автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Снижение потерь энергии в гибридном приводе автомобиля за счет уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и применения рациональной схемы

На правах рукописи

Васильев Владимир Андреевич

СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ГИБРИДНОМ ПРИВОДЕ АВТОМОБИЛЯ ЗА СЧЕТ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПУЛЬСАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВС И ПРИМЕНЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Специальность 05 05 03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2007

003059383

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель Заслуженный деятель науки Удмуртской Республики,

доктор технических наук, профессор Баранчик В П

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Кузнецов НП (ИжГТУ)

кандидат технических наук

ГлуховКВ (зам Гл конструктора ОАО ИжАвто)

Ведущая организация Институт прикладной механики УрО РАН

Защита состоится «28» мая 2007 г. в « 14^» часов на заседании диссертационного совета Д 212 065 03 в Ижевском государственном техническом университете по адресу. 426069, г Ижевск, ул Студенческая, д 7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 27 » апреля 2007 г.

Ученый секретарь специализированного совета, д т н, профессор

Ю В Турыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Разработка и использование комбинированных (гибридных) энергетических силовых установок (КЭСУ), включающих в себя двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электродвигатель (ЭД) и суммирующий редуктор (СР), является одним из основных направлений работ по повышению экологической безопасности самоходных машин По данным производителей подобных приводов при использовании КЭСУ снижение расхода топлива достигает 10-25% и сокращение вредных выбросов 40-50% Это достигается за счет уменьшения рабочего объема ДВС, снижения доли нестационарных режимов работы и рекуперации энергии ДВС Однако согласование работы ДВС и электродвигателя на всех режимах связано с необходимостью применения компьютерной системы управления В настоящее время за рубежом и в России ведутся работы по созданию силовых энергетических установок стартер-генераторного типа (СГУ) в сочетании с параллельной разработкой необходимой элементной базы для их реализации Составной частью СГУ является электронная система управления ДВС (ЭСУД) Таким образом, применение КЭСУ в сочетании с нейтрализацией токсичных компонентов выхлопных газов, переходом на альтернативные виды топлив, повышением ёмкости аккумуляторов энергии и давления в гидроприводе затрагивает все отрасли знания и знаменует изменения в идеологии построения машин ближайшего будущего

Важной частью работ по созданию КЭСУ является снижение потерь мощности в приводе за счёт уменьшения пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и согласования режимов работы обоих двигателей (ДВС и ЭД) в механической системе КЭСУ за счет системы управления

Крутильные колебания приводов установок с ДВС всегда находились в центре внимания* конструкторов, однако, широкие возможности расчетов колебательных процессов в автомобильных конструкциях возникли лишь с появлением мощных ЭВМ

В последние годы внимание конструкторов привлек тот факт, что крутильные колебания приводов с ДВС сопровождаются не только поломками конструкции, но и потерями энергии, которые раньше включались в величину КПД привода Следует отметить_тот факт, что мощность потерь на резонансных и близких к ним режимах работы привода резко возрастает, и это ставит борьбу с колебаниями в число мер, относящихся к ресурсосбережению и повышению экологической безопасности машин

В работе решена научная проблема снижения потерь энергии в приводе машин с КЭСУ, имеющая важное значение для повышения общей экологической безопасности и снижения энергоёмкости рабочих процессов машин

Цель работы. Снижение потерь энергии, расхода топлива и вредных выбросов КЭСУ на основе уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и преимущественного использования электротяги при движении машины Направление исследовании

- исследовать влияние гармонических составляющих крутящего момента ДВС на реакции механической системы привода с КЭСУ,

- разработать математическую модель динамических процессов в приводе с КЭСУ,

- исследовать влияние на колебания привода массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров механической системы,

- определить параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе,

- разработать и опробовать в инженерной практике методику динамического расчета привода с КЭСУ на ПЭВМ

Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись экспериментальные и теоретические методы исследований, в основу которых был положен прин-

цип системности Экспериментальные и теоретические исследования сопровождались математическим моделированием динамических процессов с использованием моделей различной степени сложности Исследования проводились на экспериментальном стенде и на опытных образцах автомобилей и малых коммунальных машин на базе мотоциклов «Иж» в лабораториях Ижевского государственного технического университета, ОАО «ИжАвто» и ОАО «Ижмаш».

