O mare parte din comportamentul, manevrabilitatea, sunetul și caracterul general al unui vehicul cu motor cu ardere internă derivă din motor. Unii consideră că vehiculele electrice (EV), propulsate de motoare electrice fără zgomot de admisie sau de evacuare și cu un număr mai mic de angrenaje și lipsa zgomotului și a vibrațiilor, limitează oportunitatea de diferențiere a vehiculelor. Aceștia susțin că grupul motopropulsor va deveni un produs de bază și că avantajul competitiv va trebui să fie obținut prin alte domenii, cum ar fi designul și infotainment-ul.
O excepție de la acest punct de vedere este motorul integrat în roți (”In-wheel motor” – IWM), o tehnologie care permite îmbunătățiri substanțiale în ceea ce privește eficiența propulsiei, dinamica de rulare, siguranța activă și proiectarea vehiculelor. IWM permite funcționarea cu „întoarcere pe loc”, o caracteristică relevantă pentru mediile urbane dense și pentru intrarea/ieșirea în siguranță a vehiculelor de pe trotuar. În plus, IWM are potențialul de a extinde revoluția – începută de arhitectura „skateboard” a vehiculelor electrice, devenită în prezent omniprezentă – în ceea ce privește modul în care sunt dezvoltate, fabricate și întreținute vehiculele.
IWM-urile sunt din ce în ce mai mult dezvoltate și testate de către producătorii de echipamente originale și furnizori ca parte a modulelor de direcție. Un număr din ce în ce mai mare de susținători din cadrul comunității de inginerie a mobilității consideră că acestea reprezintă o soluție de propulsie inevitabilă pentru vehiculele electrice cu motor. Prin urmare, este util să înțelegem ce a împiedicat comercializarea IWM până în prezent, începând cu preocuparea citată în mod obișnuit: masa nesuspendată
Provocări și bariere
IWM poate fi integrat în vehicul în diferite moduri, după cum se arată în imaginile alăturate. Acestea ilustrează modul în care IWM poate crește masa nesuspendată – componentele dintre sistemul de suspensie și suprafața drumului, care include roțile, anvelopele, frânele și părți ale sistemului de suspensie în sine.
Din punct de vedere al dinamicii vehiculului, este util să se considere masa unui vehicul ca o combinație de masă suspendată și nesuspendată. Modul de rezonanță primar al unui vehicul (~1 Hz) este cauzat în principal de masa elastică a vehiculului care ricoșează în sistemul de suspensie. Cu toate acestea, masa nesuspendată afectează în mod negativ confortul de rulare, deoarece creează un mod de rezonanță secundar mai pronunțat (~7-10 Hz, din cauza întârzierii inerțiale a acesteia care ricoșează pe anvelope). De asemenea, face ca manevrabilitatea să fie mai dificilă, deoarece suspensia trebuie să lucreze mai mult pentru a menține anvelopele în contact cu solul.
IWM-urile de la fiecare colț al șasiului ar putea dubla, probabil, masa nesuspendată a vehiculului. Dar consecințele pot fi atenuate prin reglarea amortizoarelor de suspensie și prin consolidarea structurii de montare a amortizoarelor (pentru a gestiona sarcinile crescute în structura caroseriei). În plus, reducerea distanței de rulare este mai puțin perceptibilă pentru anumite tipuri de vehicule, cum ar fi camioanele și SUV-urile, care au un raport mai mare între masa suspensie și masa ne-suspendată (care determină magnitudinea acestei rezonanțe secundare). De asemenea, așteptările pasagerilor în ceea ce privește confortul călătoriei pot fi mai puțin exigente pentru aceste vehicule.
În 2010, Lotus Engineering a modificat un Ford Focus din 2007 adăugând 30 kg la fiecare roată pentru a simula efectul adăugării masei nesuspendate IWM a lui Protean. Datele care compară caracteristicile de rulare și manevrabilitate înainte și după modificare au arătat că masa nesuspendată crescută poate fi abordată cu ajutorul tehnicilor tipice de optimizare a manevrabilității și a rulajului.
