Elektromos hajtású prototípus versenyautók és hajtásláncok dinamikai modellezése, szimulációja, optimalizálása és kísérleti vizsgálata

A tétel rövid nézete
dc.contributor.advisorSziki, Gusztáv Áron
dc.contributor.authorSzántó, Attila
dc.contributor.authorvariantSzántó, Attila
dc.contributor.departmentInformatikai tudományok doktori iskolahu
dc.contributor.submitterdepMűszaki Kar
dc.date.accessioned2024-04-09T09:47:07Z
dc.date.available2024-04-09T09:47:07Z
dc.date.created2024
dc.date.defended2024-06-14T13:00:00Z
dc.description.abstractA doktori dolgozatomban ismertetett kutatómunka elsődlegesen a DE Műszaki Karának hallgatói csapatait, és az őket irányító oktatókat segítik a tudatosabb tervezői és fejlesztői munkában, növelve ezáltal a különböző hallgatói versenyeken (MVM Energia Futam, Shell ECO-Marathon, Formula Student) való eredményes versenyzés esélyét. A kidolgozott műszaki adat optimalizáló szoftver a megvalósított eljárásokkal a jövőben alkalmas lehet az egyetemen kifejlesztett elektromos járművek, hajtásláncok műszaki adatainak optimalizálására, javítva ezáltal számos jellemzőjüket, csökkentve például az energiafogyasztást. Az elvégzett kutatómunka eredménye az alábbi három tézispontban foglalható össze: Az első tézispont egy prototípus versenyautókhoz kidolgozott újszerű, moduláris felépítésű műszaki adat optimalizáló szoftvert ismertet. A szoftverrel meghatározhatók a járművek műszaki adatainak optimális értékei egy adott versenyfeladathoz. A szoftver két fő modulból épül fel. Az egyik egy egyenes pályán történő mozgásra kidolgozott járműdinamikai szimulációs modul, amely a jármű műszaki adataiból kiszámítja annak menetdinamikai függvényeit (gyorsulás-, sebesség- és út-idő függvények). A másik egy optimalizáló modul, amely a szimulációs modul által generált függvényértékeket felhasználva, kiszámítja a kiválasztott műszaki adatok optimális értékeit. Az optimalizáló modul két független eljárást alkalmaz: az első egy grafikus eljárás, a második az „adaptív szimulált hűtés” módszerének alkalmazása az optimális műszaki adatok meghatározására, amely a módszer egy teljesen új alkalmazási területe. Emellett az eljárás része egy olyan újszerű szűrési eljárás, amellyel a vizsgálatból előre kizárhatók azok a műszaki adatok, amelyekre nem érdemes optimalizálni, hiszen számottevő változtatásuk csak elhanyagolható változást okoz az érintett célfüggvényben. Az elvégzett részletes hibaszámítás igazolta, hogy a járműdinamikai szimulációs modul képes a jármű sebességét 5-9% relatív bizonytalansággal kiszámítani az 1-40 km/h sebességtartományon, ami megerősíti a vizsgálataink, és eredményeink hitelességét. A második tézispont módszertani fejlesztéseket ismertet egy olyan kísérleti eljáráshoz, amellyel csapágyazott forgó tömegeket (alkatrészeket) tartalmazó gépek, berendezések, azon belül elektromos motorok dinamikai jellemzői – a forgó tömeg kiszerelése nélkül – szimultán meghatározhatók. Az említett dinamikai jellemzők a forgó rendszer (motor esetén forgórész) tehetetlenségi és ellenállási (súrlódási) nyomatéka. A prototípus versenyautókban alkalmazott elektromos motorok esetén az említett jellemzők bemenő adatként szolgálnak a korábban ismertetett járműdinamikai szimulációs program motorszimulációs moduljához. Az elvégzett fejlesztések eredményeképpen az eljárás lényegesen megbízhatóbb, pontosabb és rutinszerűen alkalmazható lett. Az eljárás kísérleti úton, és hitelesítő mérésekkel igazolt relatív hibája, a tehetetlenségi nyomaték meghatározása esetén 5,3%, míg az ellenállási (súrlódási) nyomaték meghatározása esetén 5-6% között változik a [20;120] [rad/s] szögsebesség tartományon. Meg kell jegyezni, hogy a kísérleti körülmények további optimalizálásával a fenti hiba – mindkét vizsgált dinamikai jellemző esetén – 3% körüli értékre csökkenthető. A szerzők tudomása szerint az így kidolgozott és optimalizált eljárás az ismert, rutinszerűen alkalmazható eljárások közül a legegyszerűbben alkalmazható, és az egyik legpontosabb. A harmadik tézispont egy újszerű kísérleti eljárást ismertet elektromos motorok dinamikai jellemzőinek meghatározására, valamint a motorszimulációs modulok által generált függvények hitelesítésére. Az eljárás