Сохранение кинетической энергии при торможении наземных транспортных средств

Худорожков С.И. Курганский государственный университет, г. Курган

СОХРАНЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

В статье приведены результаты теоретического исследования эффективности применения в гибридных трансмиссиях (двигатель+инерционный аккумулятор энергии) саморегулируемой рекуперативной механической бесступенчатой передачи.

Рабочий процесс каждой транспортной машины включает в себя разгоны и замедления. В первом случае происходит накопление кинетической энергии, во втором - ее поглощение. С повышением скоростей движения, увеличением интенсивности разгона и торможения роль кинетической энергии в энергетическом балансе транспортных машин возрастает. В связи с этим перспективным является применение так называемых рекуперативных тормозов, играющих роль накопителей энергии торможения при замедлении движения и вспомогательного двигателя при разгоне.

Наиболее перспективным является создание рекуперативных тормозов с использованием инерционных аккумуляторов (ИА), содержащих тело вращения (маховик) и соответствующий привод подвода и отвода мощности. Разрабатываются два направления использования ИА на транспорте. Первое - это применение ИА, заряжаемых между поездками от стационарных источников энергии. Второе - применение гибридных систем, представляющих собой совокупность ДВС и ИА. Гибридные схемы применимы практически для всех типов автомобилей, поскольку масса маховика в таких схемах невелика (12% массы автомобиля), но при этом появляются следующие основные преимущества: снижение расхода топлива при разгоне за счет рекуперации кинетической энергии торможения; уменьшение установочной мощности двигателя, т.к. маховик обеспечивает дополнительную энергию; возможность работы с минимальным выбросом вредных веществ в атмосферу.

Специфические условия работы ИА в гибридных системах выдвигают ряд дополнительных требований к трансмиссии: обеспечение широкого диапазона регулирования скорости и момента, непрерывность и автоматичность регулирования, высокий КПД при жестких ограничениях на массово-габаритные параметры и др. Исходя их этих требований представляется перспективным применение в гибридных системах саморегулируемой механической бесступенчатой передачи, в основе которой лежит использование угловых колебаний промежуточных звеньев, механизмов свободного хода и упругих звеньев с повышенной податливостью. Такая передача позволяет осуществлять трансформацию механической энергии, т.е. автоматическое изменение вращающего момента в зависимости от частоты вращения ведомого вала [1]. Механическая бесступенчатая передача указанного типа позволяет работать с высоким КПД (11 > 0,9) в широком диапазоне изменения передаточных отношений 0= 0,1...0,9) [2].

Одна из возможных схем рекуперативной передачи транспортного средства с ИА на базе саморегулируемой механической бесступенчатой передачи представлена рис. 1.

Fpl Гр2 4 В 6 7 8 9 10 Вz2 2

Рис. 1. Режим бесступенчатой передачи без рекуперации мощности

Механическая бесступенчатая передача содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы, проходной эксцентриковый вал 3 со свободным эксцентриком 4 (рабочим и уравновешивающим), пазовый диск 5, паз которого взаимодействует с ведущими элементами 6 МСХ 7, размещенных равномерно по окружности. Ведомые элементы 8 МСХ с помощью торсионных валов 9 соединены с зубчатыми колесами 10, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом 11. Маховик 16, повышающий 20, 21, вал 22 и понижающий 25,26 приводы составляют, соответственно, аккумулирующий и рекуперативный контуры передачи. Два блока фрикционных муфт Fp1, Fp2 и Fz1, Fz2 являются устройствами поочередного включения режимов аккумулирования и рекуперирования энергии торможения. Планетарная передача (13, 14, 15) обеспечивает совместную работу двигателя с маховиком, а также режим понижающего редуктора во время работы передачи без ИА. МСХ 24 и 23, ведущие обоймы которых связаны, соответственно, с эпициклическим колесом 15 и солнечной шестерней 13, ведомыми обоймами соединены с корпусом передачи, предотвращая их обратное вращение. Зубчатая муфта 12 с синхронизирующим устройством 19 распо-ложена на входном валу 1, обеспечивая его независимое соединение через пла-нетар-ную передачу и фрикционную муфту Fp1 с эксцентриковым валом 3 (режим бесступенчатой передачи, рис. 1), с ведомым валом 2 (прямая передача, рис. 2), а также их отключение (нейтральная передача). На рисунках жирными линиями указаны узлы, участвующие в передаче силового потока.

