автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Моделирование рабочих процессов трансмиссий машин с маховичным приводом

—«V 1И

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи КОРОЛЕВ ВИКТОР АВДРЕЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ТРАНСМИССИЙ МАШИН С МАХОВИЧНЫМ ПРИВОДОМ

05.02.02 - Машиноведение и детали машин

05.05.03 - Автомобили и тракторы

.АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1990

>

Работа выполнена на кафедре "Детали машин и теория механизмов" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомо-билъно-дорожного института.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент В.Ю.Дубровин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Н.В.Гулиа, кандидат технических наук, доцент Л.Н.Крумболъд

Ведущее предприятие ПО ЧША.З".

Защита.состоится "2£"" с^Кл /7р я 1990 года в 40 час на заседании специализированного совета БАК СССР К 053.30.11 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорокяом институте по адресу: 125829, Москва, ГСП-47, Ленинградский проспект, дом 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять ученому секретарю специализированного совета К 053.30.11 по адресу инстинута.

Телефон для справок: 155-03-28.

Автореферат разослан и09<ГрЯ 1990 г.

Учены! секретарь специализированного совета К 053.30.11 кандидат технических

наук, доцент Г.С.Мирзоян

■ . -• \ ОБЩАЯ ХШКТЕРИСТт. РАБОТЫ

Актуальность теш. Одной из в&чнейших народнохозяйственных ач, стоящих перед страной, является экономия тооливно-энер-ических ресурсов. Применение на машинах и транспортных дствах накопителей энергии (энергоаккутлулирующих устройств) спечивает экономию топлива, а также снижает вредные воздей-ия на окружающую среду. Разработка таких систем ведется по кольким направлениям, различающимся видом аккумулируемой ргии. Определенный интерес в СССР и за рубежом вызывают маячные (кинетические) накопители благодаря преимуществам зд другими энергосистемами.

Маховичный привод (аккумулятор кинетической энергии) может эльзоваться в составе комбинированной энергетической уста-•си (КЭУ) или в качестве самостоятельной энергетической устает. В первом случае снижается расход топлива, токсичность аботавлих-газов и шут«! двигателя. Во втором - обеспечивается тогическая чистота силовой установки. Основное преимущество >вичного привода проявляется в использовании энергии реку-1тивного торможения машины.

Однако пока еще маховичный привод не находит широкого денения на машинах, так как в настоящее время недостаточно гены его свойства, схемы и методы расчета.

Таким образом, решение задач по обоснованию конструктив-схем трансмиссии маховичного привода, разработка методов 1ета и моделирования его рабочих процессов с целью повышения ¡ТхЪективности, поставленных в диссертационной работе, придает особую актуальность и будет способствовать расширению мнения подобных устройств в народном хозяйстве страны.

Целью работы является обоснование и выбор рациональной гктуры, параметров и режимов работы маховичного привода с юобъемной передачей, на основе исследования схем и ыодели-яая его рабочих процессов, для повышения технико-эконош-:ой эффективности машин в заданных условиях эксплуатации.

Объектом исследования является трансмиссия маховичного ¡ода с гидрообъемной передачей, используемого в качестве

силовой установки дорожного катка и в составе КЭ7 городского автобуса.

Методы исследований. Исследование характеристик и моделирование динамических процессов трансмиссии машин проводилось на основе уравнений теоретической механики, гидравлики и де- , талйй машин. Для решения дифференциальных уравнений на ЭВМ использовались метода программирования и аналитические методы .■ <: для ручного счета. В работе использовались метода экспериментального исследования и математической статистики.

Научная новизна. I. Разработаны методы расчета конструктивных параметров маховичного привода с гидрообьемной передачей, удовлетворяющих предъявляемым к нему требованиям в соответствии с назначением оснащаемой им 'машины.

2. На основе предложенных критериев проведена сравнительная оценка и определены рациональные конструктивные схемы двух поточной гидрообъемной передачи, обеспечивающие наибольшую эффективность маховичного привода.

3. Составлены математические модели маховичного привода с полнопоточной гидрообьемной передачей, отражающие динамические процессы в механических и гидравлических узлах трансмиссии машин.

4. Разработаны математические модели параллельного и последовательного режима работы КЭУ, учитыващие влияние характеристик маховичного привода с полнопоточной гидрообьемной передачей на эффективность транспортного средства в условиях эксплуатации.

5. Выведены аналитические соотношения, позволяющие выполнить расчет параметров процесса разгона машины за счет анергии маховика и ее рекуперативное торможение без применения ЭВМ.

