Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Гибридные электромобили - перспективный сегмент мирового рынка автомобилей 10
1.2. Основные конструктивные схемы автомобилей, оснащенных комбинированной энергоустановкой 14
1.2.1. Последовательная схема 14
1.2.2. Параллельная схема 17
1.2.3. Смешанная (параллельно-последовательная) схема 20
1.2.4. Раздельная схема 22
1.3. Направления исследований, связанных с улучшением функциональных свойств гибридных электромобилей 24
1.4. Математическая модель ЭМ с КЭУ многофункционального и обобщенного характера 30
1.5. Основные подходы при изучении системы тягового электрического привода и автомобиля в целом 33
1.6. Выводы по главе 1 35
1.7. Цели и задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Теоретические исследования 38
2.1. Исследование установившегося движения автомобиля 38
2.1.1. Схема движения 38
2.1.2. Определение реакций по колесам автомобиля 44
2.1.2.1. Классическая компоновочная схема (задний привод) 44
2.1.2.2. Переднеприводная компоновочная схема 53
2.1.2.3. Полноприводная компоновочная схема 55
2.1.3. Определение суммарного увода оси автомобиля 56
2.1.3.1. Определение силового увода колес автомобиля 56
2.1.3.2. Определение кинематического увода колеса автомобиля.. 58
2.1.3.3. Определение кинематического увода оси автомобиля 60
2.1.4. Критерии оценки устойчивости и управляемости установившегося движения автомобиля
2.1.5. Результаты и выводы по установившемуся движению автомобиля 65
2.2. Исследование неустановившегося движения автомобиля 75
2.2.1. Диффренциальные уравнения неустановившегося движения автомобиля 75
2.2.2. Критерии оценки устойчивости и управляемости автомобиля при неустановившемся движении 83
2.2.3. Результаты и выводы по неустановившемуся движению автомобиля 83
2.3. Выводы по главе 2 86
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 88
3.1. Цели и задачи экспериментальных исследований 88
3.2. Объект и оборудование для исследования 88
3.3. Экспериментальное определение показателей, характеризующих моментную характеристику электродвигателя 98
3.3.1. Условия проведения испытаний 98
3.3.2. Методика проведения испытаний 98
3.4. Экспериментальное определение показателей, характеризующих устойчивость и управляемость АТС 99
3.4.1. Стендовые испытания 99
3.4.2. Лабороторно-дорожные испытания - «поворот Rn = 35 м» 101
ЗА2.1.Требования кобъекту испытаний 101
3.4.2.2. Программа и методика проведения экспериментальных исследований «поворот Rn = 35 м» 102
3.4.3. Лабороторно-дорожные испытания - «рывок руля» 105
3.4.4. Испытания, оценивающие надёжность управления 107
3.4.4.1. Условия проведения испытаний 107
3.4.4.2. Методика проведения испытаний 107
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их сравнительная оценка с теоретическими исследованиями 109
4.1. Результаты оценки моментной характеристики ТЭД 109
4.2. Результаты оценки установившегося режима движения 111
4.3. Результаты оценки неустановившегося режима движения 115
4.4. Выводы по главе 4 119
4.5. Экономический эффект 120
Общие выводы 123
Приложения 126
Список сокращений 151
Библиографический список 152
- Гибридные электромобили - перспективный сегмент мирового рынка автомобилей
- Определение реакций по колесам автомобиля
- Экспериментальное определение показателей, характеризующих моментную характеристику электродвигателя
- Результаты оценки моментной характеристики ТЭД
Введение к работе
В последние десятилетия значительно возросло производство автомобилей, что послужило резким обострением энергетических и экологических проблем во многих промышленно-развитых странах мира. Особенно страдают от этого обострения крупные промышленные города.
Сформировавшаяся обстановка обусловливает ужесточение требований, предъявляемых к содержанию и уровню выбросов ДВС. Так, с 2009 года вступят в силу новые, более жесткие федеральные нормативы по токсичности выхлопа Tier 2 [2]. С другой стороны, существует проблема, которая характеризуется снижением мирового запаса топлива. Данные обстоятельства обуславливают появление задачи, решением которой будет являться альтернативный источник энергии (энергоустановка), способный удовлетворить всем необходимым условиям.
