Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola Žďár nad Sázavou

Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola Žďár nad Sázavou proto přichází s inovativní myšlenkou, jak vnést prvky ekologie do světa závodních motokár.

Celý projekt byl zpracováván ve spolupráci a s podporou Kraje Vysočina a firmy KOVO Koukola s.r.o. Žďár nad Sázavou.

Standardně se v kategorii KZ závodí s motokárami vybavené dvoutaktními spalovacími motory od objemu 125ccm a výkonu přibližně 45 koní. Naší myšlenkou a poté i cílem bylo vymyslet a sestavit pohon k motokáře, který by pracoval čistě na elektřinu.

Jako základ byl použit homologovaný rám kategorie KZ, který vyrábí firma MS Kart Prachatice. Dále byl zvolen elektropohon a baterie k napájení. Nedílnou součástí pohonu je i programovatelný regulátor. Dále bylo nutné přizpůsobit ovládání motokáry na nový typ pohonu. Výsledkem našeho snažení je plně elektrická motokára, která je schopná svými parametry konkurovat profesionálním závodním motokárám této kategorie.

Obecné informace

Kart racing neboli závody motokár je silniční varianta motoristického sportu závodění na čtyřech kolech. Obvykle závody probíhají na zmenšených okruzích. Některé ze závodů profesionálních motokár se mohou jezdit i na plnohodnotných okruzích. Závody motokár jsou vnímány jako odrazový můstek pro postup do vyšších pozic motoristického sportu. Jako příklad lze uvést několik slavných jezdců Formule 1, kteří svou kariéru zahájili právě závoděním v motokárách. Nejznámější z nich jsou například Sebastian Vettel, Lewis Hamilton, Michael Schumacher a Fernando Alonso.

Motokáry se značně liší tím, jaké rychlosti jsou schopny dosáhnout. Závodní motokáry mohou jezdit i rychlostí vyšší než 160 km/h. Rekreační motokáry určené pro veřejnost jsou většinou omezeny na nižší rychlost.

Historie závodění

Obecně uznávaným otcem motokár je američan Art Ingels. Jako zkušení závodní veterán a výrobce závodních automobilů v roce 1956 sestavil první motokáru. Takzvaný Karting se stal velice rychle populárním a rychle se rozšířil do dalších zemí včetně Evropy. Prvním výrobcem motokár se stala americká společnost Go Kart Manufacturing co. V roce 1959 se stala firma McCulloch první společností, která se specializovala na výrobu závodních motorů určených pro motokáry. Prvním motorem typ MC-10 byl upravený 2-taktní motor z motorové pily. Později se upravovaly motory z motocyklů, zejména v 60. letech. Poté začali specializovaní výrobci, zejména v Itálii, vyrábět speciální závodní motokárové motory.

Podvozek

Podvozky závodních motokár jsou svařeny z Cr-Mo ocelových trubek. Vzhledem k tomu, že se zde nevyužívá žádné odpružení podvozku, musí být rám dostatečně pružný. Pružnost rámu musí být zaručena, aby docházelo k utlumení rázů. Zároveň musí být rám velice pevný, aby nedošlo k jeho poškození nebo přílišné deformaci v zatáčkách. Na rám působí při závodech velké síly, které ho deformují. Tudíž musí být dostatečně tuhý, aby byl schopný těmto silám odolávat. Všechny podvozky schválené pro závodění společností FIA jsou typu "Straight" a "Open". Rámy typu Straight se používají především pro sprintové závody. Rám typu Open je použit právě na motokáře, která byla stavěna na naší škole.

Tuhost podvozku značným způsobem ovlivňuje jízdní vlastnosti motokáry. Pro různé podmínky závodění se využívají různé tuhostní varianty. Za sucha je výhodnější používat tužší podvozek, za mokra nebo za zhoršených podmínek je výhodnější pružnější rám. Nejvyspělejší podvozky umožňují přidávat různé zpevňující prvky například vpředu  nebo vzadu, tím se reguluje tuhost rámu.

Profesionální závodní motokáry mají obvykle hmotnost 75-79 kg bez řidiče. Nejznámější výrobce kartových podvozků je u nás v ČR MS Kart Prachatice, jejichž rám jsme použili pro stavbu i my.

