Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тенденции и перспективы развития силовых приводов с комбинированными дифференциальными передачами 11
1.1. Анализ бесступенчато-регулируемых силовых приводов 11
1.1.1. Бесступенчатые вариаторные передачи 15
1.1.2. Инерционно-импульсные передачи 18
1.1.3. Гидромеханические передачи 21
1.1.4. Гидростатические передачи 25
1.1.5. Электрические передачи 26
1.2. Анализ комбинированных дифференциальных силовых приводов 30
1.2.1. Разветвленные дифференциальные передачи 3 2
1.2.2. Двухдвигательные передачи 37
1.3. Выводы, постановка цели и задач исследования 51
Глава 2. Обоснование рациональных схем многопоточных комбинированных передач 55
2.1. Преобразующие свойства элементов силового привода 55
2.2. Аналитические связи в силовом приводе колесных машин 58
2.3. Многопоточные комбинированные передачи 63
2.4. Динамика дифференциального механизма колесных машин 71
2.5. Дифференциальные передачи с односторонними динамическими связями75
2.6. Замкнутые многопоточные передачи дифференциального типа 82
2.7. Разветвленные регулируемые передачи 93
Глава 3. Разработка конструктивной схемы комбинированной энергетической установки легкового автомобиля 105
3.1. Формальная постановка задачи оптимального проектирования 105
3.2. Силовой привод с комбинированной энергетической установкой параллельной схемы 106
3.3. Синтез КЭУ с планетарным дифференциальным суммирующим редуктором 112
Глава 4. Экспериментальное исследование многопоточных комбинированных передач в составе силового привода легкового автомобиля 122
4.1. Объект экспериментального исследования 122
4.1.1. Самоблокирующиеся дифференциалы 124
4.1.2. Комбинированная энергетическая установка 125
4.2. Аппаратура для экспериментальных исследований 128
4.3. Лабораторно-дорожные исследования топливно-скоростных свойств автомобиля с комбинированными передачами в силовом приводе 131
4.3 1. Испытания с самоблокирующимися дифференциалами 131
4.3.2. Испытания с комбинированной энергетической установкой 137
Выводы и заключения 141
Литература
- Бесступенчатые вариаторные передачи
- Аналитические связи в силовом приводе колесных машин
- Силовой привод с комбинированной энергетической установкой параллельной схемы
- Самоблокирующиеся дифференциалы
Введение к работе
Актуальность темы. К началу XXI века в машиностроении Российской Федерации сложилась ситуация, требующая качественного совершенствования как выпускаемой, так и создаваемой на перспективу продукции. Проблематичность улучшения качества и удовлетворения постоянно ужесточающихся требований к машинам, в частности автомобилям, предопределяется сложностью и противоречивостью их свойств.
Для повышения эффективности создания автомобильной техники удовлетворяющей требованиям ЕС, Правилами ЕЭК ООН и рыночному спросу НАМИ разработаны типоразмерные ряды автомобилей и их основных агрегатов. В данных условиях создаются предпосылки конструктивного развития автомобилей, что в 'свою очередь диктует актуальность тематики научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на период до 2010 года [49].
Одним из путей улучшения отдельных свойств (динамичность, экономичность, экологичность и др.) является использование бесступенчато-регулируемых передач, позволяющих оптимизировать ряд показателей качества колесных машин. Реализация потенциальных свойств автомобиля на более высоком уровне также обеспечивается полноприводными трансмиссиями (TOYOTA, MITSUBISHI, VOLVO, AUDI, Mercedes-Benz, BMW и др.) и комбинированными энергетическими установками (TOYOTA, LEXUS, HONDA и др.). В этих направлениях выделяется общая тенденция - автоматизация процессов управления силовым приводом и его отдельными элементами. Эффективным решением в этой области является применение многопоточных комбинированных передач, имеющих регулируемые потоки [33, 34]. Такие передачи легче поддаются автоматизации и имеют более высокий КПД, чем обычные регулируемые передачи.
Общие конструктивные схемы автоматических бесступенчатых силовых передач, рассмотренные в работах [34,43, 87], чаще всего реализуются с помощью механизмов с двумя и более степенями свободы - дифференциальных механизмов. Из
множества механизмов, обладающих дифференциальными свойствами, наиболее распространенными и изученными являются зубчатые планетарные дифференциальные механизмы или дифференциалы [61, 64, 85, 157]. Эти механизмы рационально решают конструкторские вопросы разработки сложных трансмиссий не только автомобилей, но и гусеничных, строительных и дорожных машин [33, 60, 62, 88, 135, 150, 151]. Перспективно применение дифференциалов в качестве суммирующего редуктора комбинированных энергетических установок [142]. По оценке агентства «Change wave research» в развитии автомобилестроения на ближайшие 30-40 лет определяющими могут стать гибридные автомобили с дифференциальными передачами в трансмиссии [108, 141].