Научная новизна. Разработан новый подход к проектированию схемы и параметров привода с КЭСУ, открывающий возможность снижения потерь энергии и вредных выбросов ДВС при минимальной сложности системы управления

Упрощение системы управления достигнуто за счет уменьшения числа одновременно управляемых параметров ДВС и электродвигателя, благодаря отсутствию между ними жесткой кинематической связи

Научная новизна работы заключается в следующем

- исследован механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь энергии в КЭСУ,

- разработана обобщенная математическая модель для исследования динамических процессов и потерь мощности в приводе с КЭСУ,

г предложена схема суммирующего редуктора в приводе с КЭСУ, при котором реализуется преимущественно режим электрической тяги,

- разработан алгоритм управления совместной работой ДВС и ЭД, обеспечивающий снижение потерь энергии в КЭСУ,

- исследовано влияние на колебания привода массово-геометрических и упруго-диссипативны.с параметров механической системы,

- определены параметры и конструктивные средства для уменьшения влияния гармонических составляющих крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ

На защиту выносятся следующие положения, объединенные общей идеей снижения потерь мощности в приводе с КЭСУ за счет уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента на реакцию механической системы

- новый принцип построения схем привода машин с комбинированной энергосиловой установкой,

- обобщенная математическая модель динамических процессов в приводе с КЭСУ,

- инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с КЭСУ

Практическая полезность паботы Применение результатов исследования позволяет снизить потери мощности, расход топлива и вредные выбросы ДВС за счет устранения неэффективных конструкторских решений на стадии проектирования и уменьшения времени на доводку конструкции

Реализация результатов Результаты работы в виде алгоритмов и инженерной методики расчета привода с КЭСУ использованы при создании опытных образцов автомобиля «ИЖ-21261» и малых коммунальных машин на базе мотоцикла «ИЖ»

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях ИжГТУ 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 г г, на научно-методическом семинаре кафедры «Строительные и дорожные машины» ИжГТУ, на международной научно-технической конференции (Калининград, 1997 ), на-учно-практич конференции «Удмуртия накануне третьего тысячелетия» (Ижевск, 1998), Международных научно-технических конференциях «Интерстроймех-2004» (ВГАСУ, Воронеж), «Интерстроймех-2005» (ТГНГУ, Тюмень), «Интерстроймех-2006» (МГСУ, Москва), Всероссийской научно-технической конференции «Стройкомплекс-2005» (Иж-

ГТУ, Ижевск), научно-практической конференции «Проблемы механики и материаловедения» (ИПМ УрО РАН, Ижевск, 2006 г )

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 научных статей в специализированных изданиях

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов Общий объем диссертационной работы 152 страницы машинописного текста, включающего 25 рисунков, 12 таблиц и список использованной литературы из 57 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определен объект исследования, проведена краткая аннотация всех глав диссертации и дается общее представление о диссертационной работе

В первой главе проведен анализ конструкций КЭСУ, разработанных за рубежом и в России, а также исследованы проблемы снижения потерь энергии в самоходных машинах с КЭСУ

По способу передачи энергии КЭСУ подразделяются на три типа исполнения

- последовательный ДВС работает в стационарном режиме привода генератора, а полезная работа машины выполняется электроприводом исполнительных механизмов с подпиткой от аккумуляторной батареи Фактически это давно известный дизель-электрический привод, применяемый на тепловозах, карьерных самосвалах, промышленных тракторах и самоходных кранах, но дополненный аккумулятором и электронной системой управления ДВС и генератор должны иметь одинаковую мощность, поэтому вес КЭСУ увеличивается за счет массы электроэнергетического модуля, снижается КПД за счет трехкратного преобразования энергии,

- параллельный валы мотор-генератора (ЭД) и ДВС жестко связаны через суммирующий редуктор (СР) или через дорогу при раздельном приводе ведущих мостов от различных двигателей СР имеет два входа и один выход Рабочий объем ДВС уменьшен, снижается объем вредных выбросов и расход топлива Однако стационарный режим ДВС невозможен из-за существенного различия скоростных характеристик электродвигателя и ДВС Система управления должна постоянно отслеживать и с очень высокой скоростью соответственно изменять мгновенные значения крутящих моментов и угловых скоростей ДВС и электродвигателя Учитывая пульсацию крутящего момента ДВС по углу поворота коленчатого вала и инерционность механической системы, задача управления усложняется многократно Ошибки управления неизбежно приводят к возникновению крутильных колебаний, динамических нагрузок и потерям мощности в СР,