Brzdový systém

Pro brzdění se využívá systému dvou okruhových hydraulických brzd. Okruhy jsou rozděleny tak, že jeden ovládá zadní brzdu a druhý brzdy přední. Systém je možno regulovat tak, aby se seřídil poměr brzdného účinku mezi předními a zadními brzdami. Na zadní nápravě, která nemá diferenciál je jeden brzdový kotouč a třmen, tím že je náprava pevná, tak brzdí obě kola naráz. V předu je každé kolo vybaveno vlastní kotoučovou brzdou. Brzdový pedál ovládá dva brzdové válce, každý z válců vyvozuje tlak v příslušném systému zadní a přední brzdy.

Motory

Motokáry, se kterými se lze setkat v půjčovnách jsou osazeny buď spalovacími nebo elektromotory. Tyto motory mají ve srovnání se závodními stroji značně snížený výkon, aby nebyla ohrožena bezpečnost na trati. Závodní motokáry jsou vybaveny malými velmi výkonnými 4-taktními nebo 2-taktními motory.

Čtyřtaktní motory jsou standardní vzduchem chlazené jednoválcové pohonné jednotky s výkonem od 5 do 48 koní. Motory běží přibližně při 11 000 otáčkách za minutu a jsou konstruovány speciálně pro použití v motokárách.

Dvoutaktní motory vyvíjejí výrobci speciálně pro užití v závodních motokárách. Jejich objemy se pohybují od 60 ccm jednoválce až do 250 ccm dvouválce. Nejvýkonnější motory mohou dosahovat výkonu až 90 koní. Ovšem celosvětově nejpoužívanější jsou dvoutaktní jednotky s objemem 125 ccm. Motory jsou elektronicky omezeny na max. 16 000 ot. za minutu. Většina z těchto motorů jsou vodou chlazené.

Cílem našeho školního projektu bylo poskládat alternativní elektrický pohon, který by byl konkurenceschopný zmíněné dvoutaktní 125 ccm verzi závodních strojů. Konkurovat musí jak výkonem a zrychlením, tak hmotnostně, protože pravidla pro závodění jsou neúprosná.

Přenos hnací síly

Hnací ústrojí u motokár se spalovacím motorem se skládá z následujících prvků. Hnací jednotkou je motor. Kroutící moment vyvinutý motorem je přenášen do převodovky. Převodovka slouží k tomu, aby byl při různých rychlostech vždy využíván optimální kroutící moment motoru. Změnou převodového poměru dochází k tomu, že je motor využíván v ideálních otáčkách s maximálním využitím krouticího momentu.

Přenos hnací síly z hnací jednotky na zadní nápravu je zprostředkován řetězem. Řetězová kola na motoru i nápravě jsou odnímatelná, aby mohly být jednoduše měněny. Poměr řetězových kol musí být volen vhodně k podmínkám na trati, aby bylo vždy využito maximálního potenciálu motoru.

Motokáry nemají diferenciál. Z toho vyplývá, že jsou obě zadní kola napevno spojeny. Díky tomu dochází v zatáčkách k prokluzování kola, které je na vnitřní straně zatáčecího oblouku. Tento jev je eliminován konstrukcí podvozku. ta je navržena tak, aby vždy při zatočení došlo k nadlehčení kola, které je na vnitřní straně zatáčky. Tím je docíleno toho, že v zatáčce zabírá pouze vnější kolo a nedochází ke ztrátám výkonu prokluzováním vnitřního kola.

Vzhledem k tomu, že na naší motokáře s je použit elektromotor, který vyvíjí značný kroutící moment v podstatě od nejnižších otáček nebylo nutné do pohonu zahrnovat převodovku. Hnací systém je tedy řešen přímým řetězovým pohonem od motoru na zadní nápravu

Pneumatiky

Kola u závodních motokár jsou mnohem menší než například u automobilu. Ráfky jsou vyráběny ze speciální slitiny hořčíku, hliníku nebo z kompozitních materiálů. Pneumatiky musí být velmi kvalitní, protože při provozu musí odolávat přetížení větší než 2G. Motokárové pneumatiky se vyrábí ve více typech, podle určení a podmínek na závodní trati.

Slicky se používají pro suché podmínky. Pneumatiky jsou úplně hladké, bez vzorku, a ddávají se v mnoha typech složení směsi. Tvrdé směsi se používají pro zábavní účely. Mají menší přilnavost ale vysokou životnost. Měkké směsi se používají při závodech, pneumatiky mají vysokou přilnavost, ale velmi krátkou životnost.

