Электромеханическая трансмиссия для военной гусеничной с гибридной силовой установкой

DOI 10.5862/JEST.219.18 УДК 623.438.3-23

О.А. Усов, М.Н. Гусев, А.В. Лойко, А.С. Макаров

электромеханическая трансмиссия для военной гусеничной машины с гибридной силовой установкой

O.A. Usov, M.N. Cusev, A.V. Loyko, A.S. Makarov

electromechanical transmission for military tracked vehicle with hybrid power plant

Разработаны кинематическая схема электромеханической трансмиссии и конструкция ее силового блока для военной гусеничной машины массой 54 т и максимальной скоростью 75 км/ч. Определены рациональные значения кинематических и силовых параметров и характеристик трансмиссии и гибридной силовой установки. Выбран вариант управления тепловым двигателем, обеспечивающий минимальный расход топлива при движении машины по тестовой трассе.

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА; ВОЕННАЯ ГУСЕНИЧНАЯ МАШИНА; ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА; ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ; МИНИМАЛЬНЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА.

The authors developed the kinematic scheme of electromechanical transmission and designed its power block for the military track laying vehicle weighing 54 t and with a maximum speed of 75 km/h; they defined rational values of kinematic and power parameters and characteristics of the transmission and the hybrid power plant; power of the heat engine, generator, power electric motors and electrical drives energy. This paper presents external fuel and power characteristics of a heat engine with coordinates of the minimum specific fuel consumption, when the option of controlling the heat engine which provides minimum fuel consumption at the vehicle movement on the test route is chosen.

KINEMATIC SCHEME; MILITARY TRACKED VEHICLE; HYBRID POWER PLANT; ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION; MINIMUM FUEL CONSUMPTION.

Одно из перспективных направлений в развитии шасси военных гусеничных машин (ВГМ) — применение электромеханических трансмиссий (ЭМТ) с гибридными силовыми установками (ГСУ). Этому способствует значительный прогресс в производстве малогабаритных электромашин с высокой удельной мощностью [1—3], электрических и электронных устройств, обеспечивающих преобразование электрического тока и управление электромашинами [4], а также накопителей энергии (НЭ) с большой энергоемкостью, допускающих значительное число перезарядок [5].

Во ВНИИТрансмаш в результате инновационных исследований систематизированы воз-

можные схемы ЭМТ по принципу преобразования и передачи энергии к ведущим колесам, разработаны варианты управления тепловым двигателем гСу, обеспечивающие существенное повышение экономичности эксплуатации ВгМ, разработана методика определения необходимых кинематических и силовых параметров агрегатов ЭМТ и ГСУ, обеспечивающих современные требования по подвижности ВГМ [6].

Для расчетно-исследовательского сопровождения конструкторских работ разработан метод выбора рационального варианта схемы ЭМТ и управления ГСУ на основе оценки средней скорости движения и путевого расхода топлива по результатам моделирования движения ВГМ

по тестовой трассе [7]. Созданы методики и программы расчета функциональных характеристик эМт с гсу, динамических процессов, происходящих в них при переходных режимах работы, показателей нагруженности и долговечности основных механических узлов эМт, а также для определения показателей оперативной подвижности ВгМ в различных условиях эксплуатации [8]. разработан алгоритм автоматического управления эМт с гсу, позволяющий реализовать преимущества эМт по сравнению с современными моторно-трансмиссионными установками

(МТУ) ВГМ.

С использованнием созданного расчетно-ме-тодического аппарата спроектирована эМт для работы в составе шасси перспективного ВгМ и проведен сравнительный анализ характеристик ВгМ с эМт и механической трансмиссией (Мт). В качестве основной цели при выполнении указанной проектной работы ставилось повышение характеристик подвижности и топливной экономичности перспективной ВгМ за счет использования эМт с гибридной силовой установкой. При этом были решены следующие задачи:

поиск рациональной схемы и разработка на ее базе конструкции ЭМТ для перспективной ВГМ;

расчет основных функциональных и динамических характеристик ЭМТ с ГСУ, а также оценка ее долговечности в составе перспективной ВГМ;

сравнительный анализ характеристик подвижности и топливной экономичности перспективной ВГМ с механической и электромеханической трансмиссиями.

В статье представлены описание конструкции ЭМТ для ВГМ и ее основные параметры, являющиеся результатом решения первой задачи. Статьи по результатам выполнения второй и третьей задач оформляются для публикации.