Использование дифференциальных механизмов расширяет сферу применения зубчатых, фрикционных, инерционно-импульсных, электрических, гидродинамических и гидростатических передач, что позволяет создавать новые типы элементов силового привода: трансформаторы вращающего момента (ТВМ) - инерционные, фрикционные и гидростатические; механизмы распределения потока мощности -дифференциалы повышенного трения, самоблокирующиеся; перспективные комбинированные передачи - многоступенчатые, дифференциальные замкнутые с внутренним разделением потока мощности, непрерывные автоматические с динамическими связями, двухдвигательные и др [10,127,135, 138].
Таким образом, обоснование и разработка рациональных схем многопоточных комбинированных силовых передач с оптимальными параметрами является одной из актуальных и значимых задач, решение которой способствует повышению эффективности многих отраслей промышленности.
Цель и задачи диссертационного исследования. Настоящее диссертационное исследование направлено на разработку методического обеспечения анализа и синтеза рациональных схем многопоточных комбинированных передач силовых приводов колесных машин.
Повышение эффективности разработки перспективных конструкций силовых приводов, при реализации поставленной цели, обеспечивается решением следующих задач:
анализ преобразующих свойств силовых передач и связей между звеньями силовых приводов колесных машин;
- разработка метода анализа и синтеза структурных схем многопоточных
комбинированных передач с регулируемым звеном;
обоснование рациональных схем бесступенчато-регулируемых автоматических элементов силового привода колесных машин;
обоснование конструктивной схемы энергетической установки с учетом оптимальности показателей топливно-скоростных свойств легкового автомобиля;
- аналитическое исследование динамических процессов комбинированной
энергетической установки (КЭУ) с дифференциальным суммирующим редуктором;
экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров комбинированных передач на топливно-скоростные свойства легкового автомобиля.
Методы исследования. Решение поставленных задач реализовано на: принципах системного подхода и положениях теории эксплуатационных свойств автомобилей; методах математического анализа динамики механизмов и машин по классическим дифференциальным уравнениям механики; методах имитационного моделирования рабочих процессов машинных агрегатов; методах лабораторно-дорожных испытаний,
Достоверность и обоснованность разработанных научных положений и принятых конструктивных решений диссертационного исследования подтверждается согласованностью теоретических выводов и результатов имитационного моделирования со статистическими данными о влиянии конструктивных параметров многопоточной комбинированной передачи на свойства колесной машины, полученных при испытаниях опытного легкового автомобиля Иж-21261 в лабораторных условиях ОАО «ИжАвто» и на дорогах Удмуртской Республики.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработан метод структурного анализа и синтеза схем многопоточных комбинированных передач колесных машин, инвариантный к типу разделителя мощности и месту его расположения в передаче;
определены особенности и рациональные схемы дифференциальных замкнутых передач с односторонними динамическими связями и выявлены условия движения колесной машины, при которых в ее силовом приводе возникают неголо-номные, реактивные и динамические связи;
теоретически показано, что автоматический ТВМ должен иметь число степеней свободы не менее двух, а условия бесступенчатого изменения передаточного отношения ТВМ без специального регулирующего звена могут быть обеспечены только передачами с динамическими связями (в теоретическом плане - механизмы, в уравнениях кинетической энергии которых, содержатся члены с произведением скоростей);
научно обосновано, что для бесступенчато-регулируемых ТВМ увеличение КПД при увеличении диапазона регулирования и минимальных габаритов, возможно только в двухпоточных передачах с внутренним разделением потока мощности;
в применении к силовым приводам колесных машин проведен анализ и синтез конструктивной схемы комбинированной энергетической установки с параллельным соединением двигателей через планетарный дифференциальный суммирующий редуктор.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы способствуют реализации подпрограммы «Транспорт» научно-технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по транспортным направлениям науки и техники» [96], проводимой в рамках гранта Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук [99] по планам аналитической ведомственной целевой программы Министерства науки и образования РФ 2006-2008 г.г. «Развитие научного потенциала высшей школы» [97].