Анализ современной литературы [4, 8,9, 16,24, 28,30,32, 34-40,42,44, 45, 49, 50-53, 58, 59, 62, 68, 69, 72, 93, 95-98, 103-105 и др.] показывает, что создание и освоение производства автотранспортных средств с электрической энергоустановкой (Electric Vehicle), позволяющей коренным образом решить вопросы экологии и экономии органических энергоресурсов, с конца XX века стало приоритетным. И это закономерно. Так, в России ведутся разработки электромобилей и электробусов на основе различных типов аккумуляторных батарей (АБ) (свинцово - кислотных, никель -кадмиевых, никель - металлогидридных). В 1997 г. в Москве создана эксплуатирующая организация ЗАО ЭЛТРАН, которая организовала опытную эксплуатацию на ВВЦ парковых электробусов, развозных грузовых электромобилей на базе Газель, некоторых других типов электромобильных транспортных средств. Указанные транспортные средства используют в качестве бортового источника энергии ионисторы (производства АО ЭСМА), свинцово-кислотные аккумуляторы («Москвич» М2141, аккумуляторы фирмы «SONNENSCHEIN»), «ЗИЛ-5301» с рулонными свинцовыми
7 аккумуляторами (фирма «OPTIMA BATTERIES»), АО АВТОВАЗ производит электромобили на базе автомобиля «Ока», имеются разработки электромобилей на базе «НИВА-КЕДР» и др. Технические характеристики имеющейся техники не высоки, пробег не превышает 25 км при использовании ионисторов, 60 км - при свинцовых АБ [4].
Оценка эффективности электромобильного транспорта по сравнению с автомобилями, оснащенными ДВС в соответствии с методическими рекомендациями по комплексным мероприятиям, направленным на ускорение научно-технического прогресса в автомобилестроении показывает [45]: є области экологии: S снижение загрязненности воздушного пространства автотранспортом за счет предотвращения вредных выбросов, даже с учетом косвенного загрязнения от электростанций, расположенных вне города; / практическое исключение применения моторных масел, топлива и охлаждающей жидкости, что способствует охране почвы, фунтовых вод и зеленых насаждений; S снижение уровня шума от транспортного средства на 10 — 15 %.
В части эксплуатации: /сокращение расхода топлива и других энергетических затрат, поскольку КПД автомобиля с ДВС, не превышает 15 %, а у электромобиля он составляет не менее 25 %, электромобиль не расходует энергию на остановках и имеет возможность рекуперации энергии при торможении и при движении под уклон; / трудозатраты на техническое обслуживание (ТО) и текущий ремонт (ТР) электромобиля вдвое ниже, чем для автомобиля с ДВС, с учетом замены блоков комплектующего оборудования на месте без буксировки; /заряд источников тока в ночное время способствует повышению эффективности суточной работы электростанций;
8 S улучшение условий труда водителей за счет упрощения управления транспортом. В части производства: S по зарубежным данным, при изготовлении малых партий электромобилей грузоподъемностью 0,5 - 1,5 т их стоимость превышает на 25 - 50 % стоимость автомобилей с ДВС из-за значительных капитальных вложений в разработки высокоэффективных энергоисточников, систем электропривода и т.д. Однако при достижении объема выпуска электромобилей 20 тыс. в год стоимость их может сравняться; S технология производства всех групп типажа электромобилей проще, чем аналогичных автомобилей, за счет снижения количества деталей и узлов, требующих дорогостоящего оборудования со сложными технологическими линиями; / освоение производства электромобилей позволит создать новые рабочие места на предприятиях машиностроения, электротехники и электроники, что весьма актуально для активации роста их производства и решения проблем конверсии высокотехнологичных предприятий бывшего военного комплекса. Анализ мероприятий, направленных на повышение эффективности использования ЭМ показывает, что основными направлениями в разработке электромобилей (ЭМ), являются исследования: S новых оригинальных конструкций ЭМ на базе применения алюминия (GM, Ford, Chrysler и др.), Ґ высокой эффективности (технико-экономических качеств), S источников энергии с удельной энергией 80-100 Втхч/кг, S шин с низким коэффициентом сопротивления качению и др. Эти меры позволяют увеличить пробеги до 160 - 200 км и сделать ЭМ вполне конкурентоспособным с автомобилем, имеющим ДВС [94]. Однако электромобиль до сих пор не нашел широкого применения в тех
9 транспортных «нишах», которые занимают массовые АТС - грузовые и легковые автомобили. Причины хорошо известны: S необходимость подзаряда и тренировка АБ в электрической сети, что доставляет неудобства эксплуатации, связанные с обслуживанием
АБ (специальное оборудование и специально обученный персонал); S заряд через бортовое зарядное устройство длится более 8 часов, а для «быстрого» (в течение 20-30 минут) заряда требуются специальные силовые стационарные станции; S ограниченный запас хода при нынешних энергетических показателях бортовых источников энергии (АБ); / небольшая грузоподъемность (пассажировместимость) при достигнутых массогабаритных показателях комплектующего оборудования; S отсутствие развитой инфраструктуры - станции зарядки АБ, технического обслуживания, ремонта и утилизации активных материалов энергетической установки; S недостаток мощностей по производству специального электротехнического оборудования.