Pneumatiky do deště, neboli pro mokré podmínky na tati, jsou rýhované, aby byl zaručen odvod vody ze vzorku. Pneumatiky do deště mají užší rozměr než slicky. Existují i speciální pneumatiky vybavené hroty pro jízdu na ledu.

Závodění

Závody motokár jsou vnímány jako nejekonomičtější forma motoristického sportu na 4 kolech. Tato činnost může být provozována jako volnočasové aktivita. Jedná se o sport regulovaný FIA, který umožňuje závodit s licencí komukoli od 8 let věku. Závodní skupiny začínají od 8 let a poté jsou po 3 letech rozděleny do jednotlivých věkových kategorií. Ve věku 15 nebo 16 let popřípadě dosažením hmotnostního limitu je dosaženo kategorie "senior".

Motokáry závodí v následujících kategoriích:

Sprint - sprintové závody se konají na speciálních tratích, jejichž délka může být od 400 do 1600 metrů.

Vytrvalost - vytrvalostní závody trvají od 30 minut až do 24 hodin s jedním nebo více řidiči. U tohoto typu závodu velmi záleží na rychlosti obsluhy v boxech a nejen na rychlosti na trati.

Plochá dráha - plochodrážní závody se jezdí na okruhu o délce 1/10 a 1/4 míle. Dráhy se skládají ze dvou rovin a 4 levých zatáček.

Průběh stavby školní motokáry

Montáž motokáry probíhala pod taktovkou pracoviště Strojírenská. Stavba byla prováděna ve spolupráci s firmou Kovo Koukola s r.o. Pro stavbu byl použit rám s funkčními prvky, jako jsou brzdy, řízení a zadní náprava, od firmy MS Kart sídlící v Prachaticích. Rám odpovídá homologacím FIA pro profesionální závodění a splňuje všechny potřebné parametry pro závodění. Jedná se o rám kategorie KZ. Ve škole byl instalován pohon, designová povrchová úprava motokáry a bateriový systém pro pohon motokáry.

Rám

Jak již bylo zmíněno pro stavbu bylo použit homologovaný závodní rám kategorie KZ od firmy MS Kart. Jedná se o typ podvozku Blue Phoenix. Rám je vyroben z trubek z oceli 25Cr-Mo4 o průměru 30 mm. Rozvor kol je 1045 mm. Průměr zadní osy je 50 mm.

Na rámu jsou osazeny hydraulické samostavitelné brzdy K Kart s automatickým seřizováním vůle mezi destičkami a brzdovým kotoučem, homologované CIk-FIA. Brzdové kotouče jsou vyrobeny tak, aby u nich probíhalo vnitřní i vnější chlazení, aby byl zajištěn dostatečný odvod tepla. Brzdný účinek lze pomocí ručně stavitelného šroubu regulovat poměrově na přední a zadní nápravu.

Na rámu motokáry je dále použit kožený volant MS Kart, hliníkové disky Douglas Wheel, laminátová sedačka a hliníková podlaha.

Zvláštností je například nastavitelná tuhost rámu pomocí vyjímatelných prvků. Přidáním výztuh v zadní a přední části lze zvýšit tuhost rámu.Vzhledem k tomu, že ve školních podmínkách bude motokára používána spíše pro propagační účely školy, než pro profesionální závodění, tak byly zvoleny pneumatiky s tvrdší směsí. Tyto pneumatiky mají vyšší životnost a pro školní provoz jsou vyhovující.

Pro lepší manipulaci a práce na motokáře je rám umístěn na praktickém montážním vozíku. Motokára se na vozík zvedá manuálně. Vozík lze složit a přepravovat s motokárou. Vozík je opatřen kolečky, pro lepší manipulovatelnost. Vozík má praktickou přihrádku a lze do ní umístit například věci potřebné pro montážní práce.

Pohon elektro-motokáry

Jak už bylo zmíněno v úvodu technické zprávy, standardně se v této kategorii motokár využívá 2T spalovacích motorů o objemu 125 ccm a výkonu přibližně 45 koní. Naší úkolem a částečně i výzvou bylo navrhnout pohon, který bude plně elektrický a zároveň by konkuroval svými parametry spalovacímu motoru. Dalším neméně důležitým úkolem bylo navrhnout systém řízení pohonu a v neposlední řadě napájení.