Практическое значение работы. Разработаны программы для ЗНЛ, позволягацие по результатам моделирования рабочих процессов трансмиссии машин оптимизировать параметры и режимы работы маховичного йривода для улучшения та эксплуатационных характеристик, а такае снпЕаодие затрат времени и средств на проведе ние дорогостоящей натурныхэкспериментов при создакни аналогичных устройств. •

Для «-Зразнсй конструктивно! сгемы выведены соотношения характеристик маховичного привода, полоненные 2 основу иетоди-

я расчета его конструктивных параметров. Выявлены принципы управления гидропередачей, обеспечивающие его наиболее эффективное использование на машинах.

Показана возможность снижения мощности гидромашин, выбран-яых по условия необходимого диапазона угловых скоростей маховика путем понижения уровня энергии, запасаемой маховиком при тор-ложенли машины, за счет кратковременного частичного дросселиро-зания рабочей жидкости в гидросистеме.

Реализация работа. Результата работы использованы при рас-гете трех типов вариантов транспортных устройств с маховичным юточником энергии в процессе проведения опытно-конструкторских забот по созданию испытательной техники в институте "Союзмаш-гроект", а также при разработке экспериментальной установки ма-совичного привода с гидрообьемной передачей на заводе "Универ-:ал". Кроме того, материалы диссертационной работы использова-шсь при разработке проек!но-хонструкторской документации огшт-гого образца маховичного рекуператора городского автобуса ЛИАЗ >256 в НАШ.

Адробагшя работы. Основные положения работы докладывались [а 1-й научно-технической конференции "Маховичнне накопителя <нэргии" (г.Житомир, 1985г.), на Всесоюзном научно-техническом ¡оващании "Аккумулирование энергии и пути повыиения эффектив-[ости злектростанцЕЙ и экономия энергии" (г.Москва, 1985. г.), 1а XIX научно-техническом семинаре "Гидромеханическая переда--и" (г.Москва, 1986г.), на Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы энергетики транспорта" (г.Москва, 1988 г.), I также на 46-й, 47-й и 48-й научно-методических и научно-зс-ледовательских конференциях МАДИ (г.Москва, 1988, 1989, 1990г.)

Публикации.По теме диссертации опубликовано 5 печатных ра-¡от и получено I авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, :етырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений, бьем диссертации составляет 240 е., в том числе 137 с. машино-исного текста, 12 таблиц, 54 иллюстраций на 46 страницах, сягс-а литературы из 95 наименований на 9 с. и 48 страниц пряложе-ий.

ПЛТТТГОГ АИТГО ТЗИТПТЧ.!

ц - г лауу^ А,и.

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная

новизна и представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности применения накош телей энергии на машинах. Проведен анализ конструктивных схем и рабочих процессов машин, использующих маховичный привод с гидрообъемной передачей, а также литературных источников, посвященных исследованиям маховичного привода и его элементов. Вь явлены достоинства и недостатки известных методов расчета махе вичного привода и моделирования рабочих процессов его транемж сии. Определены задачи исследования.

По результатам, проведенного анализа.показаны преимуществе маховичного привода перед другими гидами накопителей энергии, используемых на транспортных средствах. В качестве его трансмиссии обосновано использование гидрообъемной передачи.

Вопросы создания малин с маховичным приводом и исследование их свойств отражены в работах, авторами которых являются В.С.Еудник, Н.В.Гулиа, H.A.Забавников, В.Ю.Дубровин, В.С.Свщм денко, В.В.Селяфонов, А.Г.Серх, И.Д.Юдовский, В.И.Хлистун, АЛ Фиронов, М.И.Щербаков и другие в нашей стране, а также И.Х.Ви* ли, Х.Древиц, Ш.Мартини, А.А.Франк и другие за рубежом.

В наибольшей степени положительные качества маховичного привода проявляются при оснащении им машин с циклическим режимом работы. Маховичный накопитель может выполнять роль самостоятельной энергетической установки либо являться составной частью КЗУ. При этом важно, чтобы параметры гидрообъемной и механических передач строго соответствовали эксплуатационным требованиям. Однако до сзх пор отсутствует методика проектного расчета параметров маховичного привода (рекуператора) с полнопоточной объемной гидропередачей (ПОГП), учлтываяющая егс использование на машинах. Не изучено влияние закона управления ПОГП и режима включения фрикционной муфты в трансмиссии маховичного привода на его динамические и энергетические характеристики из-за отсутствия полных математических моделей исследуемых процессов.