Alte preocupări legate de IWM includ durabilitatea, gestionarea termică și siguranța electrică. Deși nu există încă un IWM pentru automobile produse în serie, activitatea de dezvoltare este în creștere. În laborator și pe vehiculele de testare se acumulează un kilometraj substanțial. Lecțiile învățate din aceste teste au fost folosite pentru a îmbunătăți durabilitatea prin asigurarea unei etanșeități adecvate la apă (și a unei izolări electrice) și a rezistenței la coroziune.
Protecția împotriva resturilor de pe șosea este, de asemenea, critică pentru cablajul de mare putere și liniile de răcire, care sunt altfel expuse. Răcirea cu lichid este necesară pentru a proteja IWM de încălzirea excesivă, care este exacerbată de apropierea de căldura radiantă a rotorului de frână în cele mai nefavorabile condiții (de exemplu, fără frânare regenerativă, vreme extrem de caldă, motoare acoperite de noroi). În ceea ce privește siguranța electrică, defectarea unui IWM trebuie să declanșeze o oprire în câteva milisecunde a motorului celeilalte părți pentru a preveni direcționarea negativă a cuplului; pierderea puterii globale ar putea duce la reducerea vitezei, dar acest lucru poate fi sesizabil doar în condiții de sarcină ridicată. Cu toate că IWM-urile reprezintă noi provocări pentru integrarea vehiculelor, în ultimii 20 de ani au existat suficiente proiecte, dezvoltări și teste pentru a oferi o bază solidă pentru a le lua în considerare în producția de vehicule.
Din punct de vedere al dinamicii vehiculului, este util să se considere masa unui vehicul ca o combinație de masă suspendată și nesuspendată. Modul de rezonanță primar al unui vehicul (~1 Hz) este cauzat în principal de masa elastică a vehiculului care ricoșează în sistemul de suspensie. Cu toate acestea, masa nesuspendată afectează în mod negativ confortul de rulare, deoarece creează un mod de rezonanță secundar mai pronunțat (~7-10 Hz, din cauza întârzierii inerțiale a acesteia care ricoșează pe anvelope). De asemenea, face ca manevrabilitatea să fie mai dificilă, deoarece suspensia trebuie să lucreze mai mult pentru a menține anvelopele în contact cu solul.
IWM-urile de la fiecare colț al șasiului ar putea dubla, probabil, masa nesuspendată a vehiculului. Dar consecințele pot fi atenuate prin reglarea amortizoarelor de suspensie și prin consolidarea structurii de montare a amortizoarelor (pentru a gestiona sarcinile crescute în structura caroseriei). În plus, reducerea distanței de rulare este mai puțin perceptibilă pentru anumite tipuri de vehicule, cum ar fi camioanele și SUV-urile, care au un raport mai mare între masa suspensie și masa ne-suspendată (care determină magnitudinea acestei rezonanțe secundare). De asemenea, așteptările pasagerilor în ceea ce privește confortul călătoriei pot fi mai puțin exigente pentru aceste vehicule.
În 2010, Lotus Engineering a modificat un Ford Focus din 2007 adăugând 30 kg la fiecare roată pentru a simula efectul adăugării masei nesuspendate IWM a lui Protean. Datele care compară caracteristicile de rulare și manevrabilitate înainte și după modificare au arătat că masa nesuspendată crescută poate fi abordată cu ajutorul tehnicilor tipice de optimizare a manevrabilității și a rulajului.
Alte preocupări legate de IWM includ durabilitatea, gestionarea termică și siguranța electrică. Deși nu există încă un IWM pentru automobile produse în serie, activitatea de dezvoltare este în creștere. În laborator și pe vehiculele de testare se acumulează un kilometraj substanțial. Lecțiile învățate din aceste teste au fost folosite pentru a îmbunătăți durabilitatea prin asigurarea unei etanșeități adecvate la apă (și a unei izolări electrice) și a rezistenței la coroziune.
