Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблемы снижения потерь энергии в самоходных машинах с комбинированной (гибридной) силовой энергетической установкой 13
1.1. Схемы и режимы работы силового привода машин с комбинированной (гибридной) энергосиловой установкой 13
1.2. Механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь мощности в приводе при различных режимах работы машины с КЭСУ 31
1.3. Принцип построения схемы и системы управления приводом машины с комбинированной энергосиловой установкой 35
1.4. Возмущающее действие ДВС на силовой привод машины 38
1.5. Крутильные колебания и потери мощности в приводе машины
с комбинированной энергосиловой установкой 42
Глава 2. Схема и обобщенная математическая модель динамических процессов в приводе машины с КЭСУ 49
2.1. Обоснование структуры математической модели динамических процессов в приводе машины с КЭСУ 49
2.2. Математическое описание динамических процессов в приводе с КЭСУ 70
2.3. Обоснование схемы и основных параметров суммирующего редуктора в приводе с КЭСУ
Глава 3. Экспериментальное исследование динамических процессов в приводе с КЭСУ 76
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 76
3.2. Описание экспериментальной установки 76
3.3. Методика проведения экспериментов 79
3.4. Результаты экспериментальных исследований, их анализ и сравнение экспериментальных данных с расчетными 81
Глава 4. Влияние параметров привода на колебания и потери мощности в машине с комбинированной энергосиловой установкой 87
4.1. Собственные частоты и формы колебаний привода 89
4.2. Гармонический анализ ЛВС 99
4.3. Влияние пульсационной составляющей крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ 105
4.4. Влияние упругих и диссипативных параметров на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ 106
4.5. Рекомендации по выбору параметров КЭСУ 111
Глава 5. Инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с комбинированной энергосиловой установкой 113
5.1. Выбор схемы, алгоритма управления КЭСУ и конструктивных параметров планетарного СР КЭСУ автомобиля Иж-21261 113
5.2. Расчет динамических нагрузок и потерь мощности в приводе 126
5.3. Результаты инженерного расчета 126
Заключение и выводы 129
Литература 131
- Механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь мощности в приводе при различных режимах работы машины с КЭСУ
- Математическое описание динамических процессов в приводе с КЭСУ
- Результаты экспериментальных исследований, их анализ и сравнение экспериментальных данных с расчетными
- Влияние пульсационной составляющей крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ
Введение к работе
Актуальность темы Разработка и использование комбинированных (гибридных) энергетических силовых установок (КЭСУ), включающих в себя двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электродвигатель (ЭД) и суммирующий редуктор (СР), является одним из основных направлений работ по повышению экологической безопасности самоходных машин По данным производителей подобных приводов при использовании КЭСУ снижение расхода топлива достигает 10-25% и сокращение вредных выбросов 40-50% Это достигается за счет уменьшения рабочего объема ДВС, снижения доли нестационарных режимов работы и рекуперации энергии ДВС Однако согласование работы ДВС и электродвигателя на всех режимах связано с необходимостью применения компьютерной системы управления В настоящее время за рубежом и в России ведутся работы по созданию силовых энергетических установок стартер-генераторного типа (СГУ) в сочетании с параллельной разработкой необходимой элементной базы для их реализации Составной частью СГУ является электронная система управления ДВС (ЭСУД) Таким образом, применение КЭСУ в сочетании с нейтрализацией токсичных компонентов выхлопных газов, переходом на альтернативные виды топлив, повышением ёмкости аккумуляторов энергии и давления в гидроприводе затрагивает все отрасли знания и знаменует изменения в идеологии построения машин ближайшего будущего
Важной частью работ по созданию КЭСУ является снижение потерь мощности в приводе за счёт уменьшения пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и согласования режимов работы обоих двигателей (ДВС и ЭД) в механической системе КЭСУ за счет системы управления
Крутильные колебания приводов установок с ДВС всегда находились в центре внимания' конструкторов, однако, широкие возможности расчетов колебательных процессов в автомобильных конструкциях возникли лишь с появлением мощных ЭВМ
В последние годы внимание конструкторов привлек тот факт, что крутильные колебания приводов с ДВС сопровождаются не только поломками конструкции, но и потерями энергии, которые раньше включались в величину КПД привода Следует отметить_тот факт, что мощность потерь на резонансных и близких к ним режимах работы привода резко возрастает, и это ставит борьбу с колебаниями в число мер, относящихся к ресурсосбережению и повышению экологической безопасности машин