Дзухпоточная объемная гидропередача (ДПОГБ) в известных схемах маховичного привода располагается в основной трансмиссии машины либо в ветви трансмиссии маховика. При этом используются различные варианты соединения звеньев дифференциального механизма без обоснования целесообразности использования конкретной схемы. 4

В составе КЭУ маховичный рекуператор позволяет реализо-ать как параллельный с двигателем внутреннего сгорания(ДВС), ак и последовательный с ним режим работы. Сравнительная оцен-з эффективности этих режимов пока не проводилась. В литера-урных источниках отсутствует информация о влиянии параметров аховичного рекуператора на динамические и топливно-экономи-зские характеристики машин в условиях эксплуатации.

Использование ЭВМ для расчета динамических характеристик эховичного привода на ранних этапах его проектирования не ^егда оправдано. Более рационально использование зависимостей, эзволявдих с достаточной степенью точности, методом ручного *ета, определять параметры процесса разгона и торможения манны, имеюдей маховичный привод с ПОГП. Эти зависимости могут ¿тъ положены в основу целевых функций при решении задач оп-

¡шизации маховичного привода, но в литературе онл отсутству-р. •

В соответствии с изложенными результатами проведенного 1ализа сформулированы следующие' задачи диссертационной рабо-

./ЯГ

■ I. Выбрать конструктивную схему маховичного привода с )ГП, обеспечивающую наиболее эффективное его использование а машинах.

2. Разработать методику определения проектных параметров аховичного привода, учитывающую режим его использования и *сплуатационные условия.

3. Обосновать оценочные критерии и выбрать по ним наи-элее совершенные схемы ДПОГП маховичного привода, применяемо в составе КЭУ машин.

4. Разработать математические модели трансмиссии махо-1чного привода с ПОГП, позволяющие исследовать на ЭВМ его збочие процессы, как в качестве самостоятельной энергети-зской установки, так и в составе КЭУ в различных режимах

э работы и условиях эксплуатации.

5. Установить аналитические соотношения для расчета эоцесса разгона и торможения машины с маховкчнш рекупера-эром и полнопогочной гидрообъемной передачей без применения ЗЛ.

6. Исследовать влияние закона управления ПОГП и темпа

включения фрикционной муфты на потери энергии в процессе разгона машины за счет энергии маховика, а такие влияние парамет ров гидропередачи и механических передач трансмиссия ыахович-ного привода на динамические и топливно-экономические характе ристики транспортного' средства в режимах разгона и рекуперативного торможения.

Во второй главе исследуются структура и характеристики конструктивных схем трансмиссий маховичного привода.

Проведенное исследование показало, что по месту расположения ДПОГП трансмиссии машин с маховичнш приводом можно разделить на два типа. На основе анализа требований к ДПОТП каждого типа сформированы критерии для сравнительной оценки вариантов их кинематических схем. Сопоставление схем проводилось по критериям: передаточное отношение; КЕД; диапазон; частота вращения сателлитов ж валов гидроыадшн; степень загруженности гидравлической ветви.

Для 12 схем ДПОГП выведены расчетные формулы в зависимости от параметра планетарного ряда и передаточного отношения гццропередачи. Выполненные расчеты на ЭШ при варьировании этих параметров позволили установить пределы изменения оценочных критериев и выбрать по ним рациональные схемы ДПОШ, обеспечивающие наиболее эффективное использование маховичного привода на машинах. Заявлено влияние изменяемых параметров на величину выбранных критериев.

В результате анализа известных конструкторских решений выбрана схема,' изображенная на рис.1, создавдая наибольшие . преимущества использования маховичного рекуператора с ПОТП в составе КЭУ. На рис.1 обозначено: I-ДВС; 2-сцепление; 3-коробка передач; 4 - карданная передача; 5 - ведущие колеса; 6-дополнительная передача; 7-гпдромотор; 8-редуктор ыахови-ка; 9-гидронасос, 10-ваховлк; II-фрккцяонная ыуфта;12-фрис-цяоняая муфта маховика.

