МИНИ-ЭЛЕКТРОМОБИЛИ

Переживания человека, выпустившего из бутылки сказочного джинна, прекрасно переданы в «Старике Хоттабыче». Поэтому ничего не стоит представить неожиданность и масштабы «электромобильного бума», разразившегося в нашей редакции. Все началось с маленькой заметки об электромобиле Ю. Я. Коршунова. Каждый день стал приносить нам сотни писем с просьбой срочно выслать чертежи и описание этого электромобиля.

В некоторых из них выражалось также желание получить двигатель, колеса к машине или на худой конец что-нибудь одно. Из этого всесокрушающего потока постепенно выкристаллизовывалась одна идея: конструкторов-любителей не пугают трудности и неудачи крупнейших автомобильных фирм мира. Их не останавливает главное препятствие на пути электромобилестроения — несовершенство источников питания. Они хотят строить электромобили. И не только хотят, но и строят. Уже есть несколько удачных опытов в постройке таких небольших самодельных машин. Но маленькие размеры при «домашнем конструировании» не только вынужденны, но и полностью оправданны.

Электрическая тяга, по мнению специалистов, как раз призвана освободить городские улицы от громадных экипажей. Поэтому на путь «миниатюризации» стали даже такие традиционные поставщики автомобилей-гигантов, как американские фирмы. Строя свой электромобиль, конструктор, разумеется, не имеет возможности создать новый, более мощный источник питания. (Это, собственно, и есть не решенная пока во всем мире проблема.) Но применить различные комбинации уже существующих аккумуляторов, разработать компоновку узлов и деталей, устройство привода уже в его власти. Сегодня мы расскажем о двух машинах. В каждой из них есть свои особенности, «конструкторские кредо» их авторов сильно отличаются друг от друга. Но оба этих маленьких экипажа уже имеют право на гордое название — электромобиль.

На чем остановить выбор

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Источники энергии для электромобиля должны иметь достаточно большую энергоемкость, обеспечивающую заданный запас хода электромобиля; максимальную мощность, достаточную для того, чтобы быстро разогнаться и развить максимальную скорость; большой запас энергии на единицу веса и, наконец, солидный срок службы.

НОМЕНКЛАТУРА

Увы, современные аккумуляторы далеко не соответствуют предъявляемым требованиям.

Свинцово-кислотные или щелочные железо-никелевые имеют удельную энергию порядка 16 ÷ 28 вт•ч/кг. Это в 10—15 раз ниже параметров, при которых энергетическая установка электромобиля сможет конкурировать по весу с силовым агрегатом современного автомобиля при равной их грузоподъемности и запасе хода.

Удельная емкость серебряноцинковых аккумуляторов значительно лучше — порядка 110 вт•ч/кг. Но и это примерно в 3 раза хуже того, что нужно. К тому же серебряно-цинковые аккумуляторы весьма капризны, имеют ограниченный срок службы и дорого стоят.

К аккумуляторам новых типов относятся натриево-серный и литиево-хлористый. Их удельная энергия в 10—15 раз выше, чем у свинцово-кислотных. Они, видимо, будут иметь до 300 ÷ 500 вт•ч/кг, когда выйдут из стадии лабораторных разработок.

Трудности их конструирования заключаются в том, что оба типа аккумуляторов имеют жидкие электроды и твердый электролит. Для поддержания металлов в жидком состоянии необходима высокая рабочая температура: у натриева-серного — порядка 200—300°, у литиево-хлористого 350—600°. Все это означает, что их надо подогревать перед пуском, поддерживать высокую температуру в работе и следить, чтоб не было пожара.

В последнее время появились воздушно-цинковые элементы. В них используются недефицитные материалы, и их удельные характеристики в 5—8 раз выше характеристик свинцово-кислотных батарей. Рабочая температура воздушно-цинковых батарей не превышает 90°. Кроме того, восстанавливать работоспособность воздушно-цинковых элементов можно, просто заменяя отработанный цинковый электрод. Его потом можно зарядить на зарядной станции, что в несколько раз сокращает время заправки электромобиля. Этим свойством воздушно-цинковые элементы схожи с топливными.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Из топливных элементов лучше всего изучен водородно-кислородный, в котором электроэнергия выделяется при реакции окисления водорода. Батарея таких элементов, обеспечивающая запас хода 400—500 км без заправки, в четыре раза тяжелее карбюраторного двигателя внутреннего сгорания равной мощности. Это значительно лучше параметров современных аккумуляторных батарей.