Исходными данными для проектирования ЭМТ приняты: масса ВГМ тт = 54 т; максимальная скорость Утак = 75 км/ч; радиус ведущего колеса RВК=0,34 м; база машины L = 4,773 м; колея машины В = 2,807 м; передаточное число бортового редуктора иБР = 4,00; максимальная частота вращения вала теплового двигателя пТд = 2100 об/мин.

Приведенные данные соответствуют значениям параметров шасси перспективной ВГМ с механической трансмиссией.

Рациональные значения параметров и характеристик агрегатов ЭМТ и ГСУ зависят от схемы ЭМТ и должны быть согласованы между собой.

При выборе схемы ЭМТ расчет характеристик проведен для трех вариантов схем с последовательными потоками энергии (1 — центральной; 2 — бортовой без дифференциальной связи бортов; 3 — бортовой с дифференциальной связью бортов), а также для одной схемы с комбинированными потоками энергии (4-й вариант).

С учетом имеющегося конструктивного задела по асинхронным электромашинам с постоянными магнитами при расчете принято дополнительно следующее:

максимальная частота вращения вала генератора пГ тах = 8400 об/мин;

максимальная частота вращения вала электродвигателя пЭд тах = 10000 об/мин;

номинальная частота вращения вала электродвигателя пЭд н = 3300 об/мин;

коробка диапазонов (КД) имеет два диапазона.

Результаты расчета рекомендуемых значений параметров основных агрегатов ЭМТ приведены в табл. 1. В ней использованы следующие обозначения: /д(75) — удельная сила тяги при максимальной скорости движения; ИТд — максимальная мощность теплового двигателя, необходимая для соответствия техническим требованиям перспективной ВГМ; ИГ — максимальная мощность генератора, соответствующая характеристике теплового двигателя; ИЭд тах — максимальная мощность одного тягового электродвигателя; ИЭд н — номинальная мощность одного тягового электродвигателя; ИЯЭ Р — максимальная мощность, подводимая к электродвигателям от накопителей энергии; ИЯЭ Т — средняя мощность, идущая на заряд НЭ; ИВА — максимальная мощность, отбираемая на привод вспомогательных агрегатов; ^ — передаточное число КД на первом диапазоне (и2 = 1,0 — передаточное число Кд на втором диапазоне одинаково для всех вариантов схемы); ^ср — средняя скорость движения на тестовой трассе; С100 — расход топлива, отнесенный к 100 км пробега в условиях тестовой трассы.

Как видно из таблицы, по ряду показателей комбинированный (4-й) вариант схемы имеет преимущества по сравнению со схемами с последовательными потоками мощности (1—3 варианты). Однако он существенно сложнее по

Таблица 1

Основные показатели характеристики ЭМТ и ее агрегатов при различных вариантах схемы

Показатели Рекомендуемые значенияпоказателей для четырех вариантов схемы

1 2 3 4

/д(75) 0,023

ЖТД, кВт 927,6 922,1 927,6 1064,8

Жг, кВт 913,7 908,2 913,7 803,1

^ЭД шах' кВт 956,0 966,7 502,7 335,2

#ЭД н кВт 712,8 814,0 502,7 335,2

#НЭ P' кВт 313,2 313,2 313,2 313,2

#НЭ Т кВт 244,4 348,0 251,0 295,0

#ва, кВт 171,0 171,0 171,0 171,0

«1 3,559 1,694 3,275 4,125

Кср, км/ч 37,41 37,28 37,40 39,10

G100' кг 354,27 359,21 354,58 323,29

конструкции механической части трансмиссии и по системе автоматического управления. Поэтому при дальнейшей разработке он не рассматривался.

Как наиболее перспективный и простой в реализации принят вариант бортовой схемы ЭМТ с дифференциальной связью бортов [9] (3-й в табл. 1). Требующиеся характеристики теплового двигателя и генератора, а также показатели оперативной подвижности ВГМ с ЭМТ и ГСУ первых трех вариантов схем практически одинаковы. однако в третьем варианте из-за использования дифференциальной связи бортов требуется существенно меньшая установочная мощность тяговых электродвигателей.

В результате конструктивного поиска разработана схема ЭМТ, приведенная на рис. 1. В этой схеме дифференциальная связь расположена после КД, а коробка объединена с входным редуктором. Для включения обоих диапазонов используются тормоза, что снижает уровень потерь мощности холостого хода в механической части из-за отсутствия вращающихся торцевых уплотнений каналов подвода масла в бустера фрикционных узлов.