Рассмотрены рабочие щкла махоззчкого привода в составе КЭУ е как самостоятельной энергетической установки. На основе уравнений энергетического баланса, уравнений депемшси машины и расходов рабочей шдхоств в гидросистеме получены выражения предельных значений параметров исследуе:-шх pesraoE в установлены связи иелду екш для иаховпчного рекуператора

г-V

(2)

5в скорость машины в конце процесса разгона за

зет энергии маховика и в начале рекуперативного торможения;

С1р,&т- Уск°Рениэ разгона и интенсивность рекуперативного зрмэжения машины; 6р, бтч - величина параметра регулирования ядронасоса в конце процесса разгона машины а в начале ее тор-зяения; ?0н1?°м ~°^ъемный гидронасоса и гидромотора; ^ - коэффициент, учитывающий снижение угловой скорости ма-эвика в период до его разрядки; Ро^З^мм ~ главной, эполнительной передача и механический КПД гидромотора; ^ ээффициент сопротивления качении колеса; б - коэффициент

С учетом связи параметров разгона и рекуперативного тор-эжения машины с КЭУ выделены характерные расчетные случаи,для эторых выведены формулы потребной мощности гидромашин. В ре-ультате проведенного анализа установлено, что для обеспечения эстоянства мощности маховичного рекуператора на всем протя-знии его рабочих режимов необходимо завышать мощность ШЗГП,

Рис.1

рассчитанную по величине максимальной угловой скорости маховика, пропорционально диапазону его угловых скоростей,

Еолучено выражение для расчета диапазона угловых скоростей маховика из условия, что анергия , запасенная в период рекуперативного торможения машины, с учетом потерь, полностью расходуется на разгон машны:

А=

Р. - /| . 8~ ■ ^ >Ун|лю6р1к9он?0м

(4)

.........(5)

где скорость машины в конце периода ее рекуперативно-

го торможения; ^р - КЦД трансмиссии; Т/ц, - радиус колеса;

Ыо, - передаточное отношение главной и дополнительной передачи; - коэффициент, учитывающий снижение угловой скорости маховика в период до его зарядки; Ц/неад ~ максимальная угловая скорость вала гидронасоса; Ун мах , Ум" - максимальный рабочий объем гидронасоса и гидромотора.

Разработана методика проектного расчета параметров махо-вичного привода, учитывающая его использование на машине, в качестве самостоятельной энергетической установки или в составе КЭУ. И в тоыги в другой случае первоначально, по заданным параметрам разгона и тормозения машины, ориентировочно принятой величине диапазона маховика, рассчитывается необходимая мовдяость гвдроыашн и проводится выбор их вида и типоразмера. Затем величина С1 уточняется согласно выракению (3) и, если она превышает первоначально выбранное значение, пересчитывается потребная мощность гидроашин. В зависимости от назначения маховичного привода рассчитывается параметры механических передач, параметры разгона и тормодения машины, шховика, гидропередачи. Указанная методика была апробирована при проектных расчетах параметров маховичного привода с полнопоточной гвдрообьемной передачей, выполнявшихся в институте "Союзиаспроект", на агрегатном заводе "Универсал", а такхо в НАШ.

Третья глава посвяцена моделированию рабочих процес-

сов трансмиссий машин, использующих маховичный привод с полнопоточной гидрообъемной передачей.

Разработана математическая модель маховичного привода с полнопоточной гидрообъемной передачей, используемого в качестве силовой установки дорожного катка. Дифференциальные уравнения процесса разгона и движения дорожного катка за счет энергии маховика представлены тремя этапами. Первый - продолжается до момента страгивания ведущих вальцев. Как только величина упругого момента достигнет значения момента внешнего сопротивления Мс,начинается второй этап, уравнения которого записываются так:

^= Фн+М(РгР2)-жФм, Р» * Рг ; (6)

М(Рг-р,)-^рФн,Рг-Р1; (7)

^ С ^ (Р^ - Ра) - К^ м\Рг ра г Г1; (8)

(9) (ю)

Ма'^-Ю^Р)? си)

:де фн, фм ,фн - угловое перемещение, угловая

скорость и угловое ускорение вала гидронасоса и гидромотора;

приведенный момент инерции маховика, гидромотора и ¡дорожного катка к валу гидромотора; С^- приведенная аест-<ость механической части трансмиссии; - давление рабо-

1вй жидкости в напорной и в сливной магистралях гидросистемы;

- объем рабочей жидкости в напорной и сливной магистралях гидросистемы; £ - приведенный модуль упругости рабо-гей жидкости; Ма,Мп,Мн(Г момент аэродинамического сопротив-юния, трения в подшипниках маховика и создаваемый насосом юдпитки; Кун, Кум - коэффициент утечек в гидронасосе и гидро-гогоре; К-ун 1 ~ к03®0^6»'1' вязкого и сухого трения в гидронасосе; К-^и.^м" коэффициент вязкого и сухого трения в 'идромоторе; £р - принятая продолжительность управля-

ющего воздействия на гидронасос; "Ь - текущее время.

