研究・解説

2015年05月09日

ドリチャレ7

今回製作の車両は『ドリームチャレンジャー7号』になりますネ。

前作6号とは全く違うコンセプトの車にしようと思っています。
6号は一言で言うと「初心者でも簡単に扱える汎用エコランカー」を目指しました。
視界が良く、身長がある程度高くても乗れる。ガソリンエコランにもコンバートできる という車でした。
DSCF7090-Rszd

ドリームチャレンジャー6号↑

7号はちょっと性能を追ってみようかと思っております。
本気でやるには車体の設計の他レースオペレーションやドライバーのスキル等々課題は色々ある訳ですが、それらも追々考えるとして、そんな訳で車体設計もそれなりに意を決し覚悟を決めて開始しましょう

DC7-S

・まず車体は小型で軽量なほど有利です。
・車輪はエコラン用タイヤがある主流の14インチタイヤとします。
・ホイールベース1000mm、トレッド380mmとします。
小型化の観点からそれぞれなるべく短い方が良いのですが、Ene−1大会への参加も出来るようにレギュレーション一杯の寸法とします。
とは言えこれでもかなり小型でドライバーにとってはかなり窮屈な寸法です。
・走行するコースを想定し、目標旋回半径を決め、車輪の稼働範囲を確認します。
・車輪の隙間にドライバーを配置し、それらを覆うボディ形状を決めます。
・フレーム構造やステアリング機構を決めていきます。
・具体的に一つ一つの部品を設計し、図面を出力します。

このような手順で設計を進めていきます。
部分ごとにいきなり完璧な「正解」を導こうとせず、まずは全体像を描いていき、徐々に精度を上げていきます。
実際の乗用車の設計でもそのように段階的に設計を進めていきます。

設計は主に八王子キャンパス機械設計科1年生が担当しますが、もちろん皆車輛を設計した経験はありませんので、私顧問が最初の叩き台を作成します
そのあと精度向上や図面の作成はガッツリやってもらいます。
まだ授業でも教わっていない事を実践していかなければいけませんが、やり遂げたらしっかり実力がつくことでしょう

さてどんなものが出来るのか? 出来ないのか??!


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2006年10月17日

昇圧(ブースト)回路2

昇圧(ブースト)回路の前に、まずは電気の基本的な事から。電気回路を勉強するときに基本素子が三つ出てきます。今回の回路において役割別に見てみると、一つ目は抵抗、これは電気エネルギーを別のエネルギーに変換して消費する素子(ここではモータとする)。次はインダクタンス(コイル)、これは電気エネルギーを加えると消費せずに一時的に電磁エネルギーへ変換して蓄える素子、最後にキャパシタ(コンデンサ)、この素子も電気エネルギーを加えると静電エネルギーとして蓄積する素子です。

この三つを用いた基本構造です。

11

 

 

 

電源(バッテリー)にコイル、コンデンサ、ダイオード、スイッチ切り替え用トランジスタ、モータで構成されています。これだけで昇圧(ブースト)が可能です。ただ、単純にスイッチ切り替え用のトランジスタでOn、Offを繰り返すだけです。その動作を見てみましょう。

まず、Onの状態の回路から。Onの状態ではトランジスタ部分の方が電流を流しやすいため、電流はそちらを流れます。したがってモータ部分は電源が切り離されてしまいます。しかしコンデンサが電源と同等の電荷を蓄えているため、コンデンサが電源の役割を果たして、モータは回転しています。そのときの回路がこちら。

昇圧1

 

 

 

 

 

次にOffの状態、この時は電源はモータに接続されていますから、電源から電気の供給を受けています。さらに!コイルが蓄えた電気も、このとき供給されます。つまり電源を二つ直列に接続したのと同じ効果があります。これによって、入力電圧よりも大きな出力電圧を出していま。これが昇圧回路です。

昇圧2

 

 

 

実際には、上乗せしたい電圧に応じてコイルを選ばなければいけませんし、流れる電流が大きいため、スイッチングトランジスタも注意して選ばなければいけませんが、原理は簡単です。

今回は予選で昇圧回路を用いましたが、レース残り5分でベストラップをたたき出したのは、この回路のおかげです!