két független kísérletből áll: az elsőben egy gördítési kísérletből meghatározzuk a forgórész tehetetlenségi nyomatékát, míg a másodikban egy kombinált gyorsítási és kifutási tesztből az ellenállási (súrlódási) nyomaték-szögsebesség karakterisztikát, valamint elvégezzük a hitelesítést. A gördítési kísérlet előnye, hogy azokban az esetekben is alacsony hibával alkalmazható, amikor a hagyományos, lengetésén alapuló módszerek (pl. a gyorsan csillapodó amplitúdó miatt) pontatlanok. Az eljárás kísérleti úton, és hitelesítő mérésekkel igazolt relatív hibája, a tehetetlenségi nyomaték meghatározása esetén 3,3%, míg az ellenállási (súrlódási) nyomaték meghatározása esetén 4-5% között változik a [20;120] [rad/s] szögsebesség tartományon. A módszer hátránya, hogy a tehetetlenségi nyomaték meghatározásához a forgórészt ki kell szerelni a motorból. A fentieken túl igazoltam, hogy a hitelesítő mérések során nyert, és a motorszimulációs modulok által generált értékek egymáshoz viszonyított százalékos pontossága a fordulatszám és áramerősség esetén 96-99% és 93-99% között változik, a 0,0001576 – 0,06785 [kg·m2] tartományba eső terhelő tehetetlenségi nyomatékok alkalmazása esetén. Összefoglalva elmondható, hogy a kifejlesztett motorszimulációs programmodul pontossága – a kísérletileg meghatározott bemenő adatok alkalmazása esetén – megfelelő, így beépíthető a járműdinamikai szimulációs programunkba.
dc.description.abstractThe research work described in my doctoral dissertation primarily helps the student teams of the Faculty of Engineering of the University of Debrecen and the instructors who manage them in more conscious design and development work, thus increasing the chances of successful racing in various student competitions (MVM Energy Race, Shell ECO-Marathon, Formula Student). The developed technical data optimization software with the implemented procedures may in the future be suitable for optimizing the technical data of electric vehicles and drivetrains developed at the University, thereby improving many of their characteristics, for example reducing energy consumption. The results of the research work can be summarized in the following three thesis points: The first thesis point describes a novel, modular structure technical data optimization software developed for prototype race cars. With the application of the software, the optimal values of the technical data of the vehicles can be determined for any given competition task. (Such an optimization task can be, for example, the determination of the gear ratio in the powertrain with which a given track section in a drag race can be completed in the shortest time.) The software consists of two main modules. One is a vehicle dynamics simulation module developed for movement on a straight track, which calculates the vehicle's driving dynamics functions (acceleration-, speed- and travelled distance-time functions) from the vehicle's technical data. The other is an optimization module, which uses the function values generated by the simulation module to calculate the optimal values of the selected technical data. The optimization module uses two independent procedures: the first is a graphical procedure, the second is the application of the "adaptive simulated annealing" method to determine the optimal technical data, which is a completely new application area of the method. Part of the procedure is a novel filtering procedure, which can be used to exclude from the investigation in advance the technical data for which it is unnecessary to optimize, since their significant change causes only a negligible change in the relevant objective function. The detailed error calculation carried out proved that the vehicle dynamics simulation module is able to calculate the speed of the vehicle with a relative uncertainty of 5-9% in the speed range of 1-40 km/h, which confirms the validity of our tests and results. The second thesis point describes methodological developments for an experimental procedure with which the dynamic characteristics of machines and equipment containing rotating masses (components) with bearings, including electric motors, can be determined simultaneously without removing the rotating mass. The mentioned dynamic characteristics are the moment of inertia and resistance (friction) torque of the rotating system (in the case of a motor, the rotor). In the case of the electric motors used in prototype race cars, the mentioned characteristics serve as input data for the motor simulation module of the previously described vehicle dynamics simulation program. As a result of the developments made, the procedure became significantly more reliable, accurate and routinely applicable. The relative error of the procedure in the case of determining the moment of inertia, is 5.3%, while when the resistance (friction) torque is determined, it varies between 5-6% in the angular velocity range [20;120] [rad/s]. It should be noted that with further optimization of the experimental conditions, the above error can be reduced to a value of about 3% in the case of both examined dynamic characteristics. According to the authors' knowledge, the procedure developed and optimized in this way is the simplest and one of the most accurate one of the known, routinely applicable procedures. The third thesis point describes a novel experimental procedure for determining the dynamic characteristics of electric motors, as well as for validating the functions generated by the motor simulation modules. The procedure consists of two independent experiments: in the first, the moment of inertia of the rotor is determined from a roll-down experiment, while in the second, the friction torque-angular speed characteristic is determined from a combined acceleration and retardation test, and the validation is also carried out. The advantage of the rolling experiment is that it can also be applied with low error in cases where traditional methods based on swinging are inaccurate (e.g. due to the rapidly decreasing amplitude). The relative error of the procedure, in the case of determining the moment of inertia, is 3.3%, while when determining the resistance (friction) torque, it varies between 4-5% in the [20;120] [rad/s] angular speed range. The disadvantage of this method is that the rotor must be removed from the motor to determine its moment of inertia. In addition to the above, I verified that the relative accuracy of the values obtained during the validation measurements and those generated by the motor simulation modules varies between 96-99% and 93-99% in the case of angular speed and electric current intensity, applying a loading moment of inertia in the range of 0.0001576 – 0.06785 [kg·m2]. In summary, it can be stated that the accuracy of the developed motor simulation program module - when using the experimentally determined input data - is adequate, so it can be built into our vehicle dynamics simulation program.
dc.format.extent136
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/2437/368461
dc.language.isohu
dc.subjectelektromos hajtás
dc.subjectjárműdinamikai szimuláció
dc.subjectoptimalizáció
dc.subjectkísérleti vizsgálat
dc.subjectelectric drive
dc.subjectvehicle dynamics simulation
dc.subjectoptimization
dc.subjectexperimental study
dc.subject.disciplineInformatikai tudományokhu
dc.subject.sciencefieldMűszaki tudományokhu
dc.titleElektromos hajtású prototípus versenyautók és hajtásláncok dinamikai modellezése, szimulációja, optimalizálása és kísérleti vizsgálata
dc.title.translatedDynamic modeling, simulation, optimization and experimental investigation of electrically driven prototype race cars and drivetrains
Fájlok
Eredeti köteg (ORIGINAL bundle)
Megjelenítve 1 - 3 (Összesen 3)
Nincs kép
Név:
Tézisfüzet_Szántó_Attila_2024_03_30.pdf
Méret:
7.03 MB
Formátum:
Adobe Portable Document Format
Leírás:
Tézifüzet
Letöltés
Nincs kép
Név:
Doktori dolgozat_Szántó_Attila_2024_03_30.pdf
Méret:
5.66 MB
Formátum:
Adobe Portable Document Format
Leírás:
Disszertáció
Letöltés
Nincs kép
Név:
Szántó_Attila_meghívó.pdf
Méret:
625.08 KB
Formátum:
Adobe Portable Document Format
Leírás:
Meghívó
Letöltés
Engedélyek köteg
Megjelenítve 1 - 1 (Összesen 1)
Nincs kép
Név:
license.txt
Méret:
1.93 KB
Formátum:
Item-specific license agreed upon to submission
Leírás:
Letöltés
Gyűjtemények
Informatikai Tudományok Doktori Iskola