Третий период соответствует режиму установившегося движения машины, для обеспечения которого необходимо непрерывно увеличивать рабочий объем гидронасоса, чтобы компенсировать снижение угловой скорости маховика.

По результатам численного решения уравнений математической модели на ЭЕМ выявлено, что при линейном законе увеличения производительности насоса имеется, как видно из рис.2, оптимальная, по минимуму затрат энергии маховика на разгон дорожного катка, интенсивность изменения рабочего объема насоса. По мере разрядки маховика эти затраты энергии уменьшается. На рис.3 представлена зависимость относительных затрат энергии на разгон катка от момента инерции маховика и момента внешней нагрузки. Оценено влияние параметров ыаховичного привода на динамические нагрузки' трансмиссии дорожного катка.

¿Е,

30

24

12

0%ра ьр.ма> об.

17% { азр. м ахоб.

12% разр.и ахо5.

ч ... N.. 1*- у

дЕ %

О АО 80 120 М УиДрЯ; Рис.2

Мс1

Мс

100 н-

25 н

О 50 100 <50 Зн^кг-м2 Рис.3

Для исследования динамических и энергетических характеристик процесса включения фрикционной муфты б трансмиссии ыаховичного привода с ПОГП составлена пятимассовая модель разгона машины за счет энергии маховика. Уравнения математической модели учитывают упругие и демпфирующие свойства валов и механических передач, трение фрикционных дисков, а такие факторы, аналогичные учитываемым в уравнениях (6)...(II). Исследуемый процесс представлен тремя этапами, разлнчаищшися записью дифференциальных уравнений. Первый этап продолжается до начала страгивания ведущих колес ыашины. Второй этап буксования дис-ХО..

м

м

ков фрикционной муфты заканчивается в момент выравнивания их угловых скоростей. Третий - характеризуется отсутствием относительных перемещений ведупдас и ведомых фрикционных дисков. В уравнениях кслользован экспоненциальный закон изменения момента трения фрикционной муфты.

Решение дифференциальных уравнений на ЭВМ позволило установить оптимальный темп включения фрикционной муфты, при кото-рок обеспечиваются минимальные потери энергии. Продолжительность возрастания момента трения при этом составляет около 0,3 с. Однако при такой интенсивности замыкания фрикционных дисков несколько повышаются динамические нагрузки на трансмиссию какины. Оценено влияние на исследуемые параметры момента инерции маховика.

Проведенные экспериментальные исследования позволили, на основе сопоставления данных натурного моделирования процесса разгона дорожного катка с результатами расчета на ЭВМ аналогичного процесса, подтвердить достоверность математической модели и обосновать возможность ее использования для исследования динамических процессов трансмиссии маховичного привода с ПОШ.

Экспериментальные исследования подтвердили возможность реализации линейного закона увеличения производительности насоса. Для этой цели использовалась система автоматического управления производительностью гидронасоса, состоящая из шар-нирнорычаяного механизма и электродвигателя. Успешное функционирование такой системы создает возможность ее использования для поддержания постоянной скорости машины, путем компенсации снижения утловой :корости маховика в процессе его разрядки, увеличением рабочего объема гидронасоса.

Математическая обработка экспериментальных данных по методу наименьших квадратов позволила получить регрессионную зависимость максимального перепада давлений рабочей жидкости в гидросистеме дРм>,х от скорости увеличения производительности гидронасоса при разгоне дорошого катка в виде

д - '.079-1СГ Ар) + 0,295(Ун М, №

удо V;) - достигнутый щщ разгоне малины рабочий объем на-

6§ва,

Найденная зависимость позволяет выявить максимальную интенсивность увеличения рабочего объема насоса, при которой не происходит срабатывания предохранительного клапана.

В четвертой главе, с целью исследования свойств махович-ного привода в конкретных условиях эксплуатации и влияния рекуператора на расход топлива, проводится моделирование рабочих процессов трансмиссий машин с КЭУ.