п

ЛВС

ги

сПНГ

ш

Диф В вв енцввв5В

Рис. 2. Режим прямой передачи без рекуперации мощности

Бесступенчатая передача может работать как в режиме рекуперации мощности, так и без него. Для этого

транспортное средство, в отличие от известных, оборудуется дополнительным органом управления - рычагом переключателя режимов «аккумулирование - рекуперирование» энергии торможения.

Режим «аккумулирования» энергии - торможение транспортного средства путем отключения двигателя и подключения маховика через бесступенчатую передачу к ведущим колесам транспортного средства для накопления кинетической энергии (включение фрикционов Fp2, Fz2 и отключение фрикционов Fp1 и Fz1).

Режим «рекуперирования» энергии - разгон транспортного средства либо за счет накопленной кинетической энергии маховика, либо за счет совместной работы маховика и двигателя или только двигателем при неподвижном маховике (включение фрикционов Fp1, Fz1 и отключение фрикционов Fp2 и Fz2).

Работа передачи происходит следующим образом.

При торможении маховиком (режим аккумулирования энергии, рис. 3) муфты Fp1 и Fz1 выключаются, а муфты Fp2 и Fz2 включаются. При этом входной вал 1 отключается, а ведомый вал 2 вместе с приведенной массой транспортного средства подключается ко входу бесступенчатой передачи (эксцентриковому валу 3). Маховик 16 через повышающий привод (детали 20, 21, 22, 25, 26) подключается к выходному валу бесступенчатой передачи (центральному колесу 11). По мере раскрутки маховика 16 (увеличению передаточного отношения) уменьшается угол закрутки торсионных валов 9. При этом уменьшаются силы, действующие от ведущих элементов 6 МСХ на пазовый диск 5, эксцентриситет его увеличивается. Увеличивается и размах колебаний ведущих элементов 6 МСХ. Параллельно с ростом угловой скорости маховика 16 происходит снижение скорости транспортного средства и, соответственно, угловой скорости эксцентрикового вала 3. В связи с этим происходит постоянное изменение динамического равновесия момента центробежной силы относительно оси внутреннего эксцентрика 3 и моментов сил, действующих на пазовый диск 5 со стороны ведущих элементов 6 МСХ. Таким образом, передаточное отношение бесступенчатой передачи и, следовательно, интенсивность торможения транспортного средства изменяются автоматически.

Рис. 3. Режим торможения передачи с рекуперацией мощности

При разгоне транспортного средства за счет кинетической энергии маховика (режим рекуперации энергии, рис. 4) муфты Fp1 и Fz1 включаются, а муфты Fp2 и Fz2 выключаются. Водило 14, солнечная шестерня 13 через зубчатую пару 25, 26 подключаются вместе с маховиком 16, деталями 22, 21, 20 ко входу бесступенчатой передачи (эксцентриковому валу 3), при этом выходной вал 2

муфтой Fz1 подключается к выходному валу бесступенчатой передачи (центральному колесу 11), обеспечивая режим работы бесступенчатой передачи, описанный выше. Таким образом, разгон транспортного средства маховиком с выключенным двигателем происходит автоматически без участия оператора на основе динамического равновесия момента центробежной силы относительно оси внутреннего эксцентрика 3 и моментов сил, действующих на пазовый диск 5 со стороны ведущих элементов 6 МСХ. Интенсивность разгона изменяется в зависимости от соотношения угловых скоростей ведущих масс, связанных с маховиком 16, и приведенной к ведомому валу 2 массы транспортного средства.