Передаточные числа узлов ЭМТ: для редуктора генератора «1 = 4,0; для редуктора электродвигателя (входной редуктор, объединенный с КД) — «кд1 = 13,841 (первый диапазон); иКд2 = = 4,260 (второй диапазон).

На рис. 2 приведена конструкция половины двигательного блока ЭМТ (силовой блок с электродвигателем и дифференциальной связью бортов).

Все зубчатые колеса планетарных рядов ЭМТ выполнены с модулем т = 4,0 мм. Для обеспечения необходимой долговечности зубчатые колеса редуктора генератора выполнены косо-зубыми с углом наклона зуба в = 16°, остальные планетарные ряды имеют прямозубые колеса. Параметр планетарного ряда дифференциальной связи рдс = 2,222.

Тормоз 1-го диапазона имеет 16 пар трения, что при давлении в гидросистеме управления рупр = 1,8 МПа обеспечивает коэффициент запаса кТ1 = 1,14 (при коэффициенте трения на срыв ^=0,12). Тормоз 2-го диапазона при 8 парах трения обеспечивает коэффициент запаса кТ2 = 1,57.

Характеристика потерь мощности в механических узлах ЭМТ, выполненных по методике [10], приведена в табл. 2.

тд

Рис. 1. Кинематическая схема ЗМт - тепловой двигатель; г — генератор; ЗД1, ЗД2 — тяговые электродвигатели; т1 — тормоз

включения 1-го диапазона; т2 — тормоз включения 2-го диапазона; Выход — выходные валы эМП; Z — число зубьев зубчатых колес; ПВА — привод вспомогательных агрегатов; НЭ — накопители энергии; СУЭА — система управления электрическими агрегатами

Таблица 2

Показатели потерь мощности в редукторах ЭМТ

Узел УМТ в АЖхх50, кВт АЖхх80, кВт

Редуктор генератора 0,007 0,49 1,03

Редуктор электродвигателя 1-й диапазон 0,037 0,79 1,73

2-й диапазон 0,006 1,02 2,18

В таблице приняты обозначения: в — коэффициент нагрузочных потерь; ДЖхх50, АЛгхх80 — значения потерь мощности на холостом ходу при частоте вращения входного вала, равной соответственно 0,5 и 0,8 от максимального значения.

В процессе расчета использовалась расчетная модель теплового двигателя,имеющего следующую внешнюю характеристику:

итд, об/мин ^тд, кВт

1300......................715,7

1400......................773,5

1500......................819,6

1600......................855,8

1700......................883,4

1800......................903,7

1900......................917,3

2000......................925,2

2100......................928,0

Согласно расчетной модели двигателя [11] предполагается, что «ядро» топливно-мощност-ной характеристики имеет координаты п0 = = 1494 об/мин и Т0 = 4,167 кН-м. При этом мощ-

ность равна N = 652 кВт, а удельный расход топлива 211 г/(кВт-ч). На внешней характеристике минимальный удельный расход составляет ge шш = 214 г/(кВт-ч), а на режиме максимальной мощности — ge шах = 234 г/(кВт-ч). Максимальная тормозная мощность теплового двигателя — Мщт = 185,6 кВт.

Отсутствие жесткой механической связи теплового двигателя с ведущими колесами позволяет организовать два режима автоматического управления двигателем — экономичный (основной) и форсированный (для интенсивного разгона).

На экономичном режиме система управления удерживает работу двигателя на заданной рабочей моментной характеристике, которая представляется как зависимость крутящего момента Тд на валу двигателя от частоты вращения его вала пд. В результате моделирования движения машины по тестовой трассе при различных вариантах управления тепловым двигателем предлагается вариант, представленный на рис. 3. Для работы

Тй, кНм

5

То 4

3

2

1

0

Пп

800 1200 0 1600 2000 нй, об/мин

Рис. 3. Характеристика двигателя для ЭМТ перспективного танка с вариантом рабочей моментной характеристики Тр; О — «ядро» топливно-мощностной характеристики

двигателя по выбранной моментной характеристике Тр во всем рабочем скоростном диапазоне требуемая мощность реализуется при минимальном расходе топлива. В табл. 1 величина определена для данного варианта управления.

Моментная характеристика Тр получена теоретически [12]. Она проходит через точки касания эллипсоидных кривых, соответствующих постоянным удельным расходам топлива ge, и гиперболических кривых крутящих моментов, соответствующих постоянной мощности. точка пересечения характеристики Тр с внешней характеристикой данного двигателя имеет координаты пь = 1639 об/мин и Ть = 5,01 кН-м. Слева характеристика Тр ограничена регуляторной характеристикой с частотой вращения на холостом ходу пхх = 1200 об/мин. Результаты моде-

лирования движения машины по тестовой трассе подтвердили, что это наиболее экономичный режим автоматического управления двигателем.

Выводы

разработаны кинематическая схема эМт и конструкция ее силового блока для ВгМ массой 54 т и максимальной скоростью 75 км/ч.

Для разработанной конструкции эмт определены рациональные значения кинематических и силовых параметров и характеристики эмт и гСУ, обеспечивающие современные технические требования к ВгМ.

Выбран вариант управления тепловым двигателем, при котором движение по тестовой трассе обеспечивается при минимальном расходе топлива.

список литературы

1. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М.: Энерго-атомиздат, 1988. 280 с.

2. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985. 168 с.

3. Борисов Г.А. Использование постоянных магнитов в электрических машинах. Учебн. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2002. 75 с.

4. Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / Под ред. д.т.н. проф. Р.Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001.

5. Дидманидзе О.Н. Иванов С.А. Использование суперконденсаторов в комбинированных энергоустановках тяговотранспортных средств. М.: УМЦ «ТРИАДА», 2004.

6. Усов О.А., Белоутов Г.С., Гусев, М.Н. [и др.].

Основные варианты схемы электромеханической трансмиссии гибридного типа и методика определения параметров ее агрегатов для военных гусеничных машин. // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды семнадцатой Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (1-4 апреля 2014 г.) Т. 3. Бронетанковая техника и вооружение, М.: РАРАН, 2014. С. 111-122.

7. Усов О.А., Корольков Р.Н. Метод расчета средней скорости и расхода топлива при движении ВГМ по тестовой трассе. // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды шестнадцатой Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (3-6

апреля 2013 г.) Т. 3. Бронетанковая техника и вооружение., М: РАРАН, 2013. С. 164-172.

8. Программа расчета показателей функционирования и долговечности узлов электромеханических передач №035.08 ПП / ВНИИТРАНСМАШ. 2014 г.

9. Гусев М.Н., Белоутов Г.С., Корольков Р.Н., Ширшов Ю.И. Трансмиссия транспортной машины // Патент РФ №2521158. Приоритет 06.11.2012.

10. Усов О.А., Белоутов Г.С., Гусев М.Н. [и др.]. Программа расчета показателей потерь мощности в трансмиссиях транспортных машин.// Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды одиннадцатой Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (1-4 апреля 2008 г) Т. 3. Бронетанковая техника и вооружение., СПб: РАРАН, 2008. С. 201-204.

11. Усов О.А., Лойко А.В., Белоутов Г.С. [и др.].

Математическая модель дизельного двигателя для расчета электромеханической трансмиссии транспортной машины.// Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды семнадцатой Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (1-4 апреля 2014 г.) Т.3. Бронетанковая техника и вооружение., М: РАРАН, 2014. С. 122-130.

12. Белоутов Г.С., Корольков Р.Н., Усов О.А. Модель расчета расхода топлива дизельного двигателя на произвольном режиме. // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды пятнадцатой Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (3-6 апреля 2012 г) Т. 3. Бронетанковая техника и вооружение., М: РАРАН, 2012. С. 197-202.

references

1. Balagurov V.A., Galteyev F.F. Elektricheskiye gen-eratory s postoyan-nymi magnitami [Electric generators with permanent magnets.] M.: Energoatomizdat, 1988. 280 s.

2. Ledovskiy A.N. Elektricheskiye mashiny s vysoko-koertsitivnymi postoyannymi magnitami [Electrical machines with high-coercivity permanent magnets]. M.: Energoatomizdat, 1985. 168 s.

3. Borisov G.A. Ispolzovaniye postoyannykh magnitov v elektricheskikh mashinakh[The use of permanent magnets in electric machines]: Uchebn. posobiye. SPb.: Izd-vo SPbGETU, 2002. 75 s.

4. Eflmov A.A., Shreyner R.T. Aktivnyye preobrazo-vateli v reguliruyemykh elektroprivodakh peremennogo toka. [Active converters controlled AC drives] / Pod red. d.t.n., prof. R.T. Shreynera — Novouralsk: Izd-vo NGTI, 2001.

5. Didmanidze o.N. Ivanov S.A. Ispolzovaniye super-kondensatorov v kombinirovannykh energoustanovkakh tyagovotransmportnykh sredstv [The use of supercapaci-tors in combined power plants tyagovotransmportnyh funds]. M.: UMTs «TRIADA», 2004 g.

6. usov o.A., Beloutov G.S., Gusev, M.N. [i dr.]. Osnovnyye varianty skhemy elektromekhanicheskoy trans-missii gibridnogo tipa i metodika opredeleniya parametrov yeye agregatov dlya voyennykh gusenichnykh mashin [The main options schemes hybrid electromechanical transmission type and method of determining the parameters of its units for military tracked vehicles.]. // Aktualnyye prob-lemy zashchity i bezopasnosti: Trudy semnadtsatoy Vser-ossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii RARAN

7. usov o.A., Korolkov R.N. Metod rascheta sredney skorosti i raskhoda topliva pri dvizhenii VGM po testovoy trasse. [Method of calculating the average speed and fuel consumption when driving a military tracked vehicle on the test track]// Aktualnyye problemy zashchity i bezo-pasnosti: Trudy shestnadtsatoy Vserossiyskoy nauchno-

prakticheskoy konferentsii RARAN

8. Programma rascheta pokazateley funktsionirovani-ya i dolgovechnosti uzlov elektromekhanicheskikh pere-dach. [Program for calculating performance indicators and durability electromechanical assemblies gear]. №035.08 PP / VNIITRansmash. 2014.

9. Gusev M.N., Beloutov G.S., Korol'kov R.N., Shir-shov Y.i. Transmissiya transportnoy mashiny. [Patent for the vehicle transmission] Patent RF, No.2521158. Prior-itet 06.11.2012.

10. usov o.A., Beloutov G.S., Gusev M.N. [i dr.]. Programma rascheta pokazateley poter moshchnosti v transmissiyakh transportnykh mashin. [The program of calculating power losses in the transmission of transport vehicles.]// Aktualnyye problemy zashchity i bezopasnosti: Trudy odinnadtsatoy Vserossiyskoy nauchno-prak-ticheskoy konferentsii RARAN

11. usov o.A., Loyko A.V., Beloutov G.S. [i dr.]. Matematicheskaya model dizelnogo dvigatelya dlya rascheta elektromekhanicheskoy transmissii transportnoy mashiny [A mathematical model of the diesel engine to calculate the electromechanical transmission transport vehicle.].// Aktualnyye problemy zashchity i bezopasnosti: Trudy semnadtsatoy Vserossiyskoy nauchno-prak-ticheskoy konferentsii RARAN

12. Beloutov G.S., Korolkov R.N., usov o.A. Model rascheta raskhoda topliva dizelnogo dvigatelya na proiz-volnom rezhime [Model to calculate the fuel consumption of the diesel engine on an arbitrary mode.] // Aktualnyye problemy zashchity i bezopasnosti: Trudy pyatnadtsatoy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii RARAN

сведения об авторах

УСОВ Олег Александрович — кандидат технических наук генеральный директор ОАО «ВНИИТранс -маш». 198323, Санкт-Петербург, ул. Заречная, д.2. E-mail: usov496@mail.ru

ГУСЕВ Михаил Николаевич — начальник НТЦ-35 ОАО «ВНИИТрансмаш». 198323, Санкт-Петербург, ул. Заречная, д.2. E-mail: M.Gusev@vniitransmash.ru

лОЙКО Александр Владимирович — инженер ОАО «ВНИИТрансмаш». 198323, Санкт-Петербург, ул. Заречная, д.2. E-mail: aleksandr.loyko@inbox.ru

Макаров Алексей Сергеевич — инженер ОАО «ВНИИТрансмаш». 198323, Санкт-Петербург, ул. Заречная, д.2. E-mail: gorodoshnik@bk.ru

authors

USOV Oleg U. — Public joint-stock company Russian Mobile Vehicle Engineering Institute. 2, Zarechnaya St., St. Petersburg, 198323. E-mail: usov496@mail.ru

GUSEV Mikhail N. — Public joint-stock company Russian Mobile Vehicle Engineering Institute. 2, Zarechnaya St., St. Petersburg, 198323. E-mail: M.Gusev@vniitransmash.ru

LOYKO Aleksandr L. — Public j oint-stock company Russian Mobile Vehicle Engineering Institute. 2, Zarechnaya St., St. Petersburg, 198323. E-mail: aleksandr.loyko@inbox.ru

MAKARoV Aleksei S. — Public joint-stock company Russian Mobile Vehicle Engineering Institute. 2, Zarechnaya St., St. Petersburg, 198323. E-mail: gorodoshnik@bk.ru

© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2015