Dossier 03 / Napęd i mechanika styku z nawierzchnią

Koła: wewnątrz inteligentnej piasty

Gdy silniki, falowniki, siłowniki sterowania i czujniki obciążenia przenoszą się do wnętrza obręczy koła, architektura podwozia spłaszcza się do czystej deskorolki, pod warunkiem że inżynierowie poradzą sobie z masą nieresorowaną i wnikaniem wody.

Zwijanie napędu do obręczy

Senseable City Lab z MIT spopularyzowało nowoczesną, samodzielną koncepcję „inteligentnego koła” w 2009 roku za pomocą Copenhagen Wheel: jasnej obudowy piasty mieszczącej bezszczotkowy silnik prądu stałego, pierścień z baterią litową, czujnik momentu obrotowego i bezprzewodowy sterownik, który w ciągu dziesięciu minut zamieniał zwykły stalowy rower w hybrydę ze wspomaganiem pedałowania.

Piętnaście lat później ten architektoniczny pomysł rozgałęził się na lekkie i średnie pojazdy. Silniki osiowostrumieniowe i radialne z wirnikiem zewnętrznym od wyspecjalizowanych firm, takich jak Elaphe, Protean Electric czy Grin Technologies, eliminują łańcuchy, paski i przekładnie stożkowe. Ponieważ siła elektromagnetyczna działa na dużym promieniu, blisko obręczy, piasty z napędem bezpośrednim zapewniają natychmiastowe sterowanie momentem w milisekundach, dzięki czemu platforma czterokołowa może korygować poślizgi dziesięciokrotnie szybciej niż mechaniczne układy ABS.

Zbliżenie na zespół koła wszechkierunkowego z pochylonymi bębenkowymi rolkami poliuretanowymi i szczelnymi łożyskami ze stali nierdzewnej
Poliuretanowe rolki pod kątem 45 stopni na holonomicznej piaście wózka inwalidzkiego umożliwiają przesuw boczny w wąskich domowych korytarzach.
  • Moduły narożne 90 stopni ze sterowaniem steer-by-wire

    Platformy takie jak e-Corner firmy Hyundai Mobis czy inteligentne moduły narożne firmy Schaeffler łączą napęd umieszczony w kole z elektrycznymi siłownikami skrętu o kącie 90 stopni, co umożliwia równoległe parkowanie bokiem („krabem”) i obroty w miejscu w ciasnych miejskich zatokach załadunkowych.

    Pilotaż w terenie
  • Holonomiczne koła wszechkierunkowe i Mecanum

    Stosowane w wózkach WHILL i holownikach magazynowych: segmentowane pasywne rolki pozwalają przednim kołom obracać się bocznie bez promienia skrętu kółek obrotowych, co znacznie zmniejsza promień zawracania w windach.

    Wdrożone
  • Koła z pętlową sprężyną wewnętrzną (Loopwheels)

    Zastąpienie sztywnych metalowych szprych trzema stycznymi sprężynami C z kompozytu węglowego pochłania wstrząsy od krawężników wewnątrz samej piasty. Jest to cenne w składanych rowerach miejskich i wózkach inwalidzkich, gdzie skok amortyzatora widelca się nie mieści.

    Wdrożone
  • Opony z siatki ze stopu z pamięcią kształtu (NiTi)

    Zaadaptowane przez The SMART Tire Company z prototypów łazików z Centrum Badawczego NASA Glenn, nadsprężyste siatki z drutu niklowo-tytanowego odkształcają się odwracalnie nawet o 8% bez ciśnienia powietrza. Obecnie wchodzą do pilotaży w rowerach premium.

    Ograniczony pilotaż

Kara fizyczna: masa nieresorowana i obciążenia G od dziur w jezdni

Dlaczego nie każdy pojazd osobowy ani trójkołowy wózek towarowy mieści całą baterię i falownik wewnątrz koła? Odpowiedzią jest drugie prawo Newtona zastosowane poniżej sprężyny zawieszenia. Wszystko, co zamontowane wewnątrz koła, czyli uzwojenia miedziane, magnesy neodymowe i tranzystory MOSFET z węglika krzemu, doświadcza surowego uderzenia z drogi, zanim amortyzatory zdążą je złagodzić. Uderzenie w ostrą dziurę przy 35 km/h poddaje elektronikę piasty przyspieszeniom przejściowym przekraczającym 50 g.

Ciężkie koła również stawiają opór zmianie kierunku pionowego, przez co opona na chwilę odrywa się od falistego asfaltu (pogarszając przyczepność) i przenosi dudniące drgania do kabiny. Udane konstrukcje inteligentnych kół radzą sobie z tym kompromisem na dwa sposoby: albo działają poniżej 25 km/h (gdzie wstrząs kinetyczny pozostaje umiarkowany, jak w e-skuterach, rowerach cargo i wózkach dostawczych), albo przenoszą baterię z obracającej się piasty do zawieszonej platformy i stosują lekkie stojany osiowostrumieniowe uszczelnione zgodnie z normami IP67/IP69K przeciw zasolonej zimowej brei.

Koncepcja prezentacyjna

„Sferyczne opony na lewitacji magnetycznej pozwolą pojazdom obracać się o 360 stopni przy prędkościach autostradowych.”

Wirusowe wizualizacje koncepcyjne, takie jak Goodyear Eagle-360, pokazują nieprzywiązane gumowe sfery utrzymywane pod nadkolami podwozia wyłącznie dzięki lewitacji magnetycznej.

Audyt tribologiczny i energetyczny

Magnetyczne zawieszenie ze szczeliną powietrzną nie wytrzymuje obciążeń ścinających podczas awaryjnego hamowania.

Utrzymanie elektromagnetycznej szczeliny powietrznej zdolnej wytrzymać awaryjne zatrzymanie z przyspieszeniem 1 g lub uderzenie w dziurę wymaga ogromnego, ciągłego prądu cewek i chłodzenia nadprzewodnikowego. Tymczasem drobiny piasku drogowego uwięzione między sferą a obudową magnetyczną działają jak przemysłowy papier ścierny.