В работе решена научная проблема снижения потерь энергии в приводе машин с КЭСУ, имеющая важное значение для повышения общей экологической безопасности и снижения энергоёмкости рабочих процессов машин
Цель работы. Снижение потерь энергии, расхода топлива и вредных выбросов КЭСУ на основе уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и преимущественного использования электротяги при движении машины
Направление исследований
исследовать влияние гармонических составляющих крутящего момента ДВС на реакции механической системы привода с КЭСУ,
разработать математическую модель динамических процессов в приводе с КЭСУ,
исследовать влияние на колебания привода массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров механической системы,
определить параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе,
разработать и опробовать в инженерной практике методику динамического расчета привода с КЭСУ на ПЭВМ
Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись экспериментальные и теоретические методы исследований, в основу которых был положен прин-
цип системности Экспериментальные и теоретические исследования сопровождались математическим моделированием динамических процессов с использованием моделей различной степени сложности Исследования проводились на экспериментальном стенде и на опытных образцах автомобилей и малых коммунальных машин на базе мотоциклов «Иж» в лабораториях Ижевского государственного технического университета, ОАО «ИжАвто» и ОАО «Ижмаш».
Научная новизна. Разработан новый подход к проектированию схемы и параметров привода с КЭСУ, открывающий возможность снижения потерь энергии и вредных выбросов ДВС при минимальной сложности системы управления
Упрощение системы управления достигнуто за счет уменьшения числа одновременно управляемых параметров ДВС и электродвигателя, благодаря отсутствию между ними жесткой кинематической связи
Научная новизна работы заключается в следующем
исследован механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь энергии в КЭСУ,
разработана обобщенная математическая модель для исследования динамических процессов и потерь мощности в приводе с КЭСУ,
,- предложена схема суммирующего редуктора в приводе с КЭСУ, при котором реализуется преимущественно режим электрической тяги,
разработан алгоритм управления совместной работой ДВС и ЭД, обеспечивающий снижение потерь энергии в КЭСУ,
исследовано влияние на колебания привода массово-геометрических и упруго-диссипативны.с параметров механической системы,
определены параметры и конструктивные средства для уменьшения влияния гармонических составляющих крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ
На защиту выносятся следующие положения, объединенные общей идеей снижения потерь мощности в приводе с КЭСУ за счет уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента на реакцию механической системы
новый принцип построения схем привода машин с комбинированной энергосиловой установкой,
обобщенная математическая модель динамических процессов в приводе с КЭСУ,
инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с КЭСУ
Практическая полезность работы Применение результатов исследования позволяет снизить потери мощности, расход топлива и вредные выбросы ДВС за счет устранения неэффективных конструкторских решений на стадии проектирования и уменьшения времени на доводку конструкции
Реализация результатов Результаты работы в виде алгоритмов и инженерной методики расчета привода с КЭСУ использованы при создании опытных образцов автомобиля «ИЖ-21261» и малых коммунальных машин на базе мотоцикла «ИЖ»
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях ИжГТУ 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 г г, на научно-методическом семинаре кафедры «Строительные и дорожные машины» ИжГТУ, на международной научно-технической конференции (Калининград, 1997 ), на-учно-практич конференции «Удмуртия накануне третьего тысячелетия» (Ижевск, 1998), Международных научно-технических конференциях «Интерстроймех-2004» (ВГАСУ, Воронеж), «Интерстроймех-2005» (ТГНГУ, Тюмень), «Интерстроймех-2006» (МГСУ, Москва), Всероссийской научно-технической конференции «Стройкомплекс-2005» (Иж-
ГТУ, Ижевск), научно-практической конференции «Проблемы механики и материаловедения» (ИПМ УрО РАН, Ижевск, 2006 г )
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 научных статей в специализированных изданиях
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов Общий объем диссертационной работы 152 страницы машинописного текста, включающего 25 рисунков, 12 таблиц и список использованной литературы из 57 наименований
Механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь мощности в приводе при различных режимах работы машины с КЭСУ
Вопросы надежности и долговечности трансмиссий автомобилей, тракторов и других самоходных машин рассматривались и изучались многими учеными и инженерами. Наиболее известными считаются работы белорусских ученых [46,54,99,100 и др].