Трудность использования топливных элементов на автомобилях заключается в том, что чистые газы — кислород и водород — дороги и небезопасны. Ученые работают над созданием топливных элементов, в которых водород получается непосредственно на автомобиле из дешевых топлив (метанола, гидразина), а в качестве окислителя используется кислород воздуха.

А можно ли применять в качестве источника энергии существующие аккумуляторы?

Для того чтобы автомобиль типа «Москвич» мог пройти 400 км со средней скоростью 40 км/час, батарея свинцово-кислотных аккумуляторов, от которой он питается, должна весить более 3 т. На такой машине далеко не уедешь.

И ВСЕ ЖЕ…

Пока ведутся поиски и разработка новых источников электроэнергии для электромобилей, на опытных образцах конструкторы используют существующие типы аккумуляторов. Но запас хода у этих автомобилей составляет 1—2 часа, а средняя скорость движения — не более 20—30 км час. В любительских конструкциях эти параметры будут, вероятно, еще меньше.

Выбор типа и емкости батарей, рабочего напряжения зависит, разумеется, от характеристики проектируемой конструкции применяемого электродвигателя, возможностей приобретения. Однако несколько общих моментов следует учесть.

РЕЖИМ РАЗРЯДА

Обычно приводимые в справочниках емкости определены в длительном (десятичасовом) режиме разряда. Кислотные батареи имеют несколько лучшие удельные характеристики, определенные для этого же режима. Поэтому, если рассчитывать батарею на работу в течение 8—10 часов, можно для уменьшения габаритов и веса отдать предпочтение кислотным аккумуляторам. Иначе (рис. 1) обстоит дело при более коротких режимах разряда. С ростом тока разряда емкость свинцово-кислотных батарей резко падает. Например, увеличение тока в 5 раз сокращает емкость вдвое. Щелочные батареи имеют в этом отношении преимущество, так как их емкость при увеличении тока в 10 раз практически не изменяется.

ЗАВИСИМОСТЬ ЕМКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Емкость аккумуляторов зависит от температуры и с охлаждением батареи уменьшается. Поэтому на электромобиле можно ездить только летом.

Емкость щелочных батарей снижается при низкой температуре значительно меньше (рис. 2).

НАПРЯЖЕНИЕ БАТАРЕИ

Напряжение одного кислотного аккумулятора составляет 2 в, а напряжение одного щелочного — 1,25 в. Поэтому при равном напряжении батарея щелочных аккумуляторов должна состоять из большего числа элементов, чем кислотная.

Напряжение батареи изменяется в зависимости от режима работы. На рисунке 3 приведены для примерз кривые разрядных напряжений щелочной батареи емкостью 60 а•ч с номинальным напряжением 12 в при разряде различными токами. Из графика видно, что с увеличением тока разряд происходит при более низком напряжении и в процессе разряда напряжение снижается. Оно падает из-за внутреннего сопротивления.

При прочих равных условиях падение напряжения в свинцово-кислотных аккумуляторах несколько меньше, чем в железо-никелевых щелочных.

СРОК СЛУЖБЫ

Современные свинцово-кислотные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы. На автомобилях свинцово-кислотные батареи служат обычно два-три года, а при интенсивной эксплуатации — год-полтора. Правда, если машина будет работать только летом, батарея доживает до 5 лет.

Жизнь свинцово-кислотных аккумуляторов на электромобиле будет куда более суровой. Батарея будет постоянно подвергаться глубоким разрядам значительными токами. При этом срок службы резко снизится. (Срок службы батареи удобно оценивать в циклах «заряда — разряда», которые выдержит батарея до выхода из строя.) Если аккумулятор разряжать током 0,3 С10, то срок ее службы может составить до 250—300 циклов, а при разрядах током 0,5 С10 вряд ли превысит 200 циклов.

Срок службы щелочных железо-никелевых батарей значительно выше (600—1000 циклов). Кроме того, он значительно меньше зависит от величины разрядного тока.

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ МЕРЫ

Электролиты — серная кислота и щелочь — весьма активные химические реактивы. Проектируя модель или большой электромобиль, не забывайте об этом. Выбирайте лишь такие типы аккумуляторных батарей, которые специально предназначены для использования в различных подвижных или переносных объектах. Такие аккумуляторы обязательно имеют прочные баки, герметические крышки и пробки, не дающие выливаться или выплескиваться электролиту. Контейнер для аккумуляторной батареи должен быть сделан из химически стойких материалов или иметь стойкие покрытия, а провода, преходящие вблизи батареи, — заключаться в резиновые или хлорвиниловые шланги. Желательно, чтобы контейнер для аккумуляторов имел вентиляционные отверстия. (Основные размеры и емкости некоторых типов щелочных и кислотных аккумуляторов будут приведены в № 6, 1969 г.)