Чтобы устранить эти причины, нужно многое. И прежде всего -огромные финансовые затраты на НИР и коренную перестройку автомобильной промышленности [96].
В настоящее время все эти факторы дали толчок важному стратегическому направлению, связанному с созданием транспортных средств с комбинированными энергоустановками (КЭУ), служащее своего рода «мостом» между автомобилем с ДВС и электромобилем, который позволит перейти к созданию конкурентоспособного ЭМ.
Очевидность достоинств ЭМ, безусловно, играет определяющую роль при выборе направлений исследования, нахождении рациональных путей создания новых автотранспортных средств, имеющих повышенные функциональные качества.
Гибридные электромобили - перспективный сегмент мирового рынка автомобилей
Важнейшими из социально-экономических требований, предъявляемых к городским транспортным средствам, является главным образом снижение расхода жидкого топлива, повышение эксплуатационных и экономических показателей, уменьшение загрязнения атмосферы отработанными газами. Реализация этих требований на практике весьма затруднительна, так как улучшение одних показателей, как правило, приводит к ухудшению других. Примером могут послужить автомобиль и электромобиль.
Разработка и создание ЭМ с КЭУ призваны найти компромиссное техническое решение: с одной стороны, уменьшить потребление жидкого топлива и загрязнения окружающей среды по сравнению с автомобилем, оснащенным только ДВС, а с другой - повысить технико-эксплуатационные и экономические показатели «чистого» ЭМ. Причем на первом месте стоят такие КЭУ, которые состоят из обычного теплового двигателя (ДВС, работающего на бензине, дизельном топливе, газе или альтернативном виде топлива), генератора и буферного накопителя электрической энергии (аккумуляторная батарея или блок конденсаторов). То есть из источников, один из которых рассчитан на длительную реализацию энергии, а второй - на кратковременное использование при преодолении «пиковых» уровней нагрузок. Дело в том, что мощность комбинированной энергетической установки, реализуемой для целей тяги, можно условно разделить на две составляющие, первая из которых при движении АТС тратится на преодоление его сопротивления качению и сопротивления воздуха, а вторая -на увеличение его кинетической энергии. При этом первая, сравнительно небольшая по величине, использует значительную часть времени каждого цикла, но изменяется в довольно узких пределах, вторая, в несколько раз больше первой, наоборот, реализуется лишь в течение части цикла (разгон, преодоление подъема). Комбинирование источников энергии позволяет в полной мере реализовать их положительные качества: большую энергоемкость одних и большую мощность других. В результате, появляется возможность использования стационарного (или близкого к стационарному) режима работы теплового двигателя, в котором он характеризуется наиболее высокой топливной эффективностью и низким уровнем выбросов. При этом динамические характеристики (разгоны) автомобилей с КЭУ, как правило, лучше, что объясняется более благоприятным протеканием кривой крутящего момента у электромашины, чем у ДВС. Заряженная буферная батарея позволяет выключать тепловой двигатель на остановках транспортного средства. А наличие электродвигателя и буферной батареи способствует сохранению энергию механического движения транспортного средства при его торможении (рекуперативное торможение), что также экономит топливо [7,34, 68].