Методы построения моделей механических систем приводов с учетом инерционных и упруго-диссипативных свойств звеньев приводов; методы динамических расчетов силовых приводов транспортных машин при совместном рассмотрении колебаний в двигателе, преобразующей части машины и движителе; методы составления динамических схем приводов с зубчатыми механизмами непланетарного и планетарного типов, винтовыми и другими механизмами; методы исследования свободных и вынужденных колебаний и методы эквивалентного преобразования схем приводов с целью упрощения их математического описания; большой объем результатов теоретических и расчетных исследований по перечисленным выше методам опубликовано в ряде книг ленинградской школы по силовым приводам машин [14,15,16 и др].
Вопросами динамической нагруженности трансмиссий колесных машин занимаются на кафедре «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана [50, 51 и ДР-]
По данной тематике на протяжении длительного времени проводятся исследования Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом (НАМИ) [25], Институтом механики машин Российской Академии наук [7] и другими научными организациями.
Общая теория силовых передач и силового потока приведена в книге А. С. Антонова [6]. На основе теории силового потока автором рассматриваются общие принципы анализа и синтеза передач.
Исследования силового привода с целью наилучшего конструктивного решения должны базироваться на моделировании работы машины, на которой будет установлен привод. Поэтому методы анализа и синтеза для колесной машины неразрывны от методов математического моделирования движения машины в различных условиях эксплуатации. Эти вопросы отражены в ряде книг [3, 4, 37, 48, 62 и др.] и большом количестве научных статей, например, в журналах выпускаемых в нашей стране "Автомобильная промышленность", "Из 15 вестия высших учебных заведений", в трудах различных высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов.
Исследования по механическим приводам колесных машин несмотря на их достаточно глубокую изученность будут продолжаться, т.к. данный тип привода будет еще долго превалировать в конструкциях машин. Основные причины этому - высокие показатели надежности и малые потери в преобразующей части машины (высокий КПД).
Наиболее важное значение среди эксплуатационных параметров машины, в особенности ее производительности, имеет тип силовой установки. На мобильных машинах применяют в основном двигатели внутреннего сгорания (ДВС): бензиновые, дизельные и газовые. ДВС имеют ряд преимуществ: использование доступного, относительно дешевого топлива, большую автономность работы, широкую распространенность и ремонтопригодность. Также имеют место и недостатки: низкий КПД (бензиновые -0,24 - 0,28; дизельные - 0,32 - 0,40), а следовательно и высокий расход топлива, низкий коэффициент приспособляемости, высокую токсичность отработавших газов, которые отрицательно влияют на здоровье человека и окружающую его природную среду, особенно это проявляется в крупных городах и около крупных автомагистралей.
Из трех перечисленных ДВС наиболее токсичными являются бензиновые. Это происходит в силу ряда технических и технологических причин не только проектировщиков и производителей ДВС но и производителей топлива. Для решения этой проблемы принимаются следующие нововведения: карбюратор заменяют на электронный впрыск топлива (центральный, распределенный, непосредственный), применяют каталитические нейтрализаторы в выпускной системе, изменяемые фазы газораспределения, многоклапанные схемы газораспределительных механизмов (ГРМ), переменную длину впускного трубопровода, наддув, неэтилированный бензин, и многое другое. Все они в значительной мере уменьшают вредные выбросы, но кардинально решить проблему не в состоянии.
В последние десятилетия все больший интерес проявляется к альтернативным топливам: дизельному и газовому. Они значительно улучшают эколо-гичность ДВС, особенно газовые топлива, но выявляются другие недостатки этих двигателей: низкий ресурс (особенно топливной аппаратуры), проблемы эксплуатации в зимний период, вибрации дизельных и пожароопасность газовых ДВС и т.п.