Исследования проводились методом математического моделирования на примере использования маховичного рекуператора с ПОГП на городском автобусе. За основу была принята программа для ЭЗГ.1, разработанная в НАШ и предназначенная для расчета топливной экономичности городского автобуса ЛИАЗ 5256. Программа моделирует фазы движения автобуса (разгон, накат, установившееся движение, торможение) в соответствии с их чередованием в каддом из шести отдельных циклов движения, объединенных в городской ездовой цикл (ГШ). Данная программа была дополнена подпрограммами, моделирующими разгон машины за счет энергии рекуператора, совместную работу ДВС и рекуператрра, а также процесс рекуперативного торможения. Алгоритм программы был переработан для обеспечения исследования как последовательной, так и параллельной работы КЭУ.

Математические лодели программы соответствуют схеме, изображенной на рис.1, в которой применительно к автобусу ЛИАЗ 5256 коробку передач 3 следует считать гидромеханической передачей. Каждая фаза движения моделируется отдельной подпрограммой. Уравнения режима разгона автобуса за счет ДВС представлены в виде двухыассовой системы, в которой звеньями приведения являются насосное и турбинное колесо гидродинамического трансформатора. Упругость звеньев трансмиссии не учитывается. Все необходимые данные для определения момента, создаваемого двигателем КАМАЗ 7402, коэффициента момента и трансформации гидротрансформатора, момента потерь в коробке передач, а также расхода топлива определяются методом линейной аппроксимации точек, введенных в качестве исходных данных.

Процесс разгона автобуса за счет энергии маховика и его рекуперативное торможение рассчитываются с использованием дифференциальных уравнений двухмассовых систем, в которых звеньями приведения являются вал гидромотора и вал гидронасоса, без

учета упругости звеньев трансмиссии. Потери в блоке маховика учитывают аэродинамическое сопротивление и трение в опорах. Механический и объемный КЦЦ гидромашин в уравнениях рассчитывается по зависимостям, предложенным К.И.Городецким. С использованием этих формул был выведен закон изменения параметра регулирования гидронасоса, при котором разгон и рекуперативное торможение машины осуществляется с максимальным перепадом давлений рабочей жидкости на гидромашинах. Полученные выражения имеют вид - для процесса разгона машины за счет энергии маховика

(13)

для процесса рекуперативного торможения машины 0 ^ Ун мах О/Л. „ АРмах Ц.^г 41 ^ Дрмдх/^г \ (14)

Ум К/ц

1/ ДРмАХ Ц . Г \ и ^РиахМ. . р \(

где /Vе - коэффициент динамической вязкости жидкости; Х)=3уТ - характерный размер гидромашиы; V-Бы/мах - характерная скорость гидромашины; "V - рабочий объем гидромашины; (л/ = Ы//<и/МАХ - относительная угловая скорость гидромашины; и!мах - максимальная угловая скорость гидромашины; Су -коэффициент пропорциональности относительной скорости гидромашины; индекс Н - соответствует гидронасосу, а индекс М -гидроыотору.

При моделировании разгона машины за счет работы двигателя и рекуператора одновременно (параллельная работа КЗУ) принято допущение, что моменты двух источников энергии суммируются и не зависят один от другого. Используются уравнения двухмассовой модели разгона автобуса за счет энергии ДЗС, в которые дополнительно введен момент гидромотора, совместно с уравнениями движения маховика.

По результатам моделирования на ЭВМ процессов.разгона и рекуперативного торможения автобуса с гидромашинами различной мощности выявлено влияние этого параметра на эффективность использования рекуператора. При одинаковом моменте на ведущих колесах понижение мощности гидропередачи уменьшает величину энергии, запасаемой маховиком. Так как исследовалось торможение машины с одинаковой начальной скоростью, то при малой мощности

гидромашин в начальный момент торможения происходит кратковременное срабатывание предохранительного клапана, при неизменном максимальном рабочем объеме гидронасоса. По окончании выравнивания расходов гидромалшн параметр регулирования гидронасоса должен изменяться согласно зависимости (13). Большей величине мощности гидропередачи соответствует и более высокий КПД рекуператора, но при этом существенно повышается его масса и стоимость.

Проведено исследование влияния момента инерции маховика на эффективность разгона и торможения автобуса, которое показало, что легкий маховик, имеющий меньший момент инерции, запасает большую величину энергии, что позволяет увеличить максимальную скорость разгона машины. Тем самым оправдывается использование маховиков с небольшими моментами инерции и высокими скоростями их вращения.

На рис.4 представлено сопоставление графиков скорости Vp, ускорения dp и расхода топлива G при разгоне автобуса в последовательном и параллельном режиме работы КЭУ. Последовательная работа КЭУ обеспечивает меньший расход топлива, а параллельная - большую интенсивность разгона машины.

