Jeśli ciekawi Cię, jak wygląda proces projektowania nowoczesnych rozwiązań technicznych w świecie wyścigów, zapraszam do przeczytania krótkiego case study o tworzeniu przekładni planetarnej dla bolidu Formuły Student. Dowiesz się, jak połączyliśmy kompaktowość, lekkość i wydajność w jednym układzie napędowym, by sprostać wymaganiom zawodów.
1. Podstawowe założenia projektu
Do napędu bolidu wybrano cztery silniki AMK motion DD5-14-10-POW-188600, po jednym na każde z kół. Silniki te, jako synchroniczne z magnesami trwałymi, oferowały następujące parametry:
Maksymalna prędkość obrotowa: 20,000 obr/min,
Maksymalny moment obrotowy: 21 Nm przy 11,000 obr/min,
Maksymalna moc: 24 kW.
Indywidualne sterowanie silnikami umożliwiło zastosowanie zaawansowanych funkcji takich jak Torque Vectoring, co zwiększało możliwości dynamiczne bolidu. Bolid PMX mający premierę w 2024 jest pierwszym bolidem zespołu PUT Motorsport (i pierwszym w Polsce) o takim napędzie. Oprócz szeregu zalet jakie on daje, stawił też nowe problemy przed Zespołem – takie jak konstrukcja zupełnie nowej przekładni.
Jednym z głównych założeń było zintegrowanie przekładni w złożeniu koła. Ograniczenia przestrzenne nakładały na projekt maksymalną średnicę przekładni wynoszącą 120 mm oraz maksymalną grubość 40 mm, co musiało uwzględniać również inne elementy, takie jak zwrotnica i układ hamulcowy.
Do dobrania kluczowego parametru przekładni jakim jest przełożenie, wykorzystany został program symulacyjny umożliwiający wyznaczanie czasu okrążenia zamodelowanego pojazdu. Pod uwagę wzięto wszystkie znaczące parametry projektowanego bolidu oraz charakterystyki torów typowych dla zawodów Formula Student
Z uwagi na wysokie wymagania dotyczące przełożenia oraz kompaktowych rozmiarów, zdecydowano się na wykorzystanie przekładni planetarnej. Rozważono trzy warianty konstrukcji:
Jednostopniowa przekładnia planetarna: Pomimo prostoty, została odrzucona ze względu na ograniczone przełożenie wynoszące maksymalnie 11:1 (ograniczenie wymagające ze średnicy maksymalnej przekładni).
Dwustopniowa przekładnia planetarna: Umożliwiłaby uzyskanie większego przełożenia, ale kosztem zwiększonej masy i grubości przekładni.
Przekładnia 1,5-stopniowa: Hybrydowe rozwiązanie, które pozwala na uzyskanie większego przełożenia przy zachowaniu niewielkich rozmiarów, jednak wymagało zastosowania bardziej skomplikowanego układu kół zębatych o różnych wielkościach.
Ostatecznie wybrano przekładnię 1,5-stopniową, która łączyła kompaktowość z możliwością osiągnięcia optymalnego przełożenia.
W celu obliczenia ostatecznego przełożenia zastosowano metodę analityczną Willysa, pozwalającą na wyznaczenie przełożenia bazowego pomiędzy kołem słonecznym a obiegowym. Dzięki temu możliwe było precyzyjne dopasowanie przełożenia do wymagań bolidu. Ostateczne przełożenie różni się od przełożenia założonego na podstawie symulacji (14,1) o zaledwie 1%.
Aby zmieścić się w narzuconych wymiarach, zastosowano następujące parametry dla kół zębatych:
Moduł: 1 mm,
Grubość wieńców: 15 mm.
Zastosowano współczynniki korekcji uzębienia, aby uniknąć podcinania zębów oraz zwiększyć wytrzymałość mechaniczną. Dodatkowe obliczenia naprężeń i sił działających na zęby kół zębatych przeprowadzono według normy PN-EN ISO 6336, co zapewniło wytrzymałość i trwałość przekładni.
4. Prototypowanie
Aby zweryfikować zaprojektowane rozwiązanie, wykorzystano druk 3D do stworzenia prototypu przekładni. Dzięki posiadaniu fizycznych, wydrukowanych elementów złożenia udało się zwalidować możliwość sprawnego złożenie i montażu przekładni i stworzyć dokładną instrukcję procesu.
Zastosowano stal 30H2M2N (1.6580) hartowaną i azotowaną, co pozwoliło na osiągnięcie odpowiedniej wytrzymałości na ścieranie oraz naprężenia. Obróbka cieplna pozwoliła uzyskać granicę plastyczności na poziomie 1050 MPa, co było kluczowe ze względu na intensywne warunki pracy przekładni.
Wałki, na których osadzono koła planetarne, wykonano z hartowanej stali 40HM, co zapewniało im odpowiednią trwałość przy zachowaniu niskiej masy.
Ze względu na duże prędkości liniowe (ok. 16 m/s) oraz wysokie obciążenia powierzchniowe, wybrano olej Motul Gear Competition 75W-140, który zapewniał optymalną ochronę przed ścieraniem w warunkach wysokich temperatur.
Przekładnia planetarna 1,5-stopniowa zastosowana w bolidzie Formuły Student spełniła wszystkie założone cele projektowe, łącząc kompaktowe rozmiary, niską masę oraz wysoką efektywność przenoszenia momentu obrotowego. Dzięki odpowiedniemu doborowi materiałów oraz geometrii kół zębatych, układ zapewniał niezawodność i wytrzymałość niezbędną w wyścigowych warunkach.
Biorąc udział w zawodach Formula Student Poland, bolid PMX wziął udział we wszystkich konkurencjach dynamicznych, osiągając zwycięstwo w konkurencji Skidpad, polegającej na jak najszybszym przejeździe bolidu po torze w kształcie ósemki. Bolid ukończył wszystkie dyscypliny, w tym wyścig Endurance, składający się z 22 okrążeń po torze bez przerw.