Если сравнивать автотранспортные средства (АТС) имеющих КЭУ с электромобилем, то здесь следует отметить тот факт, что радиус действия «чистого» электромобиля («АКБ - электромотор») составляет 120 - 250 км без подзарядки АКБ от сети, а у автомобилей-гибридов он равен 500 - 1000 км [7,103](см.табл.1.1).
Из сказанного выше ясно, что гибридные электромобили представляют очень широкие возможности для энергетики движения транспортного средства как с точки зрения использования первичных источников, так с точки зрения комбинации различного типа источников энергии, мощности и тяговых приводов.
Сегодня разработкой комбинированных конструкций занимаются почти все крупные автопроизводители. Начальные весьма впечатляющие успехи рыночного внедрения гибридных пассажирских электромобилей связаны с их перспективностью.
Определение реакций по колесам автомобиля
Автомобиль представляет собой сложную механическую систему, состоящую из большого числа элементов, соединенных различного рода связями. Теоретические исследования движения автомобиля с учетом всех связей между определенными элементами представляют собой весьма сложную задачу. Решение задачи зависит от большого количества факторов, охватывающих характеристики КЭУ, тягового электропривода, автомобиля в целом и условий эксплуатации. Для этого необходима модель соответствующая реальному автомобилю. В литературе [5, 6, 7, 12, 15, 18, 19, 22, 30, 39, 54, 55, 67, 73, 74, 76, 77, 79, 80, 81-85, 87, 89, 110-112 и др.] описаны математические модели различной сложности, зависящей, прежде всего, от решаемой задачи.
Наиболее распространенной является плоская одномассовая модель. При помощи этой модели можно решать многие задачи управляемости и устойчивости автомобиля. Тем не менее, возможности плоской модели весьма ограничены. Существенным недостатком одномассовой плоской модели является то, что нельзя теоретически исследовать влияние на управляемость таких конструктивных параметров, как кинематика рулевого привода. Одно-массовая модель не учитывает такого важного фактора, как перераспределение нормальных реакций на колесах автомобиля.
Влияние перераспределения вертикальных реакций можно исследовать, применяя пространственную модель [64].
Необходимо отметить, что трудности при решении задачи с учетом большого числа степеней свободы, не всегда компенсируются новыми сведениями, получаемыми в результате этого усложнения. В каждом конкретном случае необходимо рассматривать минимальное количество степеней свободы, оказывающих основное влияние на характер рассматриваемого движения автомобиля.
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что для исследования управляемости и устойчивости легкового автомобиля не всегда целесообразно создание какой-то новой математической модели. Возможна адаптация одной из существующих моделей.
В нашем случае математическое описание требует следующее.
Реальная траектория движения автомобиля всегда в той или иной степени является криволинейной, поэтому первым этапом создания математической модели является рассмотрение движения автомобиля по кругу. Круговое движение автомобиля можно рассматривать как установившееся с постоянным углом поворота колес при постоянстве внешних сил, действующих на автомобиль и достигаемое через промежуток времени, достаточно большой, когда все переходные процессы полностью заканчиваются.
Для описания установившегося криволинейного движения была выбрана плоская одномассовая модель, Так как переход к пространственной модели в основном связан с влиянием различных факторов на угол увода колес, то можно оставить «велосипедную» модель автомобиля, а боковые реакции рассматривать с помощью эквивалентных коэффициентов сопротивления уводу осей, предложенных профессором Селифоновым В.В. [79, 80].
Рассмотрим схему сил, действующих на автомобиль классической компоновки при повороте (рис.2.1).
При моделировании установившегося движения автомобиля считаются достаточно обоснованными следующие допущения:
S автомобиль движется по окружности постоянного радиуса с постоянной скоростью; / движение происходит по абсолютно ровной горизонтальной поверхности, не учитываются вертикальные перемещения масс и поворот их вокруг поперечных осей; S коэффициенты сцепления колес с дорогой в прямом и боковом направлении одинаковы: фх=фу=ф. S стабилизирующие моменты шин отсутствуют; S кузов автомобиля абсолютно жесткий, деформации передней и задней подвесок одинаковы; S управляющее воздействие прикладывается к управляемым колесам автомобиля, поэтому динамика рулевого управления не принимается во внимание; Учитываются: / крен кузова; S характеристики подвески и шин.
