Мотор-колеса — будущее машиностроения

В этой статье я расскажу об устройстве и преимуществах использования мотор-колес в транспортном машиностроении, и о том, какую модель данного агрегата я использовал в своей работе. А также расскажу о типах конструкций и особенностях в их применении. 

Электромотор-колесо является исполнительным механизмом системы тягового электропривода пневмоколесной транспортной машины. Мотор-колесо осуществляет преобразование электрической энергии, вырабатываемой двигатель-генератором, в механическую энергию, реализуемую при движении машины.

Lohner-Porsche (1900) — первый в мире гибридный автомобиль. В конструкции машины применены мотор-колёса

Мотор-колесо представляет собой агрегат, в котором конструктивно объединены все элементы исполнительного механизма:

- Электродвигатель;

- Механическая передача, состоящая из редуктора, механизма сочленения вала электродвигателя с ведущим звеном редуктора и механизма переключения передач или сцепления с приводом;

- Колесо, состоящее из шины (с камерой или без нее) с ободом и ступицей или только с ободом;

- Тормозной механизм с соответствующим приводом, осуществляющий механическое торможение мотор-колеса;

- Механизм или элементы подвески мотор-колеса к раме транспортной машины.

Характерной особенностью конструкции мотор-колеса является весьма рациональная компоновка его элементов, в частности, размещение электродвигателя полностью или частично внутри обода колеса, а также сведение к минимуму числа и размеров деталей механической передачи.

В последние годы область применения мотор-колес на транспортных и специализированных машинах различного назначения непрерывно расширяется. Это объясняется тем, что использование мотор-колес открывает новые технические возможности в создании колесных машин принципиально новой конструкции, для которых трансмиссия в виде индивидуального электропривода ведущих колес является единственно возможной или целесообразной. 

Основными критериями, определяющими целесообразность применения индивидуального электропривода с мотор-колесами на транспортных машинах взамен механического или гидромеханического привода или группового электропривода, являются следующие:

- Вес агрегатов и узлов привода в сравниваемых вариантах;

- Эксплуатационный свойства (надежность в работе, объем и периодичность технического обслуживания);

- К.п.д. системы привода;

- Срок службы агрегатов;

- Стоимость агрегатов и узлов привода в сравниваемых вариантах и эксплуатационные расходы за расчетный срок службы.

Типы конструкций мотор-колёс: редукторные мотор-колёса и мотор-колёса с прямым приводом.

Мотор-колёса с прямым приводом были разработаны раньше, чем редукторные мотор-колёса. Объяснение этому – более простая конструкция. Современный вентильный трёхфазный электродвигатель – почти идеальная электрическая машина с совершенной и можно сказать, - красивой конструкцией, высокими эксплуатационными характеристиками и большим ресурсом работы. При правильной эксплуатации, если избегать перегрева и погружения мотор-колеса в воду, оно может работать без обслуживания очень долго, требуя по мере необходимости, только замены опорных подшипников якоря, который в мотор-колесе с прямым приводом одновременно служит осью мотор-колеса. В случае с вездеходом необходимо обеспечить водоизоляцию, и достаточное охлаждение двигателя. 

Мотор-колёса с прямым приводом можно рекомендовать, когда требуется более высокая максимальная скорость движения.

Редукторные мотор-колёса состоят из электродвигателя (с постоянными магнитами из неодима) и планетарного  редуктора, встроенных  в ступицу колеса. Редуктор  уменьшает частоту вращения вала электродвигателя в несколько раз, при этом увеличивая крутящий момент (тяговое усилие). В результате мы имеем мощный, компактный и лёгкий привод для электротранспорта. Распространённое мнение, что редукторные мотор-колёса менее надёжные, так как имеют более сложную конструкцию - не соответствует действительности

Редукторные мотор-колёса рекомендуется применять, если требуется хорошее тяговое усилие, например в автомобилях повышенной проходимости и вездеходах.

В конструкции моего вездехода было использовано редукторное мотор-колесо, так как вездеходу важнее его тяговые характеристики, чем скоростные. В планетарном редукторе, использованном в данной конструкции, солнечная шестерня передает обороты с электродвигателя на три сателлита, размещенные на осях в водиле, закрепленном в самом колесе. Эпицикл неподвижно закреплен на оси колеса. Сборка была выполнена мной в двух системах: Creo Elements и Solidworks 2008. Количество деталей в сборке 422, уникальных 51. 

Характеристики

Наименование	Обозначение	Значение
Мощность одного колеса	N	37 кВт
Передаточное число редуктора	u	2,8
Максимальная скорость движения	Vmax	19,44м∙с-1
Максимальный угол подъема	α	30о
КПД машины на максимальной скорости	η	0,652
Масса электродвигателя	mэд	144 кг
Время службы	t	5000 часов
КПД	ηэд	92 %
Частота вращения вала двигателя	nэд	1500 об/мин
Крутящий момент ведущего колеса в тяговом режиме	Tвк	4590 Н∙м
Число сателлитов планетарного редуктора	nст	3
Число зубьев солнечной шестерни	zc	36
Число зубьев сателлита	zст	18
Число зубьев эпицикла	zэ	72