- последовательно-параллельный потоки мощности ДВС и ЭД, в зависимости от мощности сопротивления трансмиссии, меняют схему с последовательной на параллельную и наоборот При этом валы ЭД и ДВС не должны иметь жёсткой кинематической связи и, следовательно, можно обеспечить стационарный режим ДВС Появляется возможность реализации электротяги без участия ДВС, упрощается система управления, возможны комбинации самых разнообразных кинематических вариантов

Наиболее рациональна третья, последовательно-параллельная схема СР Это подтверждают пока ещё немногочисленные конструкции автомобилей и строительных машин с КЭСУ последнего поколения, выпускающиеся в Японии, США и др странах В ряде конструкций в качестве СР применяется планетарная передача с двумя степенями свободы При этом отсутствие жесткой механической между входными ветвями СР является обязательным условием, иначе увеличивается число управляемых параметров, что

неизбежно приводит к снижению точности управления, увеличению потерь в CP и снижению эффективности работы всей КЭСУ

Исследовагели комбинированных приводов выделили следующие характерные режимы работы машины

- начало движения с малым ускорением и движение с малой скоростью от электродвигателя (ЭД),

- нормальный режим движения с постоянной или мало изменяющейся скоростью при совместной работе ДВС и ЭД,

- разгон машины с ускорением все процессы осуществляются, как при втором режиме, но подпитка ЭД аккумулятором происходит с большей интенсивностью

- торможение (замедление) машины электродвигатель работает в режиме генератора, а вырабатываемая им электроэнергия подается на зарядку аккумулятора, ДВС не работает,

- зарядка аккумулятора в процессе торможения и при нормальном режиме, когда запас энергии в аккумуляторной батарее истощается до порогового уровня ДВС, вращая генератор под контролем системы управления, обеспечивает подачу тока в аккумулятор для его зарядки

В настоящее время на автомобилях имеются самые различные соотношения мощностей мощностей ДВС и ЭД, что объясняется разными подходами к проектированию Например, на автомобиле Toyota Prius это соотношение примерно 1 1, а на автомобиле Honda Insight - I 0,12

Из-за существенного различия скоростных характеристик ДВС и ЭД, при параллельной работе двигателей в CP неизбежно возникает замкнутый силовой поток и потери энергии Необходимым условием отсутствия циркуляции мощности в цепи ДВС - ЭД является синхронизация угловых скоростей в узловой точке потоков мощности — на выходе суммирующего редуктора Таким образом, отсутствие жесткой кинематической связи между ДВС и ЭД является необходимым условием Достаточным условием является минимизация реакции механической системы на возмущение гармониками крутящего момента ДВС Общим приоритетом при построении управления синхронной работой ДВС, ЭД и трансмиссии является предпочтение использования момента ЭД ДВС должен использоваться только для энергетической подпитки ЭД и аккумулятора Такая стратегия соответствует главной цели применения КЭСУ - снижению вредных выбросов в атмосферу.

Образование замкнутого силового потока в CP (Рис 1) объясняется тем, что мощность на выходе CP, которая в каждый момент времени должна соответствовать мощности сопротивлечия движению машины, на самом деле при заданной скорости выходного вала CP не равна суммарной мощности ДВС и ЭД Это является следствием двух причин 1) ошибок синхронного управления крутящими моментами ДВС и ЭД, значительных при жесткой кинематической связи между валами двигателей, 2) изменением крутящего момента ДВС по углу поворота вала при постоянной средней угловой скорости последнего

Из-за ошибок управления возможны отклонения текущих значений приведенных к выходному валу CP средних за оборот угловых скоростей ДВС и ЭД от текущего значения приведенной угловой скорости трансмиссии а>т При этом возникают замкнутые

силовые контуры в цепях ДВС - суммирующий вал редуктора и ЭД - суммирующий вал редуктора Избыточная (положительная) работа крутящего момента ДВС и недостающая (отрицательная) работа крутящего момента ЭД могут быть определены по формулам

ААЭ = АМэтют - МзгАсоЭ1

Мт = Шдтсат -МвтЬсо6Т

где й)эт, С0ДТ - ошибки регулирования угловых скоростей ЭД и ДВС,

ДМЭГ, АЛ//(Г - приращения значений крутящих моментов ЭД и ДВС согласно скоростным характеристикам,