Pro pohon motokáry byl zvolen 3-fázový elektromotor značky Marten Power. Jedná se o ryze český výrobek, vyvinutý a vyráběný v Hradci Králové. Motor byl původně navržen pro pohon elektromobilu značky Kaipan. Motor je schopný vyvinout maximální výkon ve špičce až 60kW. Maximální otáčky motoru jsou 6000 min-1. Točivý moment motoru je přibližně 30Nm.

Převod kroutícího momentu na zadní nápravu je zajištěn válečkovým řetězem. Motor je přímo spojený s nápravou bez použití převodovky. Převodový poměr je 1:3,9. Poměr zubů hnacího a hnaného ozubeného řetězového kola je roven 11:43. Převodový poměr byl navržen, aby byl využit maximální potenciál motoru, zároveň musel být zohledněn montážní prostor dostupný v rámu motokáry.

Vzhledem k tomu, že je nutné plynule měnit otáčky motoru, aby bylo možné regulovat rychlost motokáry, musel být použit regulátor. Regulátor je použit od firmy Golden Motor. Jedná se o programovatelný regulátor výkonu motoru. V našich podmínkách je vstupní a výstupní napětí nastaveno na 50V a maximální výstupní proud omezen na 200A. Jednoduchým výpočtem lze dojít k závěru, že výkon motoru je omezen na 10kW. U regulátoru je možné využít rekuperaci, což je dobíjení baterie při brzdění. Rekuperaci lze využít buď při brzdění brzdovým pedálem nebo při uvolnění plynového pedálu. Záleží na umístění čidla, které spíná rekuperaci.

Baterie

Baterie slouží u elektrovozidla jako benzinová nádrž u stroje se spalovacím motorem. Aby byl zaručen uspokojivý dojezd a výkon, tak musí baterie splňovat určité parametry. Musí umožňovat dostatečně velký odběr vybíjecího proudu a musí mít dostatečnou kapacitu.

V naší školní motokáře byly použity standardní články, které mimochodem využívá i Tesla, a to Sony VTC 6. Jejich kapacita je 3 100mAh na 1 článek, což je 11,2 Wh. Nominální napětí jednoho článku je 3,6 V. Skutečné napětí by se při provozu článků mělo pohybovat mezi 2,5 a 4,2 V. V motokáře jsou použity celkem 4 baterie poskládané z těchto monočlánků. V každé ze 4 baterií je použito 84 monočlánků. Celkem tedy 336 monočlánků. Monočlánky v každé baterii jsou zapojeny 7x sériově a 12x paralelně. Z toho vyplývá, že nominální napětí každé ze 4 baterií je 25,2 V. Aby bylo dosaženo požadovaného provozního napětí 50V musely být baterie zapojeny 2x sériově a 2x paralelně. Vybíjecí proud může být až 150A z každé dvojice baterií, tedy celkem 300 A. Regulátorem je vybíjecí proud omezen na 200 A, takže nedochází k přetížení baterií. Maximální provozní teplota baterií je 80°C. Nosič pro baterie je vyroben z odolného materiálu sklotextit.

Aby bylo dosaženo vhodného rozložení váhy v motokáře, byly 2 baterie umístěny na pravou a dvě na levou stranu stroje.

Využití technologie Rapid - prototyping při stavbě

Vzhledem k tomu, že se na motokáře muselo vyřešit několik problémů s montáží dílů, pro které rám není připraven, byla hojně využívána jedna z metod Rapid prototyping, a to konkrétně FFF metoda 3D tisku součástí.

Převážná většina dílů, které musely být dovyrobeny k montáži jednotlivých prvků byly jako prototyp vyrobeny nejdříve na 3D tiskárně, poté po odzkoušení byly díly vyfrézovány z hliníkové slitiny a opatřeny povrchovou úpravou.

Jeden z vyráběných dílů je třeba rolna plynového pedálu. Vzhledem k tomu, že originálně je plyn připojen k pedálu lankem, tak muselo být vyřešeno uložení elektrického snímače místo plynového pedálu.

Ing. Voráček Rudolf

Zdroje

1.           https://cs.qwe.wiki/wiki/Kart_racing

2.           https://en.wikipedia.org/wiki/File:Shifter_Kart_Engine.jpg

3.           http://www.mskart.cz/new/cs/produkty/blue-phoenix