Protecția împotriva resturilor de pe șosea este, de asemenea, critică pentru cablajul de mare putere și liniile de răcire, care sunt altfel expuse. Răcirea cu lichid este necesară pentru a proteja IWM de încălzirea excesivă, care este exacerbată de apropierea de căldura radiantă a rotorului de frână în cele mai nefavorabile condiții (de exemplu, fără frânare regenerativă, vreme extrem de caldă, motoare acoperite de noroi). În ceea ce privește siguranța electrică, defectarea unui IWM trebuie să declanșeze o oprire în câteva milisecunde a motorului celeilalte părți pentru a preveni direcționarea negativă a cuplului; pierderea puterii globale ar putea duce la reducerea vitezei, dar acest lucru poate fi sesizabil doar în condiții de sarcină ridicată. Cu toate că IWM-urile reprezintă noi provocări pentru integrarea vehiculelor, în ultimii 20 de ani au existat suficiente proiecte, dezvoltări și teste pentru a oferi o bază solidă pentru a le lua în considerare în producția de vehicule.
Avantaje pe termen scurt și lung
Poate că cea mai bună aplicație auto pe termen scurt pentru IWM este segmentul SUV-urilor sau al camionetelor de dimensiuni mari, unde cuplul de la capătul inferior este de dorit, iar așteptările privind confortul de rulare, manevrabilitatea și viteza sunt mai puțin exigente decât în cazul automobilelor.
Lordstown Motors electrifică fiecare colț al pick-up-ului său electric Endurance cu IWM-uri proiectate de Elaphe, ceea ce face ca aceasta să fie, potențial, prima comercializare a IWM într-o aplicație auto .
Există diferite moduri de a activa tracțiunea integrală pentru această platformă. IWM-urile adaugă masa motorului la vehicul și necesită cabluri HV suplimentare și mai multe invertoare (în comparație cu o configurație cu un singur motor sau cu două motoare care oferă AWD), precum și o rigidizare a structurii vehiculului pentru a compensa sarcinile de șoc mai mari. Cu toate acestea, deoarece masa pieselor care nu sunt necesare pentru IWM (transmisie, arbore de transmisie, cutie de transfer, diferențial, punte spate, semiarbore) poate depăși 250 kg, echilibrul de masă rezultat poate fi favorabil pentru IWM față de configurațiile alternative e-AWD.
Comparația de masă devine și mai favorabilă pentru IWM-uri dacă se ia în considerare eficiența mai mare a acestora. Prin eliminarea transmisiei, un IWM cu transmisie directă poate fi cu câteva procente mai eficient în condiții de conducere obișnuite. Acest lucru se poate traduce fie printr-o autonomie mai mare, fie prin utilizarea unei baterii mai ușoare cu ~20 kg pentru aceeași autonomie. Pentru vehiculele urbane cu viteză redusă, eficiența ridicată a IWM și puterea distribuită la fiecare colț ar putea duce la o soluție mai ușoară, cu răcire cu aer.
O analiză similară trebuie să se facă pentru costurile la nivelul vehiculului. Deși patru IWM și electronica de putere asociată vor costa mai mult decât soluțiile cu unul sau două motoare, la nivelul vehiculului, ecuația costurilor globale poate fi favorabilă IWM dacă se iau în considerare eliminarea componentelor trenului de rulare și reducerea cerințelor de energie ale bateriei.
Pentru client, beneficiile mai evidente ale IWM pot fi reprezentate de performanțele dinamicii vehiculului și de caracteristicile de proiectare ale acestuia. În comparație cu cei 200-300 de ms necesari pentru pornirea componentelor de admisie a aerului, ale motorului și ale transmisiei, IWM poate aplica cuplul aproape instantaneu și cu mai multă precizie, astfel încât să existe mai puțin tangaj în timpul frânării și mai puțin ruliu în viraje. Eliminarea motorului de tracțiune din față montat central poate oferi un portbagaj față mai mare. Eliminarea punții spate oferă posibilitatea de a coborî podeaua portbagajului pickup-ului sau a SUV-ului pentru o încărcare/descărcare mai ușoară; de asemenea, este posibilă o zonă de încărcare care să cuprindă întreaga lungime a vehiculului. Absența elementelor compresibile ale motorului în calea de încărcare poate fi exploatată pentru a gestiona forțele de impact în structură și pentru a îmbunătăți potențial siguranța pasivă.
Mai multe tendințe viitoare în materie de mobilitate sunt favorabile IWM-urilor. Creșterea numărului de proprietari de flote pentru vehiculele partajate și pentru livrarea de bunuri va determina luarea unor decizii bazate pe costurile ciclului de viață; eliminarea cutiilor de viteze și a arborilor de transmisie ar putea îmbunătăți fiabilitatea vehiculelor acționate de IWM.
Mobilitatea urbană, unde se generează o mai mare parte din kilometri parcurși de vehicule la nivel mondial, va acorda o mai mare importanță compactității vehiculelor: IWM-urile pot permite vehicule mai scurte care oferă același spațiu de ocupare și de stocare a bateriei. De asemenea, acestea pot permite performanțe urbane relevante, oferind chiar și o articulare la 90 de grade, pentru a spori considerabil capacitatea de parcare.
Pentru operatorii de robotaxi care trebuie să întrețină și să depoziteze vehiculele pe timp de noapte, capacitatea sporită de parcare se transformă în costuri imobiliare mai mici (adesea în orașe scumpe), precum și în timpi mai rapizi de preluare și predare a pasagerilor, ceea ce duce la mai multe curse plătite pe zi și la creșterea profitului.
Calitatea mai bună a călătoriei permisă de IWM poate reduce riscul de rău de mișcare în cazul vehiculelor autonome și riscul de deteriorare a încărcăturii în cazul vehiculelor de livrare. O podea de încărcare mai joasă nu numai că îmbunătățește încărcarea/descărcarea, dar poate îmbunătăți intrarea/ieșirea pentru o populație din ce în ce mai îmbătrânită și pentru utilizatorii de scaune cu rotile. Centrele fără mașini, propuse de mai multe orașe europene, ar putea stimula noi sisteme de uși, cum ar fi intrarea frontală, cu cerința unei înălțimi și a unei podele joase.
IWM-urile sunt dezvoltate de o varietate de companii (tabelul de mai sus). Lista în creștere include dezvoltatori de IWM „pure play”, precum Protean și Elaphe, care își perfecționează proiectele de mai bine de un deceniu, precum și mai mulți furnizori de automobile. Unii dintre aceștia au făcut anunțuri de producție și au demonstrat concepte de vehicule IWM, deoarece văd IWM ca pe o extensie naturală a activității lor actuale. În plus, dezvoltatorii de „platforme” pentru vehicule electrice de tip start-up integrează modulele de colț cu motor la roți în ceea ce ei consideră a fi cea mai bună soluție de platformă pentru vehicule electrice de tip „ground-up”. În viitorul apropiat sunt așteptate mai multe evoluții tehnologice și anunțuri comerciale.
Reinventarea dezvoltării vehiculelor
IWM-urile nu vor modela doar forma și funcția viitoarelor vehicule. La fel ca în cazul arhitecturii skateboard, acestea vor influența modul în care constructorii de automobile vor dezvolta un portofoliu de produse și modul în care vehiculele vor fi fabricate și întreținute. Furnizorul de nivel 1 Schaeffler și-a imaginat un întreg portofoliu de vehicule bazate pe IWM.
Modulele de colț independente care integrează frânarea, direcția, suspensia și propulsia cu ansamblul de roți și anvelope pot facilita dezvoltarea unei varietăți mai mari de vehicule pe aceeași arhitectură, deoarece devine mai ușor să se modifice atât calea de rulare, cât și ampatamentul. De asemenea, poate duce la o filozofie „plug-and-play”, în care întregul modul este ” montat cu șuruburi” pe platforma de bază (skateboard) pe linia de asamblare și înlocuit rapid atunci când sunt necesare reparații. Se poate concepe că un modul scalabil (cu personalizarea puterii și a cuplului) ar putea susține întregul portofoliu de vehicule, mai ales că software-ul va fi din ce în ce mai mult o metodă principală de diferențiere a vehiculelor.
Îmbunătățirea continuă a electronicii de putere, a etanșării, a rulmenților și a densității cuplului a adus IWM aproape de statutul de mașină gata de producție. În combinație cu viitoarele tendințe în domeniul mobilității, viitorul pare promițător pentru ca IWM să revoluționeze proiectarea, dezvoltarea, fabricarea și întreținerea vehiculelor.
Dr. Chris Borroni-Bird
Automotive Engineering