Мэт, Мдт - крутящие моменты ЭД и ДВС, приведенные к выходному валу редуктора

Рис. 1. Схема образования замкнутых силовых потоков и потерь мощности в приводе с КЭСУ

Поскольку в действительности система находится в точке с координатами

( Мт, сот ), то работа крутящих моментов (положительная и отрицательная) расходуется

на закручивание валов

Суммарная мощность потерь из-за ошибок управления при синхронизации ДВС и ЭД равна

Ш = МэтА(оэт+МдтАадт

Если предположить, что потоки мощности ДВС и ЭД одинаковы, а ошибка управления составляет 1%, то мощность потерь составляет 1%, что означает соответствующее уменьшение КПД привода

С целью уменьшения потерь в КЭСУ принцип работы системы управления должен быть основан на отслеживании отклонения скоростей и моментов ДВС и ЭД от скорости и момента на валу суммирующего редуктора Для ДВС основным управляющим параметром является величина подачи топлива Таким образом система управления двигателем (ЭСУД) среди бесконечного множества нагрузочных характеристик ДВС должна найти в

памяти точку с координатами (Мдт , а>г ) и установить соответствующую подачу топлива Одновременно система управления ЭД должна установить такие величины питающего напряжения и тока, которые соответствуют значениям ( Мэт, а>т ) по скоростной характеристике ЭД

Парциальные доли крутящих моментов ДВС и ЭД зависят от мощностей двигателей Применение стартер-генераторных устройств, выполняющих роль стартера при пуске ДВС и роль генератора при работающем ДВС, позволяет увеличить парциальную долю ЭД, но являетсч сложной и комплексной проблемой электромашиностроения, связанной также с разработкой элементной базы системы управления (кристаллов транзисторов, частотных преобразователей, конверторов и т д )

Сложность и качество управления зависят от числа одновременно управляемых параметров Скоростная характеристика ЭД является устойчивой, так как при возрастании нагрузки момент на валу ЭД также возрастает и система приходит в новое равновесное состояние Для сохранения скорости надо увеличить только напряжение, а ток оставить без изменения, т е число управляемых параметров уменьшается Однако это возможно, если момент на валу ЭД не зависит от момента на валу ДВС В противном случае в каждый момент времени необходимо задействовать все управляющие воздействия ток, напряжение и подачу топлива

Для решения этой проблемы необходимо устранить жесткую кинематическую связь между ЭД и ДВС

Использование между ДВС и ЭД планетарного суммирующего редуктора с двумя степенями свободы на двух «входных валах» не устраняет кинематическую и силовую связь ДВС и ЭД Необходимо, чтобы мгновенная мощность ЭД определялась лишь его внешней скоростной характеристикой и не зависела от передаточного отношения планетарного редуктора Это позволило бы упростить систему управления за счёт уменьшения числа управляемых параметров, создать предпосылки для уменьшения систематических ошибок управления и для снижения потерь мощности в суммирующем редукторе

Обобщая вышеизложенное, можно сформулировать следующие принципы построения схем привода машин с комбинированной энергосиловой установкой

1 Преимущественное использование электрической тяги при движении машины,

2 Отсутствие жёсткой кинематической связи между валами ДВС и ЭД,

3 Уменьшение числа одновременно управляемых параметров системы управления за счет использования внутренней автоматичности скоростной характеристики ЭД

Другой причиной потерь мощности в приводе является пульсация крутящего момента ДВС вокруг среднего значения Крутящий момент ДВС при постоянной частоте вращения коленчатого вала со является функцией угла поворота а вала с периодом, кратным 2 я Такая функция может быть разложена в ряд Фурье и представлена в виде

бесконечного ряда гармонических составляющих с угловой частотой а>1 и с амплитудой

Мд - М0 + И Л С0Б(+ <Рь )

где Л/о - среднее значение крутящего момента ДОС

к - порядок гармоники крутящего момента

Система управления оперирует лишь со средними значениями крутящего момента ДВС Между тем, амплитуды гармонических составляющих, для четырехтактных двигателей в основном первого и второго порядка, могут превышать среднее значение момента в несколько раз Поэтому в приводах с ДВС неизменно присутствуют демпферы крутильных колебаний, настроенные на подавление влияния низших гармоник крутящего момента, особенно тех, период которых кратен !14 числа вспышек за 1 оборот коленчатого вала