Разработанные теоретические положения позволяют формализовать процесс расчета оптимальных параметров силовых приводов с многопоточными комбинированными передачами, что создает предпосылки для разработки прикладных библиотек САПР комбинированных силовых приводов, как колесных машин, так и машиностроения в целом.
Реализация результатов. Разработанное методическое обеспечение анализа и синтеза структурных схем многопоточных комбинированных передач используется при создании прикладных библиотек САПР комбинированных силовых приводов, применяемых в проектировании новых и модернизации выпускаемых колесных машин ОАО "Ижевский автомобильный завод", также в учебном процессе научно-образовательного центра ГОУ ВПО МГТУ «МАМИ» по автомобильному транспорту с гибридными силовыми установками при ГОУ ВПО ИжГТУ для подготовки дипломированных инженеров и магистров по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» [136].
Результаты диссертационного исследования используются при выполнении Государственного контракта 2006-РИ-16.0/005/146 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области транспортных технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок (VII очередь), 2006 г. [101].
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования обсуждались на заседаниях кафедр «Автомобили и механообрабатывагощие оборудование» Ижевского государственного технического университета, «Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института (филиал) ИжГТУ и докладывались на научных конференциях: «Социально-экономические проблемы развития региона: Региональная НПК, Чайковский, 2004-2006 г.г.; «Улучшение технико-эксплуатационных показателей мобильной техники» - НПК вузов Поволжья и Предуралья, Ижевск, 2003 г.; «Современные тенденции развития автомобилестрое-
ния в России» - Всероссийская НТК, Тольятти, 2005 г.; «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» - Международная НТК Ассоциации автомобильных инженеров, Ижевск, 2006 г.
Публикации. Материалы по теме диссертации отражены в одиннадцати печатных работах, в том числе шесть научных статей в сборниках конференций, две научных статьи в издании, реферируемом ВАК РФ, три отчета о научно-исследовательских работах, выполненных в рамках программ Министерства образования и науки РФ.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 163 страницах текста, в том числе 51 рисунок, 11 таблиц, 163 наименования списка литературы и состоит из введения, четырех глав, выводов и заключений.
В первой главе отражены тенденции и перспективы развития комбинированных силовых приводов с дифференциальными бесступенчато-регулируемыми передачами, в том числе механизмов распределения мощности, двухдвигательных энергетических установок, автоматических ТВМ и трансмиссий наземных транспортных машин. На основании анализа исследовательских работ в области силовых приводов наземных транспортных машин и полученных выводов определены цель и задачи выполняемой работы.
Во второй главе выявлена общность энергетических и кинематических характеристик механических, электрических и гидравлических передач, обеспечивающих суммирование, трансформацию и распределение потока мощности силового привода колесных машин, предложен метод структурного анализа многопоточных комбинированных передач и синтеза конструктивных схем элементов силового привода колесных машин и на его основе проведено теоретическое исследование кинематических и силовых характеристик передач с регулируемым звеном: автоматических трансформаторов вращающего момента и самоблокирующих дифференциалов.
В третьей главе рассмотрен синтез конструктивной схемы комбинированной энергетической установки (КЭУ) с параллельным соединением тепловой и обрати-
мой электрической машин через планетарный дифференциальный суммирующий редуктор, отражены результаты исследования влияния конструктивных параметров силовых установок на топливно-скоростных свойства колесной машины при имитационном моделировании режимов движения легкового автомобиля.
В четвертой главе отражены положения и результаты экспериментального исследования топливно-скоростных свойств легкового автомобиля в силовой привод, которого входят элементы с многопоточными комбинированными передачами: самоблокирующиеся дифференциалы ведущего моста и КЭУ параллельной схемы с ременным суммирующим редуктором.
Бесступенчатые вариаторные передачи
Большее распространение на практике получили механические приводы машин, использующие в качестве трансформатора вращающего момента различные типы вариаторов [140, 144]. Анализ возможности реализации в конструкциях легковых автомобилей бесступенчатых фрикционных передач проведен в работе [44], где также отмечено, что основные трудности при проектировании бесступенчатой трансмиссии такого типа связаны с обеспечением работоспособности тягового элемента и с созданием «интеллектуальной» системы управления.
Опытные образцы бесступенчатых фрикционных передач с непосредственным контактом фрикционных тел созданы в ГДР для мотоциклов мощностью от 2,5 до 14 кВт [49] и на Ижевском машиностроительном заводе для мотоциклов типа «ИЖ-Юпитер» [140], также фирмами «GMC», «Ford» и «Excelermatic» (США) ведется разработка торовых вариаторов [42].