Ю. МАЙЗЕНБЕРГ, кандидат технических наук, НИИ автотракторного электрооборудования и приборов

ЭМК-66

Так называется электромобиль, созданный Юрием Яковлевичем Коршуновым, техником одного из московских предприятий.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ АВТОМОБИЛЯ ЭМК-66

Передаточное число с оси двигателя на ось колеса … 13
Аккумулятор … 2Н КН-24
Скорость, км/час … 22
Габаритные размеры, мм:
Длина … 1200
ширина … 475
высота (по стеклу) … 510
База, мм … 745
Колея, мм … 415
Дорожный просвет, мм … 110
Радиус поворота, мм … 1500
Вес кг … 50

ДВИГАТЕЛЬ МУ-431 И РЕДУКТОР с передаточным отношением i = 13 расположены на маятнике подвески. Колеса диаметром 200 мм взяты от детской коляски. (В предыдущих конструкциях применялась четырехступенчатая коробка передач, чтобы выявить ходовые возможности электромобиля. С передаточным отношением і = 75 он брал на удивление крутые подъемы.)

РАМА представляет (рис. 3) два прямоугольника, сваренных из уголков 20 X 20 мм. К переднему шарнирно крепится подвеска переднего моста. Снизу заднего приваривается кронштейн для крепления маятников подвески.

ЗАДНИЙ МОСТ состоит из оси Ø 12 мм, которая вращается в двух подшипниках, укрепленных на маятниках. На левом маятнике расположен электродвигатель и редуктор.

КУЗОВ открытый, выполнен из деревянных брусков и фанеры. Продольные бруски ложатся на полки уголков рамы. Кузов крепится к ней двумя болтами спереди и сзади.

ЩИТОК УПРАВЛЕНИЯ (рис. 2) — панель, на которой укреплены: вольтамперметр, переключатель хода «вперед — стоп — назад», а также педаль хода и педаль торможения.

Конструкция ходовой части и особенно кузова может быть и иной — все зависит от фантазии и умения.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА. На ЭМК-66 установлены две батареи по пять щелочных аккумуляторов 2 НКН-24 в каждой. Напряжение одной батареи — 12 в. В момент пуска и «среднего» хода они включаются параллельно, на «полном» ходу — последовательно. Переключение осуществляется контактами Р2—1 и P2—2 контактора Р2 (рис. 4).

Электродвигатель типа МУ-431 (или другой такой же мощности) позволяет электромобилю развивать скорость до 20 км/час с грузом 160 кг, а с одним четырех — пятилетним водителем — 25 км/час.

Рассмотрим цепь питания электродвигателя при движении вперед. Переключатель хода 1П ставим в положение «передний ход» — замыкаются контакты питания 7-8, торможения 4-5, блокировки 1-2. Затем нажимаем на педаль хода 2П: включаются контакты 2П1 и 2П3 При этом контактор Р1, срабатывая, замыкает цепь Р1—2—1П7—8 — шунт амперметра R3 — Б1Б2. В то же время Р1 самоблокируется контактом Р1—1, так как при дальнейшем ходе педали 2П контакт 2П1 размыкается и замыкается контакт 2П2 (рис. 5). Теперь на электродвигатель поступает напряжение 12 в от параллельно соединенных батарей. Получив питание через 2П2, срабатывает контактор Р2, который переключает батареи Б1, Б2 последовательно. В результате на электродвигатель подается 24 в, что соответствует полному ходу.

Чтобы уменьшить скорость, притормозить, водитель должен нажать педаль торможения 3П, что приводит к отключению контакторов Р1 и Р2 и переключению батарей на параллельное соединение. Одновременно замыкается контакт стоп-сигнала К и загораются лампочки стоп-сигнала Л3, Л4. Быстрота торможения зависит от номинала резистора R2. Обычно его сопротивление подбирается в пределах 3—8 ом.

Включение заднего хода — реверс двигателя — производится переключателем 1П: замыкается контакт 1П7-9.

При этом, чтобы избежать резкого толчка, контакт 1П1-2 разрывает цепь питания электродвигателя. Электромобиль останавливается. Движение назад начнется только после того, как водитель полностью отпустит и снова нажмет педаль хода 2П.

Теперь о некоторых деталях схемы. Переключатель хода 1П можно сделать самому или применить телефонный ключ с контактами, выдерживающими ток до 30 а.

В конструкции использованы автомобильный гудок, фары от велосипеда и лампочки на напряжение 6,3 в и ток 0,28 а.

