elementos y las velocidades relativas entre ellos. De esta manera es posible determinar el comportamiento completo del tren. El método de la fórmula no tabula la solución, resuelve el tren con ecuaciones de velocidad relativa para el primer y último engranaje de acuerdo a la combinación de entradas y salidas que se esté usando. La Ecuación 5.1 es una adaptación del método de la fórmula que ayuda a resolver un tren planetario de manera sencilla conociendo su geometría.
𝑠
El valor fundamental de un tren planetario se define como la relación cuando el brazo se detiene, es decir, cuando una de las entradas es nula y la entrada y salida son el sol y la corona respectivamente. Remplazando en la Ecuación 5.1 se obtiene
De acuerdo a la relación de velocidad en un tren de engranajes, el valor fundamental del tren resulta ser la relación entre el número de dientes de la corona y el número de dientes del sol.
𝑠 𝑠
𝑠
La Tabla 5.1 muestra un resumen de las diferentes combinaciones posibles para un tren planetario de dos GDL. La columna Ecuación de salida determina la velocidad angular del elemento de salida con base en la velocidad de los dos elementos restantes y del valor fundamental b.
Con un tren planetario, aparte de contar con diferentes opciones de reducción, es posible obtener relaciones de reducción de velocidad muy altas. Con un tren planetario simple es posible obtener relaciones incluso de 50:1, con un tren planetario compuesto se pueden obtener relaciones de hasta 100:1 con una configuración conocida como la paradoja de Ferguson.
En ciertas ocasiones resulta útil dejar una entrada nula, es decir, uno de los tres elementos detenido. En este caso se dice que el tren planetario pasa a ser de 1 GDL y la salida depende directamente de la entrada restante. La Tabla 5.2 muestra un resumen de las combinaciones posibles para un tren planetario de 1 GDL. La primera columna indica el elemento por el cual se hace la entrada; la segunda columna el elemento que se detiene; la tercera columna la ecuación que determina la velocidad angular del elemento de salida; la cuarta columna el valor de relación de reducción; la quinta columna determina si el sentido de giro de la entrada se invierte; y la sexta columna determina si la velocidad de salida se aumenta o se disminuye (reducción o aumento de torque). La segunda, tercera, quinta y sexta filas son los casos en los cuales la reducción o aumento de velocidad son el mayor o menor caso.
Entrada 1 Entrada 2 Salida Ecuación de salida
Sol Brazo Corona
Sol Corona Brazo
Brazo Sol Corona
Brazo Corona Sol
Corona Sol Brazo
Corona Brazo Sol
Entrada Fijo Salida Ecuación de salida Relación Inversión Velocidad
Sol Brazo Corona Si Reducida
Sol Corona Brazo
No Reducida (Mayor)
Brazo Sol Corona
No Incrementada (Mayor)
Brazo Corona Sol
No Incrementada
Corona Sol Brazo
No Reducida (Menor)
Corona Brazo Sol Si Incrementada (Menor)
Tabla 5.2.Resumen del comportamiento de un tren planetario con un grado de libertad
5.2 Tren planetario para cambio de marcha
El VED requiere de dos relaciones de reducción en su tren de potencia, una marcha alta para lograr su máxima velocidad, y una marcha baja para contar con suficiente fuerza de tracción. Las relaciones fijadas en la sección 3.6 son 57.34:1 y 9.37:1. Si el tren planetario para cambio de marcha es la única reducción que cambia su relación mientras las demás están fijas, es posible encontrar una combinación de entradas y salida para lograr las dos relaciones totales.
Para lograr un tren planetario de 2 GDL hace falta tener dos entradas no nulas. En el caso del VED sólo se tiene la entrada del motor, haría falta una pre-reducción que incrementaría costos, peso y volumen en el tren de potencia. Por esta razón resulta sensato pensar en un tren de 1 GDL, es decir, haciendo nula una de las entradas al detener alguno de los elementos del tren. Teniendo en cuenta la gran diferencia entre la relación de marcha alta y marcha baja es natural pensar en usar las combinaciones de reducción mayor y menor de la Tabla 5.2. De igual manera, alguna otra combinación resulta imposible al evaluarla. Resolviendo para la Ecuación 5.4 y Ecuación 5.5 se puede encontrar el valor necesario de la reducción fija, y el valor fundamental del tren.
𝑠 𝑠 𝑠