Опыт исследований колебаний автомобильных конструкций показывает, что из-за широкого собственного спектра и из-за непрерывно меняющихся частот возмущений как со стороны двигателя, так и со стороны дороги, возникновение резонансных колебаний привода приходится признать неизбежным фактом Задача состоит в том, чтобы минимизировать амплитуду колебаний элементов привода Это возможно при наличии соответствующей математической модели колебаний

Гармонический анализ кривых крутящего момента по углу поворота вала ДВС показывает, что амплитуды гармоник первого и второго порядка в разы превышают значение среднего за оборот крутящего момента (Табл I)

Таблица 1

Амплитуды гармонических составляющих крутящего момента _двигателя В АЗ-1111_

Порядок гармоники 0,5 1 1,5 2 2,5 3

при частоте вращения вала ДВС 1000 об/мин

Амплитуда гармоники крут момента, Н*м 5,70 49,46 4,07 33,89 2,77 23,70

Средний за оборот кр момент, Н*м 49,0 49,0 49,0 49,0 49,0 49,0

Таким образом, динамический расчет привода с КЭСУ и оценку потерь мощности необходимо производить от действия гармоник первого и второго порядка крутящего момента

Во втопон главе обоснована обобщенная схема привода и разработана математическая модель динамических процессов в приводе машины с КЭСУ Приводится на примере автомобиля ИЖ2126 алгоритм управления комбинированным приводом

Силовой привод автомобиля является сложной динамической системой, собственный спектр и частоты возмущений которой охватывают широкий диапазон частот По данным профессора В Е Тольского, при исследовании динамических нагрузок, вибраций и шума математическая модель должна быть адекватна в диапазоне до 5,5 - 300 Гц

При исследовании колебаний и потерь мощности силового привода необходимо, чтобы модель была адекватна в диапазоне наиболее интенсивных уровней откликов конструкции Исследования профессора А Н Нарбута показали, что система плотно резонирует в диапазоне до 200 Гц, причем, первая и вторая крутильные формы колебаний трансмиссии наблюдаются в диапазоне до 90 Гц В этом диапазоне основное влияние оказывает неравномерность крутящего момента двигателя

Для анализа сложных систем в настоящее время применяется принцип декомпозиции Применение принципа декомпозиции позволяет представить сложную систему в виде ряда управляемых механических цепей, через которые передаются возмущения и управляющие воздействия В управляемом приводе с КЭСУ возможно совпадение собственных частот привода с собственными частотами системы управления, что приведет к увеличению откгонений управляемых параметров Для уменьшения ошибок управления необходимо, чтобы частоты управляющих воздействий были значительно выше собственных частот привода Для анализа сложной колебательной системы по частям в ней находят так называемые «слабые связи» Связь считается слабой, если колебания рассматриваемой части сложной системы не изменяются или увеличиваются при освобождении этой части механической системы от наложенной связи

По методу, предложенному профессором В П Баранчиком, машину и привод с КЭСУ можно преде гавить в виде механических цепей

Силовой привод-

Рис. 2 Представление силового привода с КЭСУ в виде механического многополюсника: 1,2,. ..,6 - точки связи агрегатов, е1к - динамическая

податливость в ¡-ой точке от возбуждения к-ой точки.

Условие слабой связанности колебаний КЭСУ с остальной частью привода имеет

вид

ш

Ж,М„,„,^—>(*=1>2> >•*)

»1=1 Нин

Строки этого выражения определяют влияние на уровень колебаний привода связей в точках 1,7,3,4 соответственно Если сумма относительных податливостей связей меньше единицы, то данная связь мало влияет на колебания объекта Модель, в которой данная связь отсутствует, будет давать завышенный результат, по сравнению с тем результатом, который был бы получен при использовании модели, в которой данная связь учитывается

Если взять предельный случай, когда динамические податливости связей КЭСУ с остальной частью привода одинаковы (на самом деле податливость трансмиссии, приведенная к валу КЭСУ, значительно ниже), то получим результат меньше единицы

Это означает, что для исследования динамических нагрузок в КЭСУ, достаточно представить остальную часть привода в виде одной сосредоточенной массы, включающей также поступательно движущуюся массу автомобиля (Рис 3)