Для управления интенсивностью разгона необходимо разгоняться на маховике с включенным двигателем, меняя его обороты с учетом скорости вращения маховика. Обороты и моменты двигателя и маховика, суммируясь в определенных соотношениях на водиле 14, обеспечивают разгон с управляемой интенсивностью с учетом накопленной энергии маховика. При полной разрядке ИА (угловая скорость маховика равна нулю) продолжение разгона транспортного средства, а также стационарный режим движения осуществляется за счет двигателя по той же кинематической схеме передачи. Для снижения потерь мощности (уменьшения расхода топлива) предусмотрен переход на режим прямой передачи путем подключения с помощью муфты 12 входного вала 1 к выходному валу 2.

Проанализируем технические характеристики такой передачи при ее использовании на автомобиле со следующими техническими параметрами: масса автомобиля Ма= 1800 кг; максимальная скорость Vmax = 150 км/ч; мощность двигателя Ne_max = 90 л.с., номинальные обороты двигателя nN = 5600 мин-1, максимальный крутящий момент двигателя Мтах = 141 Н-м, передаточное число главной передачи игп= 2,416, параметр планетарной передачи К=1,667. Результаты расчетов тягово-ско-ростных характеристик автомобиля с такой передачей представлены в виде графиков.

На рис. 5 показана динамическая характеристика автомобиля на стационарных режимах и гипербола постоянной мощности (пунктиром). Из графика следует, что полная загрузка двигателя обеспечивается в диапазоне скоростей от 30 до 65 км/ч. Повышение использования мощности двигателя при скоростях более 110 км/ч получается при переходе на прямую передачу (п= 2800 мин-1).

Как следует из графиков, передача обладает высоким коэффициентом трансформации момента КМ=7 и может неограниченно долго работать на «стоповом» режиме, поскольку в ней присутствуют только гистерезисные потери в циклически нагружаемых торсионных валах 9.

M2(i) = n • С • (p0(i) • M20(i)/I

O 20 40 60 80 100 120 140 160

Va, км/ч

Рис. 5. Динамические характеристики автомобиля на стационарных режимах и гипербола постоянной мощности

При использовании данной передачи в обычном режиме бесступенчатой передачи без режима рекуперативного торможения (маховик неподвижен), время разгона автомобиля двигателем до 100 км/ч (при f=0,02) составляет 10 сек. При этом максимальный момент на выходном валу передачи (на стоповом режиме) составляет 1150 Нм, на входном валу передачи -280 Нм. Переключение с режима бесступенчатой передачи на прямую осуществляется при 110 км/ч через 13 секунд после начала разгона.

Для получения графиков скоростей маховика и автомобиля на режимах аккумулирования энергии при торможении и рекуперации энергии при разгоне необходимо решить системы дифференциальных уравнений, полученных на основе уравнений Лагранжа (без учета потенциальной энергии).

На этапе торможения автомобиля с аккумулированием энергии торможения система дифференциальных уравнений будет иметь вид:

л-,=-

J .. со,. =

со.

a м a

со, I 1

-n-C-%(i)-M20(i)/I

20 V / р _вых ?

м м

«•С-ф0(/>М20(/)//р

Здесь - приведенный момент инерции автомобиля; 3 - момент инерции маховика 16; I = со /со, ; со,' м 1 ~ ' м_а м 2 ' 2

угловая скорость выходного вала 2 передачи; \л/м- угловая скорость маховика; соа- угловая скорость приведенной массы автомобиля; I „„, I „„„ - передаточные отно-

р_вх р_вых 1

шения согласующих редукторов на входе и выходе передачи, соответственно; М20 - относительный крутящий момент на торсионном валу 9; п - число силовых контуров (МСХ) в передаче; С - угловая жесткость торсионного вала 9; срод- амплитуда колебаний ведущих элементов 6 МСХ в зависимости от передаточного оотношения.