使ってみようかな〜と思っている方、ぜひ、お試しあれ!(担当 suga)

 

 

 

 



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2006年10月16日

昇圧(ブースト)回路

今回参加したDream Challenger IIには強豪チームでは当たり前の回路ですが、我がチームでは初の昇圧(ブースト)回路が搭載されていました。この回路は読んで字のごとく、電圧を上昇する回路です。もちろん、無尽蔵に電圧が上がるわけではないですよ。バッテリーから取り出せる電気の量は決まっていますから、電圧を上げて電気を多めに取り出せば、バッテリーの使える時間は短くなってしまいます。ですので、レース終盤などに電圧が落ちてきた時に電圧を上昇させて、バッテリー内の電気を最後まで搾り出して走行するためのものです。

写真が搭載した回路です。

昇圧

 

 

 

 

次回はこの昇圧(ブースト)回路のお勉強を。(担当 suga)



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2006年07月23日

PWMを作りましょう3

今回は実際に回路を作製して見ましょう。

まずは回路図、今回は入力電圧が12Vまでの場合です。WEMで使用するにはICに加わる電圧を下げるために三端子レギュレータなどを加えてください。また、現在ではPWM用のICが数多くありますが、入手しやすい部品で回路を考えて見ました。この回路はMosEFTの部分でONとOFFを切り替え、モータへの電圧供給を制御しています。そのMos FETでのONとOFFの比(デューティー比)はTimer IC555で制御しています。そしてデューティー比はボリュームVRにより変化します。PWM回路

 

 

 

部品がそろったら作製です、テスト用にブレットボード上で回路を組み立ててみましょう。
部品接続回路

 

 

 

完成したら、テストです。ボリュームを上げて見ましょう。

波形1波形2

波形3

 

 

 

左の写真ではONの時間がない状態です。ボリュームを上げていくとONとOFFの比が変化していきます。

テストの結果、問題なくPWM回路が出来上がっています。

今回のPWM回路は比較的簡単に出来上がりますので、一度組み立てて見てはいかがでしょうか?(担当 菅)



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2006年07月20日

PWMを作りましょう2

今回はPWMって何について。

前回紹介した一定の電源電圧を供給している場合、モーターに掛ける電圧だけを変化させるには、抵抗などで電圧を下げなければなりません。つまり、余計な電力を消費することによって、モーター電圧を可変させるわけです。これでは効率が悪いと前回書きましたね。そこでPWMです。

PWMはパルス幅変調(Pulse Width Modulation)方式と呼ばれる手法です。モータ3図のように常に電圧を加える制御と違い、電圧をONとOFFが繰り返されるパルスに変化させます。DCモータは高速でON→OFFを繰り返しても、動く→止まるが起こりません。電源電圧の供給が止まってもモータはピタッと、急には止まりませんよね。その特性を利用しています。この時、モータに加わっている電圧はONとOFFの平均値です。ONとOFFが同じ幅で繰り返された場合(ON 時 2V、OFF 時 0Vとすると)、電圧はON時の半分{(2+0)÷2=1V}がモータに供給されます。ですのでモータは電圧が1V供給されたときの回転数を示します。では、なぜパルスに変換すると速度制御が出来るのかいうと、ONにする時間とOFFにする時間の比を変えてあげることにより平均値が変化するからです。この比をデューティー比といいます。ONの時間が長く、OFFの時間が短ければ平均電圧は大きくなり、逆にONの時間が短く、OFFの時間が長いと平均電圧は小さくなります。このデューティー比を制御してモータに供給される電圧を制御しているのがPWMです。

次回は実際に回路を作ってみましょう。(担当 菅)



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2006年07月15日

PWMを作りましょう

WEMではPWM回路を搭載しているチームが多くあります。また、特電モータの場合にはPWMコントローラが内臓されています。

今回はPWMについての解説を。まずは何故必要か?という所から。

バッテリーをモータに直結している場合を考えましょう。この場合には、どうやってモータを制御していたかを、電気の基本である「オームの法則」を使って説明しましょう。

オームの法則は「電圧(V)=電流(I)×抵抗(R)」ですね。

モータ1WEMでは電圧(バッテリー)は定格24Vですので、電圧一定とすると、ボリュームR(可変抵抗)を変えることによって、流れる電流Iが変化します。これによりボリューム部分で(流れる電流(I)×可変抵抗値(R))が消費されます。したがって「24V−(流れる電流(I)×可変抵抗値(R))」がモータに加わる電圧になります。モータに加わる電圧が変化すると回転数が変化します。モータの回転数は電圧が大きくなると上がり、小さくなると下がります。回転数が上がると当然スピードは速くなります。じゃあ、電圧を大きくして速く走ればいい!といかないのがWEMです。なぜかというと、電源(バッテリー)は流れる電流量と流す時間によって消費され、電圧が下がってしまいます。大きい電流(スピード速)では短時間でバッテリーがなくなってしまい、小さい電流(スピード遅)ではバッテリーが余ってしまいます。時計のような電流をほとんど使わないものでは長期間電池交換しませんよね。WEMでは決まったバッテリーで、決まった時間内にどれだけの距離を走れるかを競うものですから、スピードが速くても距離が短ければダメなのです。

