Motocykl elektryczny - LEM Photon

Po dwóch latach ciężkiej pracy powstał motocykl będący projektem wyścigowej maszyny napędzanej silnikiem elektrycznym, kwalifikującej się do klasy Moto3. Motocykl zaprojektowali i wykonali studenci Politechniki Wrocławskiej zrzeszeni w Kole Naukowym Pojazdów i Robotów Mobilnych. Grupa już wcześniej zdobyła spore doświadczenie przy budowaniu elektrycznych jednośladów – z ich pracowni wyjechało do tej pory osiem maszyn. Najbardziej znany jest off-roadowy LEM Thunder V2, którym ekipa wystartowała międzynarodowych zawodach SmartMoto Challenge w Barcelonie.

Nowy motocykl miał złamać wszelkie dotychczasowe schematy i być maszyną sportową, która pozwoli zwyciężać na torze. A to oznacza całkiem inne wymagania, począwszy od konstrukcji ramy, przez całkiem inne zawieszenia, skończywszy na jak najbardziej efektywnym przekazywaniu mocy na tylne koło.

Jak jest zbudowany LEM Photon?

Z bliska przyjrzałem się tej maszynie, więc postaram się przybliżyć tę nietypową konstrukcję.

Paweł Rogalski

Ø1

Wahacz tylnego koła

Paweł Rogalski

Wykonano go jako konstrukcję przestrzenną, aby był jak najlżejszy. Najwięcej czasu podczas projektowania zajęło dobranie właściwej geometrii zawieszeń, tak by poprawnie pracowały w motocyklu sportowym. W tym przypadku tylne zawieszenie jest rozwinięciem systemu Pro-Link, choć dostosowanego do potrzeb tego konkretnego motocykla. Wahacz składa się z kilku elementów: mocowania osi koła, frezowanej poprzeczki wzmacniającej, mocowania osi wahacza, mocowania układu dźwigni zawieszeń zespawanych w całość. Wszystkie te elementy studenci samodzielnie zaprojektowali i własnoręcznie wykonali.

Ø2

Rama motocykla

Paweł Rogalski

Powstała z rur stalowych (stal chromowo-molibdenowa). W sumie zastosowano aż trzy rodzaje stali. Dlaczego stal? Bo ten materiał jest łatwy w obróbce i zapewnia wymaganą wytrzymałość przy jednoczesnej oszczędności miejsca.

Kompaktowa rama pozwoliła wygospodarować odpowiednio dużą przestrzeń na pakiet akumulatorów. Żeby zespawać ramę, ekipa przygotowała specjalne stanowisko, które utrzymywało wszystkie elementy dokładnie na swoich miejscach. Chodziło o uniknięcie odkształceń elementów powstających podczas procesu spawania. Gotową ramę zeskanowano skanerem 3D i porównano z komputerowym projektem. W poszukiwaniu ewentualnych błędów prześwietlono również wszystkie spoiny. Rama ma konstrukcję modułową, co ułatwia naprawy po ewentualnym wypadku, czy dopasowanie do rozmiarów kierowcy.

Zobacz również: Aktywny tempomat w motocyklu, niezły bajer czy zbędny wydatek? Mówimy sprawdzam.

Ø3

Pakiet akumulatorów

Paweł Rogalski

W LEM-ie Photonie bateria składa się z 632 ogniw litowo-jonowych firmy Sony, połączonych w sposób zaprojektowany przez studentów i dających napięcie 117,6 V. Akumulator dysponuje mocą maksymalną 36 kW, a cały pakiet jest w stanie zgromadzić 6,2 kWh. Prąd zasilający silnik ma natężenie 400 A, a w szczególnych warunkach i na krótką chwilę może ono wzrosnąć aż do 700 A!