Реле-контакторы Р1 и Р2 должны быть рассчитаны на срабатывание от 12 в, а их контакты — на ток не менее 30 а. Этим условиям отвечают контакторы ТКД-511ДД, 102ДТ, 133ДТ, ТКС-101ДТ.

В схеме предусмотрен контроль напряжения батарей и величины тока в цепи электродвигателя. Оба этих параметра измеряются одним прибором — миллиамперметром, который кнопкой Кн1 переключается в режим вольтметра со шкалой 30 в. При этом номинал резистора R1 зависит от типа миллиамперметра. Например, для шкалы в 1 ма сопротивление R1 должно быть равно 30 к.

Шунт Rз — для работы прибора в режиме амперметра со шкалой 30 а — лучше всего приобрести з магазине.

Заманчивые перспективы для электромобилестроения сулят топливные элементы, которые при помощи так называемого холодного сжигания топлива превращают энергию химических реакций в электрическую. Такого типа элементы получили общее название электрохимические генераторы (сокращенно ЭХГ). В качестве источников электрической энергии ЭХГ применяются на космических кораблях. Для электромобилей они пока что дороги и небезопасны, так как в них сжигается чистый водород и кислород.

Но все же ЭХГ постепенно «спускаются на землю». Жители отдаленных деревень Шварцвальда (ФРГ), например, принимают телевизионные передачи через ретрансляционные станции, источник питания которых состоит из таких топливных элементов. Каждый из них дает ток, почти постоянно равный 0,2 а при напряжении 0,6 в. Элементы соединяются между собой в последовательно-параллельные группы для получения в режиме нагрузки тока 2,5 а при напряжении 9,6 в.

Идея «электрификации» колесных машин в Англии уже вышла за рамки автомобилестроения. Недавно там был спроектирован электрический мотоцикл. Его скорость регулируется поворотом ручки — включается одна или обе шестивольтовые аккумуляторные батареи от легкового автомобиля. Эта маленькая машина длиной чуть больше метра и весом 55 кг может развивать скорость до 40 км/час и имеет запас хода 24 км. Питание электромотоцикл получает от осветительной сети с помощью встроенного зарядного устройства.

Ю. КОРШУНОВ

Педальный без педалей

Я решил начать с малого — снабдил электромоторами с аккумуляторами педальный автомобиль. Это была сенсация детского парка. По дорожкам его раскатывал малыш, а под кузовом машины не было видно быстро мелькающих ног. Изумленные прохожие расспрашивали меня об устройстве машины. А оно в общем несложно.

Реконструируя автомобиль, я начал с силовой передачи, а корпус и раму оставил без изменения. Тяги, педали и пружинные амортизаторы удалил. Вместо коленчатого вала выточил вал из прутка стали «серебрянки» (рис. 1). Заднее левое колесо по-прежнему осталось ведущим. Связь двигателя с ведущим колесом — жесткая (нет никаких фрикционных передач и мягких муфт). Заднюю ось укрепил на текстолитовых кронштейнах (рис. 2) и установил в шарикоподшипниках. Кроме того, нужно изготовить втулку с фланцем (рис. 3).

Это основные детали, которые придется сделать самому. Они выполнены из дюралюминия марки Д16Т. Остальные берутся готовыми. Машина оборудована передним и задним освещением, указателями поворотов, звуковым сигналом.

На рисунке 4 показан сборочный чертеж ведущего узла. Центральные отверстия шайб 2, 3 рассверливаются до диаметра 17 мм. Распорные втулки 15 и 16 на деталировочных чертежах не показаны, так как длина их зависит от ширины подшипников. В моей машине длина их — 12 мм, а диаметры 16—8 и 12 мм, 15—22 и 17 мм. При креплении кронштейнов к лонжеронам между ними необходимо проложить резину толщиной 8—10 мм. Дно автомобиля закрывается фанерным листом толщиной 6—7 мм. Схему полупроводникового преобразователя для сигнала можно взять из журнала «Радио» № 8 за 1965 год (стр. 28, рис. 2). Зарядное устройство, обеспечивающее зарядный ток для всей батареи не менее 10 а, применяется любого типа.

Чтобы уменьшить вес автомобиля, можно применять аккумуляторы НКН-22, но тогда запас хода уменьшится вдвое.

ДВИГАТЕЛЬ

К двигателю предъявляются серьезные требования: он должен иметь большой пусковой момент, быть предельно экономичным (обладать высоким к.п.д.), выдерживать перегрузки.

В качестве такого двигателя в моей машине использован умформер. Его высокая сторона практически не используется, щетки удаляются для уменьшения момента сопротивления.

Редуктор с общим передаточным числом і = 35 — от ручной электрической дрели. Смазка такого редуктора жидкая. Специально изготовленный кожух служит для защиты шестерен от механических повреждений.