モータ2したがって、電流が大きすぎて時間内にバッテリーがなくならないように、あるいは小さすぎてバッテリーを使い切れず残ってしまわないように、時間ピッタシ(+若干の余裕)でバッテリーを使い切る電流の値を選定して走らなければいけません。

このモータに加わる電圧を変化させる場合には、バッテリーとモータにかかる電圧との電位差がすべて熱に変換されてしまうため、エネルギーの変換効率が良くありません。そこでPWMを使ってみましょう。

では、PWMって何?については…

長くなったので次回。(担当 菅)



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2006年06月04日

WEM 2006 プリウス ハイブリッドの実力

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昨日(6月3日)の続きです。

今回使用したトヨタのハイブリッドカー“プリウス”の実力はどうであったかといいますと、これはもう「素晴らしい!」のひとことでした。
モーター駆動〜エンジン駆動切り替わりの違和感はまったく感じられず、無駄なエネルギー損失は極力抑えて低燃費を実現し、なおかつ必要な時には実にパワフルに走ってくれます。今回は高速道路あり、街中あり、砂利道あり、男鹿半島の上り下り道ありという状況でしたが、最終時に算出した燃費は1リッターあたり20キロをちょっと越えていました。実は、決勝の日(5月5日)はあまりにも寒く雨も降っていたので、レースとレースの間の待機時間にはクルマの中に入ってヒーターで身体を温めたりしていましたので、走行していないにもかかわらずエネルギー損失をしてしまいました。ですから、純粋な走行による燃費はもっと良かったことになりますね。
画像はプリウスのナビ画面ですが、エネルギーの使用モニターに切り替えることもできます。画像の時にはバッテリーからの電気エネルギーのみで走行していますから、瞬間燃費が99.9キロと表示されていますね(だって、この瞬間はガソリンを使用していないんですから・・・・)。

いつも使用しているビッツ君でも、秋田走行でリッター20キロに到達することはまずありませんから、プリウス君の勝利というところですね。ちなみにビッツ君は、いざというときのパワフルさに欠けるところもあります。
レンタカーの従業員さんのお話では、プリウスは希望者が非常に多くて稼働率がとっても良いとのことです。今回我々が使用したプリウス君も、すでに6万8000キロも走行していました。

プリウスに関しては由良先生も試乗レポートをしていますから、ぜひそちらもお読みになってみてください。クルマのことを知り尽くした由良先生もベタ褒めしていますよ。

環境問題に非常に敏感なアメリカのハリウッドでは、ハリソン・フォードやキャメロン・ディアスなど映画界の大スターが続々とプリウスを使用して、新しいライフスタイルを実践しているのだそうです。
電気エネルギーによるエコラン競技であるエコノムーブは、まさに時代の最先端なのですね。このブログをお読みいただいている高校生の皆さん、我々のチームで一緒にやってみませんか?

by Nakajima 



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2006年06月03日

WEM 2006 移動手段

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前回(5月31日)趣味色の強い書き込みをしてしまった、自転車ファンのNakajimaです。
休日の午前中の都心は働く人々の姿も少なくひっそりとしているのですが、そんなときに自転車で走り回っていると、良くテレビのロケに出くわします。先日は『日曜日の朝に地球を悪の手から救ってくれている、色とりどりの戦隊』の撮影を隅田川沿いでしていましたし、ちょっと前には『トレイン・マン』(←本当のタイトルは日本語)のロケにもであいました。 自転車散歩には、こんな楽しみもあるのですよ。

さて、自転車のことはもうお終いにして今度は自動車のお話です。
エコノムーブの大会は比較的広いスペースが必要となりますので、郊外で行われることが多いのです。大潟村はエコノムーブの大会には最適なところですが、郊外というか、ものすごく田舎なのです(大潟村の住民さんゴメンナサイ)。ですから移動には自動車が必要不可欠となります。我々が大潟村に行くときには、秋田空港からレンタカーを使用することが多いのですが、今回は約2ヶ月前から予約してプリウスを借りました。