Результаты моделирования на ЭВМ движения автобуса в городском ездовом цикле (ГЕЦ) позволили оценить влияние параметров механических передач трансмиссии рекуператора и режима работы КЭУ на динамические и топливно-экономические характеристики городского автобуса. Как видно из рис.5, величина передаточных отношений дополнительной передачи Uj и редуктора маховика Up существенно влияет, при параллельной работе КЭУ, на средний расход топлива Qs в ГЕЦ. С увеличением llg большее влияние на среднюю скорость 1/"ср начинает оказывать величина Ц,р . Наибольшая величина экономии топлива при таком режиме работы КЭУ не превышает 105?.

На рис.6 и 7 представлено влияние передаточных отношений механических передач трансмиссии рекуператора при параллельном режиме работы КЭУ на среднюю скорость Vcp и средний расход топлива Qj в 1ЕЦ. Из графиков видно, что существуют оптимальные значения U.9 и Lip , при которых экономия топлива приближается к 15%. Установка второго гидронасоса (рис.6) позволяет существенно снизить расход топлива за счет расширения

м Рис.4

ел

диапазона угловых скоростей маховика, но при этом повышаются масса и стоимость гидропередачи.

Проведенный анализ показывает противоречивость оптимальных значений Цд для параллельного и последовательного режима работы КЭУ, что свидетельствует о нецелесообразности одновременного их использования на одной машине.

Анализ результатов моделирования на ЭВМ движения автобуса в ГЕЦ показал, что повышение мопрости гидропередачи снижает величины 0 5 и 1/ор . При увеличении момента инерции маховика увеличивается Од и несколько повышается 1/ср . С увеличением минимальной угловой скорости маховика снижается. Если снизить продолжительность остановок автобуса с 40 до 20 с, то средний расход топлива в ГЕЦ, при параллельной рч?оте КЭУ, уменьшится на 1,Ъ%.

Еывод аналитических зависимостей, предназначенных для расчета , без использования ЭШ, параметров процесса разгона машины за счет энергии маховика и ее рекуперативного торможения, проводился на основе уравнений двухмассовой математической модели , Для этого процесс разгона был представлен тремя периодами. Первый период длится до начала страгивания ведущих колес машины и характеризуется интенсивным ростом давления рабочей • жидкости в гидросистеме. Третий период начинается при достижении максимальной величины давления в гидросистеме, которое затем на всем его протяжении остается постоянным. Второй период является переходным. Выведены соотношения для расчета изменения параметров маховичного рекуператора в каждом периоде.Без учета первых двух периодов погрешность расчета общей продолжительности разгона машины не превышает 5%. В табл.1 представлены формулы, характеризующие изменение параметра регулирования гидронасоса 6 . угловых скоростей вала гидронасоса и!н и вала гидромотора (л/м 11 длительности разгона -Ьрм без учета первых двух периодов. Моменты сопротивлений и КВД гцдромашин принимаются в расчетах постоянными.

В табл. I обозначено: СиГцр,^^- угловая скорость вала насоса в начальный момент разгона и тормояеяия мааинн; продолжительность первого и второго периода торможения машина; Син,Ым - угловое ускорение гидронасоса и гидромотора;

- угловая скорость гидронасоса и гидромотора в

Рекуперативное торможение машины

II период

<Т>

н

I

г+-

£

II

ЭС5

•¿а

№

I период

п

Р

+

£

га

X 2

№ ОС

х

I

£

X -3

£

и £

-э

I

С-К-

£

и

X С>

-о

М

у

слЕ

£

II £

+ СЪ

е-

II

Го сл

X*

£ ¡5

е> тз

3?

X

I

О

:X*

Разгон машины за счет энергии маховика

и €

Е-

го СЛ

с» >

ж

33

<+-

II 0^-1 3

(о

к

С?

го

о

£

£

II

е.-

!И

<Т> м

п

►А

р

о л со ►Э

ш

а>

0

1

О

й в

И

ё

ё а>

Е

•О

О О

о

8

&

о

•а ®

а> •а

о

Б

о

в а

коше первого периода; 8 - параметр регулирования в конце процесса торможения машины.

Процесс рекуперативного торможения машины, в наиболее общем случае, может состоять из двух периодов. Первый период характерен для ситуации, при которой из-за высокой скорости машины в начале ее рекуперативного торможения происходит срабатывание предохранительного клапана. Тогда зарядка маховика кратковременно будет происходить при давления рабочей жидкости в гидросистеме /рпР , определяемом настройкой предохранительного клапана. По окончании выравнивания расходов гидромашин наступает основной, второй период зарядки маховика,на протяжении которого рабочий объем гидронасоса изменяется по закону, обеспечивающему поддержание максимального давления в гидросистеме. Зависимости, характеризующие изменение пар атлет-ров рекуператора в первом к втором периодах торможения малины, представлены в табл.1. Сопоставление результатов расчета по предложенным зависимостям с данными численного решения уравнений на ЭВМ показало, что расхождения не превышают 6%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика выбора параштров маховичного привода, учитывающая его назначение на машине л позволяющая определять характеристики полнопоточной передачи, маховика и механических передач его трансмиссии в соответствии с предъявленными эксплуатационными требованиями.

2. Для выбранной конструктивной схемы маховичного привода с полнопоточной гидрообьемнсй передачей в составе КЭУ проведены расчеты ее осноеных параметров, использованные при проектировании опытного образца рекуператора для городского автобуса.

3. Внбраны критерии, оценивающие свойства конструктивных схем двухпоточных гвдрообъемных передач маховичного привода, и на шг основе выбраны рациональные схемы соединения звеньев дифференциального механизма с гндромашинами, обеспечивающие ма-ховпчному приводу наибольшую эффективность.

4. Разработаны математические модели рабочих процессов трансмиссии маховичного привода с полнопоточной гидрообъемной передачей, с помощью которых на ЭВМ исследовано влияние пара-

метров трансмиссии маховичного привода на характеристики машины. Выявлены оптимальная интенсивность управления гидропередачей и темп включения фрикционной муфты, обеспечивающие махович-ному приводу минимальные потери энергии.

5. В результате экспериментального исследования подтверждена достоверность математической модели и выявлена зависимость максимального давления рабочей жидкости в гидросистеме от управляющего воздействия на гидропередачу.

6. Выведены аналитические зависимости для расчета параметров процесса разгона и рекуперативного торможения машины на ранних стадиях проектирования маховичного привода с полнопоточной гидрообъемной передачей в условиях ограниченной информации о его характеристиках.

7. С использованием разработанных математических моделей выполнено моделирование на ЭВМ движения автобуса ЛИАЗ 5256 с маховичным рекуператором в городских условиях. Выявлено влияние режима работы КЭУ и параметров рекуператора на средний расход топлива и средах® скорость движения автобуса в городском^ездовом цикле. Использование последовательного режима работы КЭУ при найденных оптимальных параметрах механических передач трансмиссии рекуператора обеспечивает до 15$ экономии топлива. При оптимальных параметрах механических передач, соответствующих параллельной работе КЭУ, повышается средняя скорость движения автобуса и обеспечивается экономия топлива до 10$.

. Основные положения диссертации изложены в следующих

работах:

1. Балдин В.А., Королев В.А. Анализ методов расчета двух-поточных передач с гидрообъемныы звеном для КЭУ с АКЭ /Совершенствование методов расчета приводов машин энергетических устройств: Сб. науч.гр./ЖДИ. -I.I., 1987. С.86-108.

2. Дубровин З.Ю., Королев В.А. Аккумулятор кинетической энергии с гидрообъемной трансмиссией /Маховичные накопители энергии: Тезисы докладов I научно-технической конференции.Житомир, 1985. С.37-39.

3. Дубровин 3.3., Королев В.А. моделирование работы фрикционной иухты в трансмиссии аккумулятора кинетической энергии с гидрообъемной передачей /Совершенствование методов расчета

приводов машин энергетических устройств: Сб. науч.тр./МАДй. - M. 1987. С.42-56.

4. Дубровин В.Ю., Королев В.А., Петренко A.M., Ладицннй В.А. Энергетические характеристики аккумуляторов кинетической энергии /Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанций и экономия энергии: Тезисы докладов на совещании. - M., 1985. С.82-83.

5. Королев В.А., Артемьев B.C. Исследование процесса разгона транспортного средства с аккумулятором кинетической энергии и гидрообьемной передачей /Совершенствование методов расчета приводов машин энергетических устройств: Сб. Науч.тр. /МАДИ. - M.t 1987. С.25-42.

6. Маховик : A.C. 1567823 СССР, МКИ F 16 Г 15/30 Дубровин В.Ю., Королев В.А.

МАДИ.3,1049 т.100 I2-.II.90r.