Dla porównania: zapotrzebowanie urządzeń pracujących w zwykłej kuchni to około 16 A. Dla bezpieczeństwa motocykl wyposażono w rozbudowane, wielostopniowe systemy zabezpieczające. Aż sześć czujników temperatury na bieżąco monitoruje temperaturę wszystkich pakietów. Naładowanie pakietu na full trwa mniej więcej 1,5 h (do poziomu 80% – 40 minut). Gdyby zaszła taka potrzeba, bateria może być wymieniona. Potrzeba na to 5 minut. Zasięg motocykla wyznaczyły wymagania wyścigu – 7 okrążeń toru (ok. 35 km) plus rezerwa: 2 okrążenia.

Ø4

Kokpit

Paweł Rogalski

Wyświetlacz może i wygląda niepozornie, niemniej dysponuje ogromnymi możliwościami. Jest dotykowy, co ułatwia poruszanie się po menu. Oprócz standardowych informacji (poziom naładowania akumulatorów, temperatura pracy silnika czy pokazywanie prędkości) można na nim wyświetlić wykresy pracy zawieszeń, parametry jazdy motocykla i wiele innych danych.

Wszystkie można zgrać na kartę SD, po to, by po wyścigu przeprowadzić szczegółową analizę. Czerwony guzik? To oczywiście wyłącznik bezpieczeństwa odcinający prąd w całym motocyklu. Na kierownicy (niewidoczne na zdjęciu; po lewej) znajdują się też przyciski sterujące charakterystyką pracy silnika.

Ø5

Zawieszenia

Paweł Rogalski

W tym przypadku skorzystano ze sprawdzonych rozwiązań. Tył to amortyzator Öhlins, w którym seryjną sprężynę zastąpił element zaprojektowany i wykonany przez studentów. Przedni zawias to widelec upside-down Showa przygotowany przez hiszpańską firmę Andreani MHS. Oba zawieszenia dysponują pełną regulacją – od wstępnego napięcia sprężyn, po tłumienie do- i odbicia. Półki widelca są autorskim projektem i zostały wyfrezowane z bloku aluminium. Pracę zawieszeń nadzorują czujniki. Dzięki temu po wyścigu można przeprowadzić szczegółową analizę ich pracy, aby w przyszłości dopasować parametry pracy oraz tłumienia do specyfiki danego toru.

Ø6

Przeniesienie napędu

Paweł Rogalski

Ten motocykl nie ma klasycznej skrzyni biegów, bowiem studenci uznali ją za niepotrzebną. Dlaczego? Bo każda zmiana przełożenia to strata ułamków sekundy. Już od najniższych obrotów silnik elektryczny dysponuje momentem obrotowym na poziomie 95 Nm (na kole 500 Nm), co spokojnie wystarczy do dynamicznej jazdy.

Jedyne przekładnie to te łańcuchowe. Jedna redukuje moment i obroty, druga przenosi moment na tylne koło. Ponieważ łańcuchy charakteryzują się dość dużymi oporami tarcia, w przypadku Photona zdecydowano się na napędzanie tylnego koła łańcuchem o rozmiarze 420 zamiast standardowej „520”. Delikatniejszy łańcuch pracuje lżej, ale traci na tym trwałość – trzeba go wymieniać niemal po każdym wyścigu.

Ø7

Silnik

Paweł Rogalski

Sercem Photona jest silnik synchroniczny firmy Engiro z magnesami stałymi. Dostarczyli go organizatorzy zawodów i na potrzeby imprezy zaplombowali. Jego moc maksymalna wynosi ok. 56 KM. To wystarcza, by rozpędzić motocykl do setki w czasie około 4 sekund, a prędkość maksymalna wynosi 195 km/h. Chłodzenie powietrzem musi być wydajne, bo podczas jazdy silnik może się rozgrzać do 120 ^OC, a przegrzanie do temperatury 140 ^OC powoduje trwałe uszkodzenie. Ponieważ silnik elektryczny pracuje lepiej w niższych temperaturach, podczas zawodów był on dochładzany w padoku powietrzem przepływającym przez suchy lód.