だって、環境に優しい“電気エネルギー車のエコラン大会”に行くのに、限りある化石燃料のガソリンをバンバン使用して、排気ガスをブンブン出す自動車を使用していては、大会の趣旨を無視することになってしまうからです。
いつもは低燃費のヴィッツを使用していますが、今回はハイブリットのプリウスを使用して、環境に対する優しさ比べをしてみたということです。

by Nakajima 



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2006年05月28日

WEM 2006 スーパーパワーキャパシター

2305画像は燃料電池部門に参加していたチーム「オズの魔法使い」(NISSAN DIESEL)さんの“アドブル〜”です。
もちろん燃料電池は地球に優しいこれからのエネルギー源として、いま最も注目されている技術ですが、NISSAN DIESELさんが会場に非常に興味深いトラックでいらしていたので、今回はこちらを紹介させていただきます。

こちらの画像が会場に来ていた“キャパシターハイブリッドトラック”です。
28012802

 

 

 

2803

 

 

 


詳しい説明は日産ディーゼルさんのホームページでご覧に成っていただいた方が絶対に確かだと思いますが、NOxを約44%、PMを約66%低減してなおかつ燃費が約1.5倍(現行ディーゼル車比)というのはスゴイですね。

エコノムーブでもブレーキ時のエネルギーをキャパシタに蓄えて、加速時に利用する技術はいろいろなチームが採用しています。大潟村のコースのように、定期的(折り返し時)に減速が求められるような場合には、減速時のエネルギーを絶対に無駄にしないことが上位入賞のために必要な条件となります。数年前までは容量の大きいスーパーキャパシタはものすごく高価だったのですが、最近はだいぶ値下がりしてきたようです。
それに対してトヨタスタジアムの周りを廻る、ほぼ円形のコースで行われるWEM in とよた大会では大きな減速・加速はあまり行われませんので、「キャパシターの効果はあまりない」と言われています。

by Nakajima 



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2006年05月23日

WEM 2006 ボディーの形状 その2

WEM2006 で撮影できたエコノムーブの画像を、まとめて紹介させていただきます。 一部以前にも紹介させていただいた画像が含まれますが、ご了承ください。 それから Nakajima のレベルでは技術的な評価はまったくできませんので、とりあえずほぼ同じサイズ・同じ角度で撮影できたものを何の意図もなしに掲載させていただきます。ご覧になった方がそれぞれ技術的な評価をするうえで、参考にしていただけますと幸いです。

4bda39a5.jpg


東海大学さんのファラデーマジック2
きれいな涙滴型ですね

2302
スーパーエナジーさんのGRIFFON
前後輪とも14インチで、ぺっちゃんこです

2303
team BIZONさんのGILLESO VI
こちらも典型的な涙滴型ですね

2304
栃木県立今市工業高校Aさんのトキ
なんだかクジラを連想してしまいました

2311
東京工業大学MeisterさんのTrilobit
カクカクしたルーフが特徴的です

2305オズの魔法使い(NISSAN DIESEL)さんの
アドブル〜です(燃料電池部門)
TGMY Ashidaさんと同じボディですね

2306
何回も紹介させていただいた、池上先生の
ミラクルでんち君です

2307
“ヨイショット!”ミツバさんのTesla800
燃料電池部門に参加していました

2308
first step AISIN AWさんのつばさ52号です
WEM2006では準優勝でした

2309
“ヨイショット!”ミツバさんのUSO800
有名なファンシーキャロルと同型です

2310
team ENDLESSさんのCALPAS
『勝手にベストデザイン賞』に輝いています

「カッコ良い車両は性能も良い」と、由良先生と池上先生が異口同音におっしゃっていましたが、こうして見ると「まさにそのとおり!」という感じですね。

by Nakajima 



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2006年05月22日

WEM 2006 ボディーの形状 その1

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WEM2006本戦 スタート直後の、いらゆる「ダンゴ状態」です。
こうやって見てみると、キレイな流線型(涙滴型)のエコノムーブが揃っていますね。