Моменты на входном валу М1 и выходном валу М2 определятся из выражения

Мх{1) =

М2

МП

со.

со -I

a м a

-2 Vх/ ~ 20 V / р вых?

где г|мл - КПД привода маховика. На рис. 6 показаны графики изменения скорости \/а автомобиля и оборотов маховика сом при рекуперативном торможении с начальной скорости 65 км/ч при передаточном отношении аккумулирующего контура маховика 1м а=18, 1р вх =1; 1р вых =1,089; С=1937 Н-м/рад; 3 = 23 кг-м2; 3 = 0,476 кг-м2; массе маховика М =15 кг;

а ' м ' ' М '

радиусе ведущего колеса ^=0,275 м; предельной угловой скорости маховика сом тах=Ю00 рад/с, г|мп= 0,94 и п=5.

Т, сек

Рис. 6. Изменение скорости автомобиля и оборотов маховика при рекуперативном торможении

Результаты расчетов показывают, что интенсивность торможения и, следовательно, раскрутки маховика, определяется начальной скоростью торможения.

Например, при торможении со скорости 65 км/ч за 80 секунд рекуперативного торможения маховиком последний раскручивается до максимальной скорости 1000 рад/с, при этом скорость автомобиля снижается без применения тормозов до 28 км/ч. Дальнейшее торможение до полной остановки осуществляется штатной тормозной системой. При начале рекуперативного торможения, например, со скорости 105 км/ч, маховик раскрутится до 1000 рад/с в течение 22 сек, при этом скорость автомобиля снизится до 75 км/ч без применения тормозов. Чем выше начальная скорость торможения маховиком, тем выше интенсивность торможения автомобиля маховиком.

На этапе разгона автомобиля с использованием рекуперации энергии торможения при постоянных оборотах двигателя (соа=сопБ1) система дифференциальных уравнений будет иметь следующий вид:

J -т = —-

^ М м_р О

n-C-<p0(i)-M20(i)/Ip

j.-á^n-c-nw-M^o/i, еых-м:

где 1м = сос /сом; сос - угловая скорость солнечной шестерни; "К - параметр планетарного ряда;

М"р =

ГЩ, _f'Ma -g'K

- приведенный момент сопро-

тивления движению; I1- коэффициент сопротивления движению; д - ускорение свободного падения.

Моменты на входном М1 и выходном М2 валах передачи будут равны:

М2

На рис. 7 представлены графики разгона автомобиля маховиком (с выключенным двигателем) при 1м р=0,75.

СО,

м м _р

средства на расстояние Э, запишем в виде

Е = — (/-Ма-8-Б + п-Ма-Ц*-) (6) П 2 к '

где п - кол-во разгонов (торможений) на пути; Э -

путь.

При полном восстановлении в процессе разгона энергии, обычно рассеиваемой в тормозах, выигрыш в процентах составит:

а =

V2

п-М-^^-100% 2

л 2

I тр

П-Г2 -77 -100%

шах Iтр

Т, сек

Рис.7. Разгон автомобиля маховиком при /и =0,75

Графики показывают падение угловой скорости маховика сом с 1000 до 500 рад/с и рост скорости автомобиля (\/а-10) с 0 до 45 км/ч при разгоне автомобиля с места в течение 9 сек с выключенным двигателем. С увеличением начальной скорости разгона автомобиля эффективность использования маховика снижается, что объясняется увеличением передаточного отношения \ и снижением момента М2, определяющего интенсивность разгона.

Для управления интенсивностью разгона автомобиля используется совместная работа маховичного накопителя энергии с двигателем. При этом предельные значения оборотов двигателя (в случае максимальной интенсивности разгона) с учетом частоты вращения маховика не должны превышать определенной величины (по условию ограничения оборотов на входе в бесступенчатую передачу) и их значение для схемы на рис. 1 определяется зависимостью

В городских условиях движения при f = 0,02; \/тах=19,44 м/с (70 км/ч) для одного цикла разгона-торможения (п=1) на пути Э =1000 м получим значение а = 46%, для двух циклов (п = 2) выигрыш составит а = 62%.