Действующая в центре масс боковая нагрузка Fy вызывает крен кузова. В результате крена кузова центр масс подрессоренных частей смещается как по высоте, так и по колее.
Смещением центра масс по высоте, можно пренебречь, т.к. в реальных условиях крен не превышает 5, вследствие чего Ahg стремится к 0.
Так как при малых углах крена можно допустить, что tg у = у, то боковое смещение центра масс при малых углах крена определяется по формуле:
Экспериментальное определение показателей, характеризующих моментную характеристику электродвигателя
В соответствии с поставленной общей задачей экспериментальные исследования должны позволить уточнить результаты теоретического анализа влияния комбинированной энергоустановки на поведение автомобиля, прежде всего на устойчивость движения и его управляемость, а также на маневренность и поворотливость.
Целью экспериментальных исследований является выработка предложений, на основе которых будут: S сформулированы, преимущества и недостатки автомобиля обладающего данной установкой; S выявлены характеристики, названные в задаче исследований эксплуатационных качеств данного автомобиля; S рассмотрены и проанализированы происходящие в механизмах процессы взаимодействия автомобиля с внешней средой, служащие для нахождения рациональных решений (в том числе с построением и использованием математической модели объекта). Выводы, полученные, в ходе экспериментов позволят, выявить эффективность применения комбинированной энергоустановки на базе данного автомобиля, используя при этом различные компоновочные схемы. Легковой автомобиль ВАЗ - 21213. Основные технические данные серийного и гибридного автомобилей приведены в таблице 3.1.
Данные испытания позволили оценить правильность расчета моментной характеристики ТЭД, посредством которой было оценены установившиеся и неустановившиеся режимы движения автомобиля-гибрида при заднеприводной компоновочной схеме.
. Условия проведения испытаний.
Испытания проводились на участке длинной 100 м и шириной 3 м в летнее время на дороге с асфальтовым покрытием, при температуре +23 С. Автомобиль испытывался при нагрузке 2 человека.
Методика проведения испытаний.
Движение осуществлялось от ТЭД. АТС разгоняли до 40 км/ч, при этом в процессе испытаний регистрировали такие показатели, как: S U - напряжение подаваемое на обмотку якоря, В; S 1я - ток якоря, А; S ш - угловая скорость вращения ротора, с"1. Примечание. На рис.3.13 представлен тестер, посредством которого осуществляли измерение выше указанных показателей, использование численных значений которых, позволило вычислить крутящий момент двигателя. Данный тестер подсоединялся к контроллеру типа CURTIS 1244-8 через специальный разъем (см. рис. 3.11).
В 1993 г. Главным управлением по автомобильной промышленности совместно с НИЦИАМТ была разработана комплексная методика оценки управляемости и устойчивости [109], включающая в себя проведение стендовых и лабороторно-дорожных испытаний легковых полноприводных и полноуправляемых автомобилей, с целью исследования сопоставимости получаемых результатов. В качестве объектов исследования использовались полноприводные легковые автомобили М-21416, ВАЗ-2121 и полноприводный и полноуправляемыи автомобиль Мицубиси Талант 2000011-16 V.
. Стендовые испытания
Проведение стендовых испытаний сводилось к определению показателей поперечной статической устойчивости против опрокидывания при наклоне платформы стенда до величин, при которых наблюдается отрыв колес одной стороны автомобиля от опорной поверхности.
Определяемыми показателями являлись: S Угол опрокидывания Є, равный углу наклона платформы при указанных выше условиях; S Угол крена подрессоренных масс Я при опрокидывании; S Высота центра масс над опорной поверхностью И; S Коэффициент поперечной устойчивости, равный отношению половины осреднённой колеи автомобиля к высоте центра масс:
При проведении испытаний использовался комплект аппаратуры, включающий датчик угловых перемещений платформы стенда (рис.3.14), разработанный с использованием фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений ЕЕ178А5.
Результаты оценки моментной характеристики ТЭД
Анализ экспериментальных исследований, связанных с экспертной оценкой качества управляемости и устойчивости автомобиля, проведенных НАМИ, показал:
1) При движении по прямой, наименьшие трудности в управлении, вызвал переднеприводный автомобиль, представленной марки («АЗЖ»). На его прямолинейное движение не оказывали заметного влияния ни неровности дороги, ни изменение коэффициента сцепления.