На серийно выпускаемых транспортных средствах из числа известных бесступенчатых фрикционных передач, широкое применение получили клиноременные вариаторы. За рубежом клиноременный вариатор обозначается аббревиатурой CVT (Continuously Variable Transmission). Такие вариаторы просты в конструктивном отношении и изготовлении, обладают хорошими амортизирующими свойствами, сравнительно хорошо решаются вопросы автоматизации управления передачей.
По заявлению концерна «Ford» трансмиссия CVT позволяет повысить топливную экономичность автомобиля на 10-15% без ухудшения показателей токсичности отработавших газов. Концерн «Ford» ведет большой объем работ, как в США, так и в Западной Европе по созданию автоматической бесступенчатой вариаторной трансмиссии CVT [44]. В Европе к разработке трансмиссии CVT подключены фирмы «Van Doom Transmissie (VDT)» и «Fiat».
Автомобильная фирма «DAF» с 1958 года серийно выпускает различные модели автомобилей, в приводах которых используются автоматические клиноременные вариаторы. Эта бесступенчатая передача, называется «Variomatic» [14, 75] имеет высокий уровень совершенства конструкции. Регулирование передаточного отношения производится автоматически по частоте вращения с помощью центробежного регулятора и по нагрузке путем коррекции осевого усилия на ведущем шкиве, управляемом пневмоцилиндром. Легковые автомобили фирмы «DAF» имели вариаторы с зубчатым ремнем, долговечность которого составляла около 50 000 км пробега и обеспечивающий КПД вариатора 0,96 при скорости 55 км/ч. С трансмиссией «Variomatic» также выпускались автомобили «VOLVO».
Наряду с трансмиссией «Variomatic» фирмы «VDT» (Нидерланды), «Borg-Warner» (США) и «Fiat» (Италия) при финансовой поддержке нидерландского правительства разработали автоматическую вариаторную трансмиссию «Transmatic» в которой используется вместо резинового зубчатого ремня стальной клиновидный ремень [14, 40]. При этом срок службы увеличивается до 120-140 тыс. км пробега автомобиля, КПД вариатора примерно 0,95, а трансмиссия одновременно выполняет функции бесступенчатой коробки передач и главной передачи.
Испытания 65-ти полноприводных легковых автомобилей с трансмиссией «Transmatic» на общем пробеге порядка трех миллионов километров показали, что в сравнении с гидромеханической трансмиссией уменьшился на 14-20% расход топлива. В месте с тем экономичность зависит от манеры управления, характеристик двигателя, условий эксплуатации и может доходить до 30%. Фирмами «Van Doom» и «Borg-Warner» сообщается о создании трансмиссии «Transmatic» для переднеприводного легкового автомобиля, позволяющей экономить топливо до 15% в сравнении с автоматической гидромеханической коробкой передач [40].
Японский концерн Fuji Heavy Industries, автомобильное отделение которого выпускает автомобили Subaru, в 1987 году представил хэтчбек Subaru Justy с вариатором со стальным ремнем, с электромагнитным сцеплением и электронным управлением. Величина передаточного отношения зависит от передаваемой ремнем нагрузки, от скорости движения машины и положения педали акселератора. Подобные трансмиссии используются также фирмами FIAT, Ford, Nissan и HONDA. Все эти фирмы применяют ремни Van Doom. В последние годы многие исследователи отмечают перспективность силовых приводов с фрикционными передачами с гибкой связью, подобных CVT «Variomatic» и «Transmatic» [7, 42,] которые в последующем вытеснят ступенчатые с ручным управлением трансмиссии, как устаревшие [42].
Аналитические связи в силовом приводе колесных машин
Любая передающая энергию механическая система колесной машины обладает кинематическими связями между входящими в нее твердыми телами (звеньями). К кинематическим связям относят, как правило, геометрические (голономные) связи, ограничивающие только относительное перемещение точек и звеньев силовой передачи, и неголономные связи, устанавливающие зависимости между скоростями точек звеньев силовой передачи.
Геометрические связи создают возможность передачи необходимых сил, которые порождают в соответствии с третьим законом Ньютона противоположно направленные противодействия - силы реакции (реактивные связи). Силы реакций связей зависят от других действующих в передаче сил и от характера движения звеньев, входящих в нее.
В транспортных машинах реакции связей являются в большинстве своем упругими, например крепление силового агрегата, коробки передач, картера ведущего моста и т.д., что может быть представлено в виде простейшей колебательной системы (рис. 2.2).
Простейшая колебательная система НА. Микулик отмечает, что изменение жесткости подвески картера коробки передач вызывает изменение величин собственных частот колебаний системы представленной на рис 2.2, состоящей из механической коробки передач, установленной на двух опорах, первичный вал и корпус которой закреплен с помощью пружин к стойкам и диска, закрепленного на вторичном валу [76]. Это ведет к тому, что необходимо рассматривать крутильные колебания трансмиссии с учетом колебаний подвески, а главная передача ведущего моста становится дифференциальной, что значительно повышает динамическую напряженность трансмиссии [76,103,140].
Считается, что если движение хотя бы одного звена системы определяется действием сил реакций связей, то силовая передача колесной машины имеет динамические связи. Понятие «динамические связи» введено С.Н. Кожевниковым при исследовании механизмов [52, 53] и расширено О.Г. Озолом, показавшим, что этот вид связей является важной характеристикой любого механизма [81]. В настоящее время у колесных машин наиболее распространен механический силовой привод, передающий энергию от двигателя к движителю,
По динамическим процессам, происходящим в силовой передаче, и по математическим моделям (системам дифференциальных уравнений) эти режимы существенно отличаются друг от друга. У первых двух режимов движения отсутствуют, какие либо кинематические соотношения между скоростями обобщенных координат ведущих и ведомых деталей сцепления, а у четвертого - между скоростями ведущих и ведомых деталей выключаемой и включаемой передач. В связи с этим механические силовые передачи можно отнести к передачам с динамическими связями.
Практически все силовые передачи колесных машин имеют в своих конструкциях звенья с динамическими связями, например: - гидродинамическая передача. Основным звеном этой передачи является гидротрансформатор, реализующий динамическую связь и состоящий из двух гидромашин - гидронасоса и гидродвигателя (турбины). Обычно совместно с гидротрансформатором применяют дополнительно механические редукторы, например, коробку передач. Такая силовая передача с динамической связью называется гидромеханической; - гидростатическая (гидрообъемная) передача. Здесь основным элементом передачи, выполняющим функции динамической связи, является гидростатический трансформатор, преобразующий вращательный механический поток энергии в поступательный гидростатический поток или наоборот; - бесступенчато-регулируемые передачи. К таким передачам с динамическими связями относится большое разнообразие вариаторов, отличающихся друг от друга, как по принципу работы, так и по конструкции: лобовые, конусные, шаровые, тороидные и дисковые фрикционные вариаторы, клиноременные, цепные, комбинированные и др.; - инерционно-импульсные силовые передачи. В импульсных бесступенчатых передачах энергия передается в виде периодических импульсов.
Фрикционные передачи с жесткими контактирующими телами трения и с гибкой связью (ременные передачи, качение упругого колеса, пробуксовка сцепления) не обеспечивают постоянства передаточного отношения, что приводит к взаимному скольжению элементов передачи, в зависимости от условий эксплуатации и технического состояния, за счет упругих деформаций, масляных пленок между контактирующими телами и других факторов. В силу инерционности деталей силовой передачи под действием вращающих моментов, передаваемых от двигателя к движителю машины, происходит закручивание валов, т.е. силовая передача работает как упругий элемент, Кроме того, в силовой передаче возникают силы неупругого сопротивления (демпфирования), зависящие от различных видов трения в силовой передаче, угловой скорости вращения звеньев, частоты изменения подводимого вращающего момента и других факторов. Все это в свою очередь обуславливает наличие неголо-номных, динамических и квазидинамических связей.
Силовые передачи с такими видами связей между ее звеньями - фрикционные муфты сцепления и ременные передачи, работающие в нормальных условиях без явного буксования, упругие элементы или обоснованно введенные упругодемпфи-рующие звенья при исследовании силовых передач мобильных машин и им подобные - предлагается называть силовыми передачами с квазидинамическими связями.
При рассмотрении динамики трансмиссии в основном используются записи уравнений в обобщенных координатах, применяя уравнения Лагранжа второго рода. Вместе с тем, это зачастую неправомерно. Фрикционные, электрические гидравлические передачи имеют скольжение от долей до нескольких процентов, а для длинных трансмиссионных валов деформируемость может быть большой и как следствие, динамические процессы (колебательные, переходные) происходящие в силовой передаче оказывают влияние на скорость обобщенных координат.
При исследовании нагруженности силовых передач, особенно в динамических режимах работы с колебательными и переходными процессами, реактивные и неголономные связи необходимо учитывать. Анализируя математическую модель динамики движения автомобиля, В.А. Умняшкин и Н.М. Филькин указывают на влияние упругих реактивных сил при работе трансмиссии, например, собственная частота трансмиссии легкового автомобиля классической компоновки с одним ведущим мостом снизилась на 7,6 % по сравнению с рассмотрением трансмиссии, как системы, отдельной от кузова автомобиля [103].
Примером, когда неголономными связями в силовом приводе транспортной машины пренебрегать нельзя, может служить фрикционная передача: фрикционное сцепление в момент пробуксовки [44, 47, 79, 94]; в клиноременном вариаторе на определенных этапах работы проявляются как голономные, так и неголономные связи отмечает Г.В. Архангельский [14]; в лобовой фрикционной передаче даже при фиксированном передаточном отношении возникают неголономные связи указывает А.А. Благонравов [28].
При построении структурных и кинематических схем, выборе основных параметров силовых передач, с достаточной достоверностью допустимо рассматривать их как голономные системы, без учета реактивных связей и применять для исследования классические уравнения Лагранжа. Чтобы повысить точность математической модели движения транспортной машины в установившихся режимах и избежать перехода к уравнениям математической физики в частных производных в математической модели необходимо вводить дополнительные приведенные массы и множители, учитывающие закручивание и скольжение в трансмиссии [132].
Выявленная общность мощностных потоков силовых передач различной природы не противоречит общей теории систем, теории силового потока, теории машин и механизмов, теорий электро- и гидропривода, теории автоматического управления, теории автомобиля и других, на основании которых исследуются и создаются силовые приводы колесных машин. При реализации системного подхода в исследованиях и создании силовых приводов становится очевидной возможность разработки универсального метода анализа и синтеза автоматических передач, который не зависел бы от типа и устройства передачи и, следовательно, был бы применим к передачам различной природы.
Силовой привод с комбинированной энергетической установкой параллельной схемы
В соответствии с проведенным анализом разработанных серийных и перспективных конструкций КЭУ более благоприятной, с точки зрения согласования работы ТД и ЭД, является параллельная компоновочная схема, при которой потоки мощности ДВС и ЭД суммируются через дифференциальный суммирующий редуктор СР (рис. 3.2), что должно позволить в сравнении с параллельной схемой с зубчатым суммирующим редуктором снизить диссипативные потери энергии в трансмиссии и, что более важно, создаются явные предпосылки автоматизации процесса управления трансмиссией автомобиля [136].
Обозначения на рис. 3.2: ТД - двигатель внутреннего сгорания, ЭД - электродвигатель, НЭ - накопитель электрической энергии, СР - суммирующий редуктор, ПЧ - преобразующая часть (муфта сцепления, коробка передач, карданная и главная передачи), Д - дифференциал.
Движение автомобиля с постоянными и близкими к ним скоростями в данном случае осуществляется за счет мощности, передаваемой к ведущим колесам по цепи ТД-СР-ПЧ-Д. Во время динамичного разгона автомобиля к ведущим колесам поступает дополнительная энергия по цепи НЭ-ЭД-СР-ПЧ-Д. При необходимости зарядки НЭ в режиме движения с установившимися скоростями и близкими к ним происходит зарядка НЭ по цепи ТД-СР-ЭД-НЭ, т. е. ЭД переходит в режим работы генератора. Движение накатом и торможение сопровождается рекуперацией энергии в энергию НЭ по цепи Д-ПЧ-СР-ЭД-НЭ.
Проведенный анализ характеристик ТД и ЭД показал, что наиболее подходящими, близкими по внешним скоростным характеристикам и обеспечивающих приемлемые тя-гово-скоростные показатели автомобиля Иж-21261 «FABULA», являются ДВС модели ВАЗ-1111 и ЭД марки ПТ-125-12, в дальнейшем выбранные за основу создания КЭУ.
Синтез числа зубьев планетарного суммирующего редуктора в данной работе не приводится, т.к. эти вопросы подробно рассмотрены в [33, 60, 64, 156] и выполнен по общепризнанным методикам.
При допустимом интервале передаточного отношения ibaH - 2,7+8, коэффициенте неравномерности Кн = 1,2 и коэффициенте полезного действия с опорами качения при 7-ой степени точности зубчатых колес rj = 0,96 -f 0,98, получены следующие параметры планетарной передачи: углы зацепления aw =aw =20, числа зубьев солнечного колеса Za = 21, сателлитов ZH = 15, коронного колеса Zg = 51.
Структурно-кинематическая схема автомобиля ИЖ-21261, оборудованного КЭУ с планетарным СР Обозначения на рис 3.3: МСХ- механизм свободного хода для недопущения возможного противовращения коленчатого вала ДВС от вращающего момента ЭД; МБ - муфта блокировочная для осуществления рекуперации энергии в процессе замедления и торможения, а также при подзарядке накопителей электрической энергии (НЭ) при установившейся скорости движения автомобиля; ірем - передаточное число ременной передачи; ПЧ - преобразующая часть, включающая дополнительный редуктор (КПП), карданную и главную передачи; Д- дифференциал.
В соответствии с анализом характеристик вращающих моментов ДВС и ЭД и расчетов тяговой динамики реального автомобиля ИЖ-21261, оборудованного заданной КЭУ, сделан вывод о необходимости реализации в преобразующей части автомобиля передаточного отношения в пределах 5...5,4. В связи с этим принята трансмиссия с передаточными отношениями дополнительного редуктора (КПП с включенной третьей передачей) ізкпп = 1,298 и главной передачи іг = 3,9.
Для анализа топливно-скоростных свойств автомобиля ИЖ-21261 «FABULA», приняты следующие основные конструктивные параметры автомобиля: масса автомобиля - 1320 кг; фактор обтекаемости - 0,04157 кг-с2/м2; коэффициент полезного действия трансмиссии - 0,9; начальное значение коэффициента сопротивления качению - 0,0125; передаточное число главной передачи - 3,91; время переключения передач - 0,3 сек; минимально устойчивые обороты выходного вала энергетической установки - 750 мин1; высота центра тяжести - 0,516 м; база автомобиля - 2,47 м; расстояние от оси передних колес до центра тяжести - 1,298 м; динамический радиус колес - 0,284 м; коэффициент сцепления шин с полотном дороги - 0,8.
При моделировании движения автомобилей гибридного типа в городских условиях эксплуатации имитировалось движение с постоянными скоростями только на ДВС, а разгон осуществлялся только на ЭД.
Расход топлива автомобилем Иж-21261 с различными силовыми установками В ходе моделирования движения автомобиля по ездовым циклам ГОСТ 20306-90 и европейскому городскому (ОСТ 37.001.054-86) с различными энергетическими установками были получены следующие результаты расхода топлива в л на 100 км пройденного пути: для автомобиля, оборудованного двигателем УЗАМ-331.10 соответственно 7,75 и 9,27 л; для автомобиля, оборудованного двигателем ВАЗ-1111 -6,64 и 7,96 л; для автомобиля гибридного типа (УЗАМ-331.10 + ПТ-125-12) - 3,81 и 5,52 л; для автомобиля гибридного типа (ВАЗ-1111+ ПТ-125-12) -3,15 и 3,92 л.
Расчетная экономия топлива в ездовых циклах ГОСТ 20306-90 и ОСТ 37.001.054-86 автомобиля ИЖ-21261 с КЭУ (без учета энергии, поступающей от ЭД) в сравнении с оборудованным только ДВС составила 50,8 и 40,5 % для КЭУ УЗАМ-331.10 + ПТ-125-12; 59,3 и 57,7 % для КЭУ ВАЗ-1111+ ПТ-125-12. В соответствии с проведенными расчетами наиболее предпочтителен второй вариант энергосиловой установки (ЭД ПТ-125-12, ДВС ВАЗ-1111, планетарный СР, передаточное число дополнительного редуктора равно 1,298), который существенно улучшает тягово-скоростные свойства автомобиля при скоростях движения более 55 км/ч в сравнении с КЭУ варианта 6 (ЭД ПТ-125-12, ДВС ВАЗ-1111, ременный СР, пятиступенчатая коробка передач: I - 3,19; II - 1,864; III - 1,298; IV - 1,0; V - 0,806).
Самоблокирующиеся дифференциалы
В условиях испытаний кроме стандартного шестеренчатого дифференциала получение экспериментальных данных проводилось по дифференциалам повышенного трения дискового типа. Использование дифференциалов повышенного трения дискового типа, имеющих в дополнении к обычному дифференциальному механизму фрикционные муфты, обусловлено не только относительной простотой их конструкции, но и возможностью получения различных блокирующих свойств.
Исследуемые дифференциалы представлены на рис. 4.1.-4.3. Комплекс стендовых и дорожных испытаний проводился на автомобиле ИЖ-21261 "FABULA", последовательно оборудованном всеми указанными конструкциями межколесных дифференциальных механизмов.
На начальном этапе целью проводимых работ было создание КЭУ и реализация ее в макетном образце для выявления перспективности данного направления в автомобилестроении. Поэтому в качестве основных составляющих этой установки были взяты уже разработанные серийно выпускаемые агрегаты, не требующие до полнительных материальных и временных затрат на их проектирование, изготовление, испытание и т.д. В качестве теплового двигателя выбран ДВС ВАЗ-1111 (номинальная мощность 22 кВт, максимальный вращающий момент 44,1 Н-м, снаряженная масса 70 кг, рабочий объем 0,649 л, степень сжатия 9,6, топливо АИ-93). В качестве электродвигателя принята - электромашина постоянного тока ПТ-125-12 (напряжение питания якоря 120 В при токе якоря не более 120 А, вращающий момент 49 //-л/, снаряженная масса 68 кг\ накопители энергии - свинцово-кислотные аккумуляторные батареи типа 6СТ-55 (два блока 12-ти вольтовых аккумуляторных батарей емкостью 55 А ч по четыре аккумулятора в блоке, масса и габаритные размеры каждой батареи соответственно 15,5 кг и 245x175x210 мм). Управление работой энергоустановки осуществляется с помощыо пускорегулирующеи аппаратуры и электронного блока управления. Энергетическая установка размещена на специально разработанной штампосварной раме массой 10 кг и габаритных размеров 524x800x139 мм.
В результате проведения работ созданы экспериментальные образцы комбинированной энергосиловой установки, собранной на автомобиле носителе, в качестве которого использован автомобиль ИЖ-21261 «FABULA» с кузовом типа универсал, что позволило проводить широкий комплекс исследований по оптимизации конструктивных параметров и характеристик составляющих энергосиловой установки и системы управления ею. Конструкция макета энергосиловой установки представлена на рис. 4.4 и 4.6, а ее компоновка в моторном отсеке автомобиля на рис. 4.5 (вид в плане) и рис 4.7.
Вращающие моменты от двигателя через редуктор могут передаваться суммарно или раздельно, по выбору или в зависимости от режимов и условий движения. Редуктор способен не только передавать вращающие моменты к ведущим колесам, но и передавать вращающие моменты от одного двигателя к другому. Это позволяет реализовать процесс рекуперации и использовать электродвигатель в качестве стартера.
Лабораторные испытания автомобиля проводились в испытательных службах главного конструктора ДОАО "Ижмаш-Авто". Пробеговые испытания проводились в летнее время по дорогам общего пользования Удмуртской Республики. На протяжении срока испытаний хранение опытного образца было гаражное.
При лабораторных испытаниях определялись следующие параметры: массы автомобиля и распределение нагрузки по осям автомобиля с ДВС и координаты центра масс автомобиля с КЭУ, показатели топливной экономичности и тягово-скоростных свойств; при пробеговых - показатели топливной экономичности и тя-гово-скоростных свойств, запас хода, надежность узлов и агрегатов.
Выполнение намеченной программы лабораторных и дорожных испытаний потребовало регистрации, как кинематических параметров движения автомобиля, так и ряда силовых факторов. В связи с этим применялся универсальный комплект аппаратуры, позволяющий фиксировать следующие параметры: линейная скорость поступательного движения автомобиля; вращающие моменты на полуосях ведущего моста; - частота вращения ведущих колес; частота вращения коленчатого вала двигателя; путевой расход топлива; - компонентный состав отработавших газов; - время.
Автомобиль ИЖ-21261 на стенде с беговыми барабанами (вид сбоку) При испытаниях на топливную экономичность расход топлива фиксировался расходомером PIERBURG. Для определения расхода топлива автомобиль ИЖ-21261, оборудованный КЭУ, был оснащен датчиком расхода топлива, установленный в подкапотном пространстве и последовательно подключен к топливоподаю-щей магистрали ДВС с помощью специальных шлангов. Указатель расхода топлива, установлен на панели приборов автомобиля. Топливная экономичность оценивалась в соответствии с ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний».
Похожие диссертации на Обоснование и разработка рациональных схем многопоточных комбинированных передач колесных машин