Для математического описания процессов в приводе с целью изучения их закономерностей, поиска путей снижения потерь мощности и повышения надежности за счет снижения колебаний и динамических нагрузок, применён метод комплексных амплитуд Этот метод позволяет учесть внутреннее трение в материале и трение в сочленениях (конструкционное демпфирование), возникающее при колебательном закручивании валов Конструкционное демпфирование, в отличие от демпфирования в передачах, подшипниках и других подвижных соединениях (представленное в виде кпд), требует учета деформаций сочлененных элементов

•4 91

Рис. 3. Схема привода с параллельными потоками мощности

Теория конструкционного демпфирования основана на законе Гука и законе сухого трения, так как вид и площадь петли гистерезиса не зависят от скорости деформации (частоты процесса) Трение в материале считается пропорциональным деформации и сдвинутым относительно упругого момента на угол п / 2 Метод комплексных амплитуд позволяет учесть также вязкую составляющую трения, зависящую от скорости деформации (частоты) Обычно вязкое трение учитывается на высоких частотах и в гидравлических системах Для достижения большей общности в математической модели привода с КЭСУ учитывается также вязкое трение

Независимыми координатами являются углы поворота вращающихся масс Вращающиеся массы соединены упруго-диссипативными линейными связями Например, комплексная жесткость 1-ой связи содержит упругую и диссипативную составляющую (конструкционное демпфирование), и равна

С^сДИ-!^),

где С, - действительная жесткость связи 1,

- коэффициент внутреннего трения в материале и трения в сочленениях связи 1,

I - мнимая единица

Аналогично выражаются комплексные жесткости остальных связей В соответствии с целью исследования рассматриваем колебания масс относительно положения статического равновесия Причиной колебаний являются гармонические составляющие вращающего момента ДВС

Для составления дифференциальных уравнений движения используем принцип Да-ламбера

10)1

2 2 Л2ЧГ2 *3<Г 2 "2 д' 2

V, <Р2 * <РХ * V2

} г) д э г) д

Р3 *

где , <р , ^ , - углы поворота масс ЭД, ДВС, ведомого вала СР, ведущего колеса соответственно,

/,/,/,/ - моменты инерции вращающихся масс ЭД, ДВС, СР (относительно

ведомого вала) и поступательно движущейся массы автомобиля (относительно оси ведущего колеса),

С1' °2 ' С3 " К0ЭФ(1,ициеиты Упругого сопротивления участков привода, ' ' "з " К0Э(1)Фициенты вязкого сопротивления участков привода, М - амплитуда гармоники вращающего момента ДВС,

е - комплексное единичное гармоническое воздействие, 1Э - передаточное отношение участка ЭД-ведомый вал СР, - передаточное отношение участка ДВС-ведомый вал СР 1Т - передаточное отношение участка колесо - ведомый вал СР

Решение отыскивается в виде ср = Ф Продифференцировав дважды по времени, получим

<р = Фтем, (р - -Фае" ,

где Ф - комплексная амплитуда, Ф - V + ¡V,

1/, V - действительная и мнимая части комплексной амплитуды В матричной форме система уравнений движения может быть записана в следующем виде

С-со'А -(<аВ + уС) X и м

шВ + уС С-о) А V 0

где А, В, С - матрицы масс, демпфирования и жесткости,

со - угловая частота гармонической составляющей вращающего момента

две

Модуль амплитуды колебаний вычисляется по формуле

Ф = у/и' + V' ,

Величины и и V определяются в результате решения системы Физический смысл этих величин состоит в том, что они характеризуют амплитуду и сдвиг фазы колебаний соответственно По найденным значениям Ф могут быть определены амплитудные значения углов закручивания участков, упругих и диссипативных моментов, мощности колебательного процесса, мощности потерь и другие величины, являющиеся функциями независимых координат Например, упругий и диссипативный момент на валу ЭД определяются следующими зависимостями

М„, = с,(ф, -ф3'э)

Разработанная математическая модель обладает достаточной общностью, так как позволяет моделировать динамические процессы как в последовательной, так и в параллельной и последовательно-параллельной схемах КЭСУ Разница состоит в значениях приведенных к выходу СР массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров привода

Предполагается, что между ДВС и ЭД жесткая кинематