Design av planetgirkasse til en Formula Student bil

Abstract

ION Racing UiS har ambisjoner om en overgang fra tohjulsdrift til firehjulsdrift. Dette kan gjøres ved å innlemme en valgt elektromotor i hvert av bilens fire hjulenheter, som deretter styres elektronisk.

Ettersom den valgte motorens rotasjonshastighet er for høy til at den kan kobles direkte på hjulet, må det utvikles en planetgirkasse. Denne må designes slik at den ikke kommer i konflikt med hjulopphengets komponenter, i tillegg til at den må dimensjoneres etter påførte krefter.

Basert på utledninger og innledende systemdetaljer, blir det konstatert at et sammensatt planetgir som benytter to steg vil kunne oppfylle de gitte kriteriene. Videre blir det utført simuleringer på girutveksling, hvor man lander på en nedgiring på 14,73.

Det blir dimensjonert tannhjul, akslinger og lager, hvor programmet KISSsoft tas i bruk for visualisering og oppsett av kinematikk. Videre legges det inn bolter, skjærpinner og kraftoverføringer til innfesting av de ulike tannhjulene. Det legges også opp til et smøresystem med tetninger.

For at girkassen skal kunne implementeres lettest mulig, modifiseres bilens eksisterende hjulnav til å montere girsystemet. Denne vil i kombinasjon med ny hjulspindel kunne huse planetgirkassen. Motoren spennes fast på innsiden av hjulspindelen, og kobles derfra inn på girkassen.

Det endelige systemet får en totalvekt på om lag 30,1 kg, med et dreiemoment på 1715 Nm på fordelt på fire hjul.

Systemet legger grunnlaget for videre utvikling av et firehjulsdriftsystem til bruk i Formula Student bilene til ION Racing UiS. Det håpes at designet kan komme til nytte for fremtidige medlemmer.

ION Racing UiS has ambitions for a transition from two-wheel drive to four-wheel drive. This can be done by incorporating a selected electric motor in each of the car's four wheel units, which are then controlled electronically.

As the rotational speed of the selected motor is too high for it to be connected directly to the wheel, a planetary gearbox must be developed. This must be designed so that it does not come into conflict with the wheel suspension components, in addition to being sized according to applied forces.

Based on derivations and initial system details, it is established that a compound planetary gear using two stages will be able to meet the given criteria. Furthermore, simulations are carried out on gear changes, where one lands on a gear ratio of 14.73.

Gears, axles and bearings are dimensioned, where the program KISSsoft is used for visualization and setting up kinematics. Furthermore, bolts, shear pins and power transmissions are inserted to secure the various gears. A lubrication system with seals is also implemented.

In order for the gearbox to be implemented as easily as possible, the car's existing wheel hub is modified to mount the gearbox system. This, in combination with a new wheel upright, will be able to house the planetary gearbox. The motor is clamped to the inside of the wheel upright, and is connected from there to the gearbox.

The final system has a total weight of about 30.1 kg, with a torque of 1715 Nm distributed on the four wheels.

The system lays the foundation for further development of a four-wheel drive system for use in the Formula Student cars of ION Racing UiS. It is hoped that the design can be useful to future members.