Таким образом, абсолютный энергетический выигрыш получается весьма ощутимым. Применительно к автомобилю с предлагаемой передачей эффект от рекуперативного торможения будет несколько меньше в силу ограничений массово-скоростных показателей маховика.

На рис. 8 в качестве примера представлены графики изменения коэффициентов использования мощности инерционного аккумулятора Км и двигателя Кае (%) в процессе разгона автомобиля до \/тах=65 км/ч.

100

Об _ пред ^

В этом случае интенсивность разгона определяется как свойствами саморегулируемой бесступенчатой передачи (изменением передаточного отношения ¡), так и регулируемым оператором соотношением оборотов маховика сом и двигателя сове.

Рассмотрим экономические показатели использования в транспортных средствах механической бесступенчатой передачи с рекуперацией энергии торможения.

Работа, получаемая от двигателя, затрачивается на преодоление дорожного сопротивления и на создание кинетической энергии. Допустим, что автомобиль при движении по определенной дороге приобретает максимальную скорость и останавливается тормозами п раз. Пренебрегая в городском цикле движения потерями на сопротивление воздуха, теоретическую работу, совершенную двигателем при перемещении транспортного

Рис. 8. Изменение коэффициентов использования мощности инерционного аккумулятора Км и двигателя Кт (%) в процессе разгона автомобиля до \/тах=65 км/ч

Площадь под кривой Кдв соответствует энергии двигателя Аве, а площадь под кривой Км - энергии инерционного аккумулятора Ам, затрачиваемых на разгон автомобиля до скорости 65 км/ч с максимально возможной интенсивностью. Вся площадь рисунка соответствует полной энергии А, затрачиваемой на разгон автомобиля в заданных условиях. Отношение площади Ам к площади А дает коэффициент использования инерционного аккуму-

лятора при разгоне автомобиля КПА Р — —^ .

Ух

Для заданных условий разгона КИА Р= 0,7. Тогда выигрыш от использования энергии торможения (коэффициент а, умноженный на коэффициент КИА Р) для городского цикла движения автомобиля составит, соответственно, 32 и 44%.

Инерционный аккумулятор имеет ограничение по максимальной скорости вращения маховика (юм тах=1000 рад/с) и, соответственно, по запасу кинетической энергии, в связи с чем полное преобразование кинетической энергии автомобиля при рекуперативном торможении невозможно. Чем выше начальная скорость торможения инерционным аккумулятором, тем меньше время его раскрутки до предельных значений. Так, при торможении инерционным аккумулятором со скорости 65 км/ч время раскрутки маховика до 1000 рад/с составит 80 сек, при этом скорость движения снизится до 30 км/ч. В этом случае для полной остановки автомобиля необходимо рассеять тормозами лишь 15% максимального значения кинетической энергии. При торможении инерционным аккумулятором со скорости 105 км/ч время раскрутки маховика до предельной скорости 1000 рад/с составит 22 сек, при этом скорость движения снизится до 75 км/ч и для полной остановки автомобиля необходимо рассеять тормозами 58% максимального значения кинетической энергии. Отношение энергии, рассеиваемой в тормозах АТ, к максимальной кинетической энергии автомобиля Т определяет коэффициент потерь энергии на торможение

ту А?

Кт = ——, а величина К

т

ИА Т

= 1 — Кт - коэффициент

Б. М. Тверсков

Курганский государственный университет, г. Курган

РЕЗОНАНСНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ

Ниже рассмотрены колебания дотрансформатор-ной зоны трансмиссии четырехосных тягачей Курганского завода колесных тягачей КЗКТ.

Наиболее опасным для прочности трансмиссии является резонанс колебаний, который появляется, если частота хотя бы одного из периодических возбуждающих моментов становится такой же, как частота одной из крутильных форм:

Ш = —

^ к '

использования инерционного аккумулятора при торможении. Результаты расчетов показывают, что с ростом начальной скорости торможения с 60 до 110 км/ч КИА Т снижается с 88 до 40%.

Таким образом, решение задачи использования энергии торможения при разгоне автомобиля может быть осуществлено с помощью предлагаемой рекуперативной бесступенчатой механической саморегулируемой передачи с ИА. При этом, сохраняя главные свойства механической передачи, - возможность работы на полнопоточных режимах бесступенчатой и прямой передач, появляется дополнительная опция - полнопоточный саморегулируемый обмен кинетической энергией между приведенной массой автомобиля и маховиком при торможении и между маховиком и приведенной массой автомобиля при разгоне. При этом, помимо обеспечения бесступенчатого изменения скорости транспортного средства, представляется возможным в городском цикле движения существенно (до 32...44 %) уменьшить расход топлива и, соответственно, выбросы в атомосферу. При этом диссипация энергии в тормозах составляет лишь 15 % от максимальной кинетической энергии автомобиля, что существенно сокращает износ тормозной системы. Масса маховика составляет лишь 0,8 % от массы автомобиля, а его максимальная скорость вращения - 1000 рад/с. Исключение вентиляторных потерь не требуется, так как за время короткой остановки (посадка-высадка пассажиров, остановка перед светофором) потери энергии маховика будут незначительны.

Список литературы

1.Благонравов А.А. Механическая бесступенчатая передача. Патент РФ № 2211971 от 31.01.02.

2.Благонравов А.А., Худорожков С.И. Динамика механической бесступенчатой передачи//Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2002. - № 6.- С. 19-24.

где Шрез - частота резонансных колебаний; Ш с -

частота собственных колебаний; к - порядок гармоники возбуждающего момента.

Работа упругих и инерционных моментов при резо-нансах становится равной работе возмущающих сил и направлена на преодоление сил сопротивления. Затраты на резонансные колебания составляют до 10% и более от передаваемой мощности.

Обычно в трансмиссии автомобиля бывает несколько резонансов. На тягачах КЗКТ, где при пуске и остановке двигателя трансмиссия не отсоединяется, имеют место резонансы, в том числе и при самых малых оборотах. Поэтому резонансные частоты вращения деталей трансмиссии могут быть как в области очень небольших частот вращения коленчатого вала, например, при пуске и остановке двигателя, так и при средних и высоких оборотах.

Величина амплитуд резонансных колебаний зависит от коэффициента демпфирования. Амплитуда вынужденных колебаний при резонансе пропорциональна амплитуде возбуждающего момента, обратно пропорциональна коэффициенту демпфирования и собственной частоте колебаний. Если коэффициент демпфирования равен нулю, амплитуда теоретически равна бесконечности.

В случае непринятия эффективных мер резонансы колебаний могут привести к разрушению валопровода. Необходимо путем изменения жесткостей и моментов инерции отдельных деталей вывести резонансные частоты из рабочей зоны частоты вращения вала. Если это не удается, в наиболее нагруженное место устанавливается демпфер крутильных колебаний.

Следует отметить, что резонансные колебания не всегда опасны для прочности тех деталей, где эти резо-нансы появляются. Быстрое прохождение резонансных зон при частотах, называемых нерабочими, не является опасным и потому такие резонансы допускаются. Работоспособность трансмиссии в основном зависит от установившихся резонансных колебаний, если по условиям эксплуатации они продолжаются сравнительно долго и с частыми повторениями.

Обозначив сдвиг фаз между амплитудой вынужденных угловых колебаний и амплитудой возбуждающего момента через тт, можно записать, что в дорезонанс-ной зоне амплитуды вынужденных колебаний ниже амп-

п

литуд возбуждающего момента. Для них Д < ~ . В заре-