Двигатель крепится к текстолитовой или фанерной плате толщиной 10 мм, которая, в свою очередь, соединяется с лонжеронами рамы винтами.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

Двигатель управляется переключателем П1, (рис. 5), расположенным на щитке водителя.

Четыре позиции переключателя соответствуют трем «скоростям» движения и нейтральному положению. Во время хода коммутируется только обмотка якоря, а обмотка возбуждения постоянно подключена на напряжение 7,5 в.

При положении переключателя «0—0» обмотка якоря обесточена. При положении «1—1» она питается не от всех аккумуляторов, а только от пяти, что соответствует «первой скорости». При положении «2—2» используются шесть аккумуляторов — двигатель развивает «вторую скорость». Движение назад обеспечивает положение «3—3», когда якорь подключается на пять аккумуляторов в обратной полярности.

В передние фары устанавливаются лампы Л1 и Л2, включенные параллельно на полное напряжение 7,5 в. Выключаются они тумблером Вк1, расположенным на щитке водителя. Матовые плафоны лучше заменить рифлеными — от велосипедных фар — и закрепить их уплотнительными кольцами из алюминия или другого материала.

В задние фонари вставляются по 2 лампы: Л4, Л5 — на напряжение 2,5 в; Л9, Л10 — 3,5 в.

На лампы Л9, Л10 во время езды тумблером Вк2 подается напряжение 7,5 в. Кроме того, при остановке машины, когда переключатель П1, устанавливается в нейтральное положение, вместе с Л9 и Л10 загорается сигнальная лампочка Л8 в кабине водителя (если тумблер Вк2 разомкнут). При включении тумблера Вк2 лампа Л8 шунтируется.

В указателях поворота — задних Л4, Л5 и передних Л3, Л6 — роль «мигалки» выполняет барабанчик со щетками, который приводится во вращение от микродвигателя Д2 через редуктор. Двигатель и лампа Л7, расположенная на щитке водителя, включаются в левую или правую цепь тумблером П2. В нейтральном положении П2 контрольная лампа разрывает последовательность цепи — указатель не работает.

Гудок для машины легче всего взять от мотоцикла. Но такой сигнал потребляет большой ток, а так как маленькие водители любят им пользоваться слишком часто, это может сократить запас хода. Поэтому в качестве сигнала на моей машине использован полупроводниковый преобразователь напряжения с трансформатором, вторичная обмотка которого нагружена на динамический громкоговоритель 1ГД-9. На вторичной обмотке получается переменное напряжение с частотой 350—400 гц. Громкоговоритель располагается впереди под облицовочным колпаком.

Аккумуляторы устанавливаются в боковые ниши по три в каждой и изолируются от корпуса автомобиля резиновыми прокладками. Ниши закрываются крышками, изготовленными из любого листового материала (фанеры, винипласта).

Монтаж силовой части ведется проводом сечением не менее 4—5 мм², остальной монтаж — проводом 0,5— 0,75 мм².

В схеме предусмотрена защита двигателя от внешних коротких замыканий и перегрузок. Эту роль выполняет автомат защиты сети АЗС-5, связанный с ножной педалью (рис. 6). Трогаясь с места, водитель должен придерживать педаль, чтобы автомат не выбило от пускового тока. При столкновении с препятствием или при обратном ходе машины, когда она двигается еще в прямом направления, ток увеличивается и автомат срабатывает. В исходное положение его можно вернуть, нажав на педаль. Кстати, именно таким образом от аккумуляторной батареи отключаются все потребители электроэнергии.

Автомобиль эксплуатировался один летний сезон. За это время не было поломок в механической и электрической частях. Автомобиль очень прост в управлении (рис. 7). А о том, какое удовольствие доставляет такая машина ребятам, говорить не приходится.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Напряжение бортового питания — 7,5 в (6 аккумуляторов НКН-45).
Емкость аккумуляторных батарей — 45 а/ч.
Двигатель шунтовой; его характеристика: напряжение 6 в, номинальный ток 5—6 а.
Скорость хода (с водителем весом 20 кг) — 4 км/час.
Запас хода при одной полной зарядке аккумуляторов — 8—10 час.
Вес автомобиля не превышает 30 кг.

ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ:

номинальное напряженке — 6 в; номинальный ток возбуждения — 0,6 в; номинальный ток якоря — 5,5 ÷ 6 а;
пусковой ток — 10 ÷ 12 а;
скорость холостого хода — 3000 об/мин;
потребляемая мощность — 50 вт.

Л. ГРАЧЕВ, инженер, г. Томск