Ø8

Koła i układ hamulcowy

Paweł Rogalski

Na felgi OZ Racing założono opony Bridgestone Battlax Racing V02 R (wymóg organizatora). W układzie hamulcowym skorzystano z kombinacji tarczy Galfer oraz zacisków i pomp hiszpańskiej firmy J.Juan (również wymóg organizatora).

Oprócz zestawu akumulatorów to drugi z bardziej skomplikowanych układów tego motocykla. Ten falownik, bo tak fachowo nazywa się urządzenie sterujące silnikiem trójfazowym, jest w pełni programowalny i umożliwia między innymi zmianę charakterystyki mechanicznej napędu. Pozwala to wprowadzić ściśle określone ograniczenia mocy, co ma wpływ między innymi na prędkość maksymalną. Zmiana trybu ze sterowania momentem obrotowym silnika pozwala jeszcze lepiej dopasować się do wymagań konkretnego toru, na którym są rozgrywane zawody.

Zobacz również: Jak zabezpieczyć motocykl przed kradzieżą? Jednym z rozwiązań jest lokalizator GPS. Sprawdzamy różne warianty tego rozwiązania.

Lem Photon w zawodach

Prototypowy Lem Photon wystartował w prestiżowych zawodach MotoStudent 2021 na torze MotorLand w hiszpańskim Aragon.

Paweł Rogalski

Podczas debiutanckiego występu ekipa Politechniki Wrocławskiej zajęła szóste miejsce w generalce (w zawodach udział wzięło ponad 40 motocykli z całego świata) i zgarnęła nagrodę dla najlepszych debiutantów. Wielkie brawa!

Podczas zawodów rola kierowcy przypadła Krzysztofowi Borysowi, który ma doświadczenie ze startów w SSP 300 oraz w zawodach z cyklu Puchar Polski w klasach Stock Moto3 i Open Moto3. W finałowej rundzie miał on do pokonania osiem okrążeń toru, oczywiście w jak najkrótszym czasie. Ale to nie wszystko.

W formule zawodów MotoStudent liczą się najlepszy czas okrążenia oraz wyniki z pozostałych dwóch części. Podczas części teoretycznej ocenie podlegają prezentacja założeń konstrukcyjnych oraz plan biznesowy motocykla. Nie mniej ważne są próby techniczne i sprawnościowe, takie jak test wody, czyli polewanie motocykla, podczas którego jest sprawdzana odporność maszyny na wszelkiego rodzaju spięcia. Są też pomiary drogi hamowania z prędkości 80 km/h do zera czy pomiar przyspieszeń podczas sprintu na dystansie 150 m. Na deser egzamin w postaci zawodów gymkhany.

Po debiutanckich zawodach na torze w Aragon przyszedł czas na rundę jesienną. W październiku na włoskim torze Imola odbyły się zawody Moto ­Engineering Italy, w którym ekipa z Wrocławia poprawiła swój poprzedni wynik, zajmując znakomite trzecie miejsce.

Plany na przyszłość? Ponieważ studenckie zawody są organizowane w cyklu dwuletnim, kolejne eliminacje mają się odbyć dopiero w 2023 roku. To o wiele za długo jak na studencki przecież team z Politechniki Wrocławskiej, dlatego trwają przymiarki do zorganizowania własnej imprezy. Idea i założenia będą takie same jak podczas zawodów w Hiszpanii i we Włoszech. Zawody pozostaną imprezą studencką, w której nie będą mogły startować elektryczne motocykle produkowane seryjnie. O tym, czy i kiedy polska edycja dojdzie do skutku, będziemy informowali na bieżąco.

O projekcie Lem Photon opowiada Michał Skraburski z LEM Wrocław Team

Problemem nie był zakup czy wykonanie poszczególnych podzespołów. Była nim odpowiednia konfiguracja. Przecież chodziło o zwycięstwo w zawodach.