Применение перечисленных технических решений в значительной степени уменьшают расход топлива и токсичность отработанных газов, но не надо забывать, что и нормы токсичности постоянно ужесточаются. В Европе в 1996 году введены нормы ЕЭК ООН «Евро II», а с 2000 г. действуют «Евро III». В России «Евро II» приняты лишь с 20 апреля 2006 года, а «Евро II» с 2001 - но фактически большинство отечественных производителей продолжает выпуск автомобилей не соответствующих данным стандартам. Невыполнение требований по экологии приводит к невозможности экспорта машин и как следствие к потерям рынков сбыта.
Полностью решить все проблемы с топливной экономичностью и токсичностью бензиновых, дизельных и газовых двигателей в ближайшее время не удастся. Выход в сложившейся ситуации - альтернативные источники энергии. Например - электродвигатель. Он имеет хорошие тягово-скоростные характеристики при небольшой массе (наибольший крутящий момент при низких оборотах), простоту конструкции, большой ресурс, высокий КПД, возможность плавного регулирования скоростного, тягового режимов и т.д.
Работы по созданию электромеханических приводов ведутся уже давно. В основном их проектировали для применения на самоходных строительных кранах, экскаваторах, тепловозах и карьерных самосвалах, т.е. на тяжелой технике. При этом использовали лишь их преимущества, связанные с механическими характеристиками электрических двигателей, которые позволяют получить вы 17 сокий или даже максимальный крутящий момент при минимальных оборотах вала. Для тяжелой техники это обстоятельство является одним из основных требований к приводам. Однако другое, не менее важное преимущество - повышение экологических показателей машины не учитывали. Указанные преимущества в настоящее время реализуются в подобных приводах уже и на более легких машинах.
На протяжении последних пятнадцати лет во всем мире еще с большей интенсивностью возобновились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию приводов самоходных машин с КЭСУ. При этом уже имеются значительные достижения в этой области.
В настоящее время четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое, создание чистого электромобиля, второе, разработка электромеханического привода с комбинированной (гибридной) энергетической установкой (КЭСУ).
Математическое описание динамических процессов в приводе с КЭСУ
Поршневой двигатель является мощным источником возмущающих воздействий, особенно при малой скорости движения и большой частоте вращения коленчатого вала, передаваемых на трансмиссию и кузов в диапазоне до 500 Гц., а наиболее интенсивные - в диапазоне до 100 Гц.
Большое влияние имеет число и расположение цилиндров. Наибольшей виброактивностью обладают двигатели Р-2, Р-4 и V-4 с неуравновешенными силами инерции первого (Р-2) и второго (Р-4, V-4) порядка и моментами сил инерции первого (Р-5) и второго (Р-5, V-6) порядка. Применение уравновешивающих механизмов (двигатель Р-2 на автомобиле «Ока») существенно снижает шум и вибрацию, но не уменьшает неравномерность крутящего и опрокидывающего момента. Частоты собственных изгибных колебаний силового агрегата увеличиваются с уменьшением его длины, поэтому, например, нецелесообразны удлинители коробок передач [66]. При поперечном расположении двигателя переднеприводного автомобиля собственные частоты колебаний двигателя в сборе сдвигаются за 200 Гц, однако это не исключает возникновения резонансов.
Для трансмиссии характерны интенсивные крутильные колебания первой и. второй формы в диапазоне до 100 Гц, которые передаются на подвеску и на кузов. Для легкового автомобиля с задним приводом в диапазоне до 800 Гц обнаружено 14 резонансных форм крутильных колебаний [44].
Не менее опасны также изгибно-крутильные колебания, которые в диапазоне до 1000 Гц имеют несколько резонансных форм. Для их снижения применяют отстройку по собственным частотам. В настоящее время все автомобили имеют демпфер крутильных колебаний, установленный в ведомом диске сцепления. Кроме того, многие легковые автомобили имеют упругую муфту в карданной передаче, а иногда - ещё и в ведущем мосту или в концах полуосей. Значительно снижаются крутильные колебания при использовании гидротрансформатора. Для снижения изгибно-крутильных колебаний применяют отстройку силового агрегата от резонансов, более жесткие картеры и их стыки, снижение изгибной жесткости соединения маховика с коленчатым валом и т.д.