В тех же условиях гораздо хуже зарекомендовали себя автомобили классической компоновки. Они показали большую склонность к заносу, который требовал немедленной коррекции.
Однако следует отметить неудовлетворительное поведение переднеприводного автомобиля при движении по неглубокой укатанной колее. Автомобиль теряет траєкторную и курсовую устойчивость. При этом происходят совершенно непрогнозируемые поперечные перемещения задней и в особенности передней оси. Эти перемещения водитель корректирует с некоторым запаздыванием (из-за их внезапности и из-за времени реакции водителя), что приводит к увеличению амплитуды перемещений и развитию колебательного процесса.
Представленные результаты, подтверждают качественно, результаты проведённых теоретических исследований неустановившегося движения. Так, при расчёте манёвра «рывок руля» автомобиль, осуществляющий движение от заднего привода, подвержен заносу, вследствие буксования наружного колеса задней (ведущей) оси. Подобное обстоятельство при эксперименте связано с недогрузкой одного из колес, вызываемая неровностями дороги, что касается теоретического расчёта, то, как уже было сказано раннее (см. выводы главы 2), появление заноса вызвано, также недогрузкой наружного колеса, обусловленного действием боковой силы, нагружающей заднюю ось при повороте.
Результаты теоретического расчета переднеприводного автомобиля при осуществлении подобного маневра, выявили возникновение колебательного процесса угла крена автомобиля, подобный тому, который возникает при выполнении экспериментальных исследований проведённых НАМИ. Снижение вероятности возникновения колебательного процесса, в значительной степени достигается оптимизацией соотношения угловых жесткостей подвесок, это подтверждается экспериментальными исследованиями других марок автомобилей проведенных НАМИ. Так испытания, проведенные на полигоне «НАМИ» автомобиля ИЖ-27156 показали, что для повышения устойчивости управления автомобилем и уменьшении угла крена подрессоренных масс, рекомендуется устанавливать на автомобиле стабилизаторы в передней и задней подвеске.
Использование полноприводного варианта также позволяет снизить, а в ряде случаев и вовсе исключить колебательный процесс угла крена подрессоренных масс. Это хорошо прослеживается при теоретическом расчете маневра «рывок руля» базового полноприводного варианта автомобиля ВАЗ-21213. Однако при увеличении бокового ускорения, посредством увеличения угловой скорости вращения рулевого колеса, вновь возникает колебательный процесс, но с меньшей амплитудой.
2) При движении в повороте автомобиль с передними ведущими колесами требует большей осторожности в выборе начальной скорости входа в поворот. У него совершенно чётко проявляется склонность к потере траекторной устойчивости по сносу, что является очень опасным именно из-за контраста между поведением автомобиля на прямой и в повороте.
Поэтому оценки здесь и переднеприводного автомобиля ниже, чем у автомобилей классической компоновки, у которых переход от прямой к повороту, более плавный и заранее прогнозируется занос задней оси. При этом надо отметить, что фаза сноса у переднеприводного автомобиля (т.е. неуправляемое движение) больше по времени, чем фаза управляемого заноса у заднеприводного автомобиля. Т.е. при входе в поворот с одинаковой скоростью заднеприводные автомобили значительно раньше переходят в стадию управления (хотя бы частичного) траекторией. Но при этом движение в управляемом заносе на заднеприводных автомобилях требуют исключительно точной работы органами управления, чего нельзя ждать от среднего водителя. Поэтому говорить о превосходстве заднеприводных автомобилей в повороте нельзя.
Если в поворот переднеприводный автомобиль вошел на критической скорости, то движение на нем по траектории требует от водителя меньших затрат энергии. Автомобиль имеет некоторую тенденцию к заносу, который может появиться, например, в скользком повороте при движении с выключенным сцеплением. Этот занос легко корректируется, и корректировать его можно несколькими способами: поворотом рулевого колеса (как и на заднеприводном автомобиле) и положением педали акселератора. Т.е. при движении переднеприводного автомобиля в повороте, требуется в основном контроль над силой тяги на ведущих колесах.