このような縦・横・斜めのどの方向から見ても連続的な曲面を3次曲面といい、空気抵抗を極限まで小さくするためには、流線型でなめらかな3次曲面のボディーが理想的なのです。
高速で走行するレーシングカーなどの場合には、コーナーリングなどの性能を良くするために路面にクルマを押しつける“ダウンフォース(Downforce)”という力が重要になります。そのダウンフォースを高速でボディーにぶつかる空気の力を利用して得るために、レーシングカーのボディー形状は計算されて作られています(この第一人者が「空気の見える男」 由良先生なのですね)。
エコノムーブの場合ダウンフォースが必要とされるような速度で走行することはなく、ただひたすら空気抵抗が小さい方が良いので、最近の主流としてはファラデーマジック2に代表されるようなボディーにほとんど凹凸の見られない単純な曲面で、いわゆる「なみだ型(涙滴型)」なのです。 (“単純な曲面”といっても、実は結構複雑なのですけど・・・)

by Nakajima 



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2005年06月22日

ボディ形状-2

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デコボコの無い滑らかな流線型のボディ形状も大切ですが、ボディ下面も重要なんです。東北・上越新幹線を開発した時に、ボディ下面に雪が付着しないように全面をカバーしたら、最高速が上がり、消費電力も低下したということを聞いたことがあります。
F1やGTカー、WRCマシンなどもプラットホーム(シャーシ)にアンダーカバーを着けています。目的はもちろん空力性能のアップ(ダウンフォースの増加)と補器類のカバーですが、空気をスムーズに流すというのは同じですよね。
エコランカーの場合、アンダーカバーの材料は何でも良いと思います。大きいサイズが手に入ればエンビ板でも良いと思いますよ。


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ボディ形状-1

6926cba0.jpg
燃費を良くするためには、目に見えない空気を見方にすることも重要です。前から見た面積(前面投影面積)を小さくして、デコボコが無い流線型にすることです。いろいろなデザインが考えられますが、WEMの覇者、ファラデーマジック(東海大学)のような形状が理想的だと思います。(ウーン、カッコイイ)
フロント部にはカウルを着けてはいるが、リア部にはカウルを着けていないエコランカーを見ることがあります。リア部のデザインはかなり重要で、形が悪いと負圧が生じ、後ろへ引っ張る力となってしまいます。ダウンフォースは重量が増すのと同じ働きをするので、必要ありません。いかに空気を乱さないかが重要です。
日本工学院でも涙滴形のボディーを作りたかったのですが、雄型、雌型の製作時間と予算の関係で今年も断念しました。(残念)安価で工作しやすいスチレンボードを採用したわけです。2次曲面で構成されたボディとなります。いつかはチャレンジしたいとおもっています。


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2005年06月08日

タイヤの空気圧

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タイヤの空気って、自然と抜けるんですよ。
写真は原チャリのタイヤですが接地面の減りの違いが判りますか?左上のタイヤは適正気圧のもの、その他は空気圧が不足しています。特に右上のタイヤはショルダー限界まで使っていますね(レーサー並にコーナーを攻めていれば別ですが・・・)1〜2ヶ月に1度は確認しましょう。エアゲージが必要となりますが、そんなに高くないですよ。空気を入れるには自転車用空気入れで充分です。
空気圧不足は燃費をかなり悪くします。自動車も同様です。メンテナンスが面倒な人は窒素ガスを入れてみましょう。
競技用自転車では10kぐらい入れるようですね。エコランマシンでは5K〜6kぐらい入れます。


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2005年06月07日

ベアリングのチューンアップ

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日本工学院のWEM車両はホイールのベアリングのグリスを抜き取っています。グリスの抵抗も結構バカに出来ないんですよ。抜き取りにはパーツクリーナーを吹きかけて回転させます。何回か行うと柔らかくなったグリスが出てきます。グリスを抜き取ると回転は、かなり軽くなりますが寿命は短くなりますので注意して下さいね。
あとグリスの替わりに、おなじみのKURE CRC 5-56(呉工業株式会社)もお使いだと思いますが、シリコーン スプレーもおすすめです。
続きを読む

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2005年06月03日

性能=スタイル

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写真は池上先生が製作した『ミラクルでんち君』です。初参戦の2003年秋田大会で優勝し、その後も常に上位入賞を果たしているのですが、実にカッコ良いですよね。
池上先生のお話では「性能とスタイルは比例する」とのことです。確かにボディーに無駄な突起があるようでは空気抵抗は小さくならないし、全体的なバランスも大切ですよね。さすがに道を究めた先生の言葉には納得させられます。
 


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2005年06月01日

ボディーの空力

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日本工学院が昨年参加した「WEM in とよた」では、途中で雨が降り出し、スクリーンが曇ってしまうアクシデントに見舞われました。そこで換気のために急遽エアダクトを取り付けたのですが、そのおかげで空気抵抗が増してしまい、何と平均速度で5Km/hも落ちてしまったのです。他にも理由があったかもしれませんが、他にこれといった理由が思い浮かばないので「空気抵抗、恐るべし!」と思ったのでした。


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