Paweł Rogalski

• Motocykl. Jaki był największy problem, z którym zetknęliście się podczas pracy nad Photonem?
• MS. Moim zdaniem było to odpowiednie zestrojenie sterownika z silnikiem. Żeby motocykl tylko ruszył z miejsca, konfiguracja jest o wiele łatwiejszym zadaniem. Jednak podczas wyścigu na torze ekipa walczyła o ułamki sekund. To masakrycznie komplikowało sprawę. Żeby nie tracić tych ułamków, trzeba było jak najlepiej zestroić ustawienia sterownika z silnikiem elektrycznym. Mówiąc krótko, moi koledzy musieli zgrać ze sobą około 600 parametrów. Zadanie było tym trudniejsze, że są one powiązane, dlatego zmiana jednego często miała wpływ na ustawienia pozostałych. To zadanie okazało się na tyle skomplikowane, że abyśmy mogli ogarnąć temat została zbudowana specjalna hamownia. Po testach na hamowni nadszedł czas na testy w praktyce. Często korzystaliśmy z uprzejmości ludzi z toru w Starym Kisielinie. Jest to wprawdzie dość mały i ciasny obiekt, ale do naszych potrzeb w zupełności wystarczył.
  
  
• Motocykl. Silniki do motocykli startujących w wyścigach, np. do klasy Moto3, dostarczają wyłącznie wskazani producenci. A gdzie kupuje się silniki do motocykli elektrycznych?
• MS. Żeby wszystkie zespoły biorące udział w zawodach miały równe szanse, silniki dostarcza tylko jedna firma – Engiro. Co więcej, wszystkie jednostki napędowe są zaplombowane, tak by nie dało się w nich przeprowadzić, żadnych zmian i modyfikacji. Koszt jednej sztuki waha się od 8000 do 10 000 zł. Ale zakup silnika to dopiero połowa sukcesu. Żeby uzyskać jak najwięcej danych i poznać dokładną jego charakterystykę, kupiliśmy dwie sztuki. Jedna dokonała żywota na hamowni, drugą dostał motocykl.
  
  
• Motocykl. Czy wszystko da się zaprojektować w programach komputerowych, a następnie zamontować w motocyklu?
• MS. No prawie. Elementem nigdy nietestowanym w prawdziwym tynelu aerodynamicznym były owiewki. Do ich zaprojektowania wykorzystaliśmy program do komputerowej analizy przepływów CFD. Dał nam on możliwość ominięcia prób w tunelu aerodynamicznym. Ciekawostką jest natomiast sposób wykonania owiewek. Były one laminowane w formach wydrukowanych na drukarkach 3D. To właśnie ta metoda była najdokładniejszym i najszybszym sposobem na wykonanie form. W motocyklu wykorzystaliśmy włókna węglowe, szklane i aramidowe, w zależności od tego, jakie ich właściwości były najbardziej przydatne w danym elemencie. Co więcej, obecnie pracujemy nad wykorzystaniem tych włókien w konstrukcji motocykla, tak by można było jak najbardziej obniżyć jego masę. Właśnie przygotowujemy się do wykonania wahacza i tylnego stelaża ramy z kompozytów, które zastąpią, odpowiednio, stal i aluminium.
  
  
• Motocykl. Wiadomo nie od dziś, że zabawa w wyścigi motocyklowe nie jest tania. Ile zatem kosztowało zaprojektowanie i przygotowanie takiej maszyny do zawodów?
• MS. [Śmiech] Na to pytanie bardzo trudno odpowiedzieć. Nasz ponad­pięćdziesięcioosobowy zespół pracował dwa lata, każdy poświęcił mnóstwo czasu. Ten motocykl nie ruszyby z miejsca, gdyby nie mnóstwo pracy włożnej przez liderów odpowiadających za poszczególne elementy maszyny – Kamil Malcherek, Filip ­Leonhard, Andrzej Tatarczuk, Albert Iwanicki, Paweł Zielonka. Bardzo im dziękuję. Jak to wszystko wycenić? Nie potrafię. Stronę techniczną motocykla wyceniłbym na co najmniej 200 000 zł, z czego najwięcej poszło na zakup i budowę baterii.