Таким образом, автомобиль представляет собой сложную механическую систему с плотным спектром возмущений в диапазоне до 500 Гц. Чтобы выделить из этой системы двигатель и трансмиссию, необходимо сохранить в модели собственные частоты и формы, характерные для реального привода.
Отклик механической системы на возмущения, как известно, зависит от близости частоты возмущения к той или иной собственной частоте. При многочастотном возмущении и непрерывном собственном спектре отклик линейной системы на данной частоте является суммой откликов на каждое из возмущений. Парциальная доля отклика сложной системы на к-ое возмущение на і-ой частоте определяется ординатой Фк(ї) частотной характеристики
системы. Конструкция или система считается сложной, если в ней невозможно заранее выделить все подсистемы (подконструкции).
Для анализа сложных систем в настоящее время применяется принцип декомпозиции. Применение принципа декомпозиции позволяет представить модель в виде ряда управляемых механических цепей, через которые передаются возмущения и управляющие воздействия. В управляемом приводе с КЭСУ возможно совпадение собственных частот привода с собственными частотами системы управления, что приведёт к увеличению отклонений управляемых параметров. Для уменьшения ошибок управления необходимо, чтобы частоты управляющих воздействий были значительно выше собственных частот привода.
В настоящее время в математике отсутствует строгое определение термина "декомпозиция", однако, многие исследователи подразумевают под этим разложение исходного объекта или его модели на более простые объекты, причем, совокупность этих более простых объектов эквивалентна исходному. В прикладных исследованиях декомпозиция математических моделей объектов применяется в основном для решения задач управления. В частности, при нахождении оптимальных управляющих воздействий на модель процесса для достижения определенной цели математическая модель процесса, представляющая собой динамическую систему с управлениями и возмущениями, декомпозируется на замкнутые модели управляемых процессов, которые не связаны друг с другом. Выбор конкретной схемы декомпозиции в значительной мере определяется особенностями решаемой задачи и во многих случаях неоднозначен. Все реальные декомпозиции являются приближенными и системы, которые в них участвуют, взаимосвязаны.
Математический анализ проблемы декомпозиции управляемых систем привел к появлению понятий гомеостаза как синтезирующих управлений (обратных связей), осуществляющих декомпозицию и поддерживающих стабильной некоторую совокупность величин, называемых внутренней средой. Стабильность внутренней среды является необходимым условием функционирования системы и обеспечивается синтезирующими управлениями, избирательно воздействующими на подсистемы и поддерживающими постоянными их параметры. Если управляемая система, ввиду изменения характера внешних воздействий или внутренних изменений, уже не может поддержать стабильной свою внутреннюю среду с помощью прежнего гомеостаза, она должна "выйти" на новый гомеостаз, возможно дающий другую структуру декомпозиции.
Результаты экспериментальных исследований, их анализ и сравнение экспериментальных данных с расчетными
Система выпуска ДВС включает штатные приемную трубу и глушитель шума, а также дополнительную гофрированную трубу для вывода отработавших газов в атмосферу.
В связи с отсутствием у установки принудительного обдува воздухом ДВС для его охлаждения, существует ограничение по непрерывному времени работы ДВС - до 10 мин.
Для проведения экспериментов на стенде применяется специальная измерительная аппаратура. Она включает в себя: - магнито-электрические датчики частоты вращения с зубчатыми дисками в кол-ве 4х шт., установленные на валах всех четырех объектов стенда (коленчатом валу ДВС, ведущем валу главной передачи моста и на обоих маховиках (диске и колесе) (Рис. 3.2.); - преобразователь электрического сигнала датчиков из аналогового в цифровой код; датчика на валу редуктора Кинематическая схема экспериментальной установки представлена на рис.3.3
Порядок проведения эксперимента: 1. Запускается ДВС при выключенном сцеплении. 2. Включается передача и сцепление, маховики разгоняются до установленной скорости. Исследование включало серии опытов в соответствии со скоростью маховика-объекта: от 1000 до 4800 об/мин на каждой передаче. 3. Поддерживается постоянная скорость и производится синхронное измерение мгновенного значения угловой скорости ДВС и маховиков-объектов. 4. Увеличивается подача топлива в ДВС, производится разгон маховиков-объектов и синхронное измерение текущих значений угловой скорости ДВС и маховиков-объектов на следующем скоростном режиме. 5. Снижаются обороты коленчатого вала двигателя вплоть до полной остановки.
Определение мгновенных значений угловой скорости валов установки производилось при помощи измерительной системы. Регистрировалось время поворота на заданный угол одновременно на трёх валах. Сигналы датчиков при помощи ПК преобразовывались в цифровую форму, после чего определялись углы закручивания участков, крутящие моменты и мощность.
Планирование числа экспериментов производилось по стандартным методикам. Для подтверждения адекватности математической модели реальному процессу можно воспользоваться сравнением данных, полученных во время эксперимента, с решением адаптированной к особенностям стенда математической модели. Конструктивные параметры, принятые в математической модели, соответствуют характеристикам экспериментального стенда.
Планирование числа экспериментов производилось по стандартным методикам [41]. Минимальное количество опытов по каждой серии - 5. Для количества опытов п = 5 в каждой серии дисперсия D = 0.105, коэффициент вариации =0.0128, среднеквадратичное отклонение = 0,524, точность измерений = 0,028526. При доверительной вероятности = 0,9 для данного количества опытов и коэффициенте Стьюдента = 1,73 доверительный интервал = 0,125 действительное значение = 25,4 ± 0,125; относительная погрешность 8 = 6,8 %. Результаты экспериментальных исследований и их сравнение с теоретическими данными, полученными на математической модели, представлены в таблице 3.1.
Наибольшие амплитуды углов поворота масс экспериментальной установки наблюдаются на малых оборотах коленчатого вала ДВС. С ростом оборотов амплитуды снижаются по причине увеличения возмущающей частоты колебаний.
На частоте близкой к 2400 об/мин. Наблюдается увеличение амплитуды углов закручивания участков привода. Это объясняется совпадением собственной частоты колебаний привода с вынужденными колебаниями и появлением резонансных явлений (Табл.3.2). При этом наибольшая амплитуда углов закручивания наблюдается на участке между ДВС и редуктором. Результаты расчетов собственных частот привода экспериментальной установки приводятся в Приложении Г. Используя результаты экспериментов по амплитудам углов поворота масс, рассчитываем упругие моменты на участках и потери мощности из-за присутствия гармонических составляющих крутящего момента ДВС (Рис. 3.6 и Рис. 3.7).
Расчеты по экспериментальным данным показывают что потери мощности в приводе из-за присутствия в нем гармонических составляющих крутящего момента ДВС достигают 10%, при малых и средних частотах вращения коленчатого вала ДВС, при чем наибольшие их составляющие при резонансе. 500
Из представленных графиков видно, что характер изменения параметров стенда, полученного при решении математической модели, близок к результатам, полученным при экспериментальных исследованиях. Как было отмечено выше, расхождения не превышают 15%, то есть математическая модель адекватна реальной системе и может быть использована для разработки инженерной методики расчета динамики приводов машин с ДВС (прилагается).
По результатам экспериментальных исследований можно констатировать, что разработанная математическая модель колебательных процессов в приводе КЭСУ адекватна и пригодна для исследования крутильных колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в КЭСУ различных схем.
Влияние пульсационной составляющей крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ
При прямом суммировании моментов ЭД и ДВС без планетарной передачи (пунктирная кривая на Рис.5.5) ЭД используется для разгона до 750 об/мин, соответствующих оборотам холостого хода ДВС. Затем после запуска ДВС до 4300 об/мин двигатели работают совместно, далее ЭД должен быть отключен от привода и движение до 5600 об/мин происходит только за счет энергии ДВС. При этом, как показали испытания и расчеты, в приводе наблюдаются повышенные динамические нагрузки.
При использовании планетарного редуктора с разделением силовых потоков (сплошная кривая на Рис. 5.5) реализуется следующая схема движения автомобиля и работы привода. Трогание автомобиля с места и движение со скоростью до 531 об/мин выходного вала СР ( 11 км/час при передаточном числе трансмиссии 5,18) осуществляется на ЭД. При частоте 531 об/мин выходного вала СР (750 об/мин вала ДВС) запускается ДВС и последующий разгон осуществляется при параллельной работе ЭД и ДВС до 3900 об/мин выходного вала СР (5600 об/мин вала ДВС). При этом вращающий момент на выходном валу выше, чем при отсутствии планетарного СР.
Как уже отмечалось выше, причинами динамических нагрузок в трансмиссии машин могут быть различные факторы. Это погрешности при изготовлении деталей привода (валов, муфт, зубчатых колес, шлицевых соединений и т.п.), неравномерность вращения ведущих колес автомобиля вследствие неровности дорожного полотна и рабочего хода подвески, неравномерности вращения коленчатого вала ДВС из-за наличия гармонических составляющих крутящего момента и т.д.
Уменьшение влияния погрешностей изготовления обеспечивается при проектировании передач выбором конструкции элементов и технологическими возможностями производственных предприятий.
Снижение влияния работы подвески на крутильные колебания трансмиссии также является сложной задачей. Исследования по данному вопросу проводятся ведущими конструкторскими отделами заводов, научными и академическими институтами.
Третья причина, неравномерности вращения коленчатого вала ДВС из-за наличия гармонических составляющих крутящего момента исследуется уже давно, но применительно к приводам с КЭСУ - впервые в данной работе.
Общая методика определения динамических нагрузок и потерь мощности в приводе приведена в Главах 2 и 4.
Как отмечалось ранее, целью создания приводов машин с КЭСУ было повышение экологических показателей и снижение расхода топлива. К сожалению, избежать снижения динамических показателей автомобилей не удастся, т.к. перечисленные требования являются противоречащими друг 127 другу. Применение результатов инженерного расчета при проектировании привода с КЭСУ в соответствии с предлагаемой методикой, позволяет получить наиболее оптимальные конструктивные параметры и кинематические зависимости, сформулировать исходные данные для проектировщиков системы управления, исследовать влияние массово-геометрических и упруго диссипативных параметров механической системы на колебания привода и выбрать рациональное конструктивное решение, определить параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе. Использование методики сократит время принятия решений по конструкции СР КЭСУ, позволит получить больший эффект от применения КЭСУ в целом. 1. планетарный редуктор в приводе автомобиля с комбинированной энергетической силовой установкой должен использоваться для разделения силовых потоков от ДВС и от электродвигателя, что создает предпосылки для упрощения системы управления двигателями и возможности движения только на электротяге; 2. электродвигатель целесообразно устанавливать на выходном валу, а ДВС - на том звене планетарной передачи, передаточное отношение к выходному валу которого соответствует отношению максимальных оборотов ДВС и электродвигателя. Максимальные обороты электродвигателя должны отвечать тяговому режиму работы электрической машины; 3. разработанная инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с комбинированной энергосиловой установкой позволяют: - получить решение по конструкции КЭСУ, близкое к оптимальному; - сформулировать исходные данные для проектировщиков системы управления; 128 исследовать влияние массово-геометрических и упруго диссипативных параметров механической системы на колебания привода и выбрать рациональное конструктивное решение; - определить параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе; 4. наибольшее влияние на динамические нагрузки и потери мощности в КЭСУ оказывает основная гармоническая составляющая первого порядка крутящего момента ДВС; 5. формы крутильных колебаний на частотах вращения привода практически не зависят от передаточного отношения в трансмиссии; 6. упругие моменты, возникающие при колебаниях привода от гармонических составляющих вращающего момента ДВС, соизмеримы с моментом полезного сопротивления; 7. мощность потерь при резонансных режимах может достигать 12 % (в среднем - 4,5 %) от полезной мощности; 8. снижение амплитуд колебаний проектируемых трансмиссий может быть достигнуто в результате конкретного анализа с использованием разработанной математической модели. Например, для существующей конструкции Иж-21261 с КЭСУ можно рекомендовать увеличение жесткости участков трансмиссии от ЭД до СР до 22000 Н м/рад путем замены ременного привода, например, зубчатым. В этом случае амплитуды снижаются на 10-15 %, динамические моменты (упругие и диссипативные) на 40-45 %, а потери мощности - до 40 %, в зависимости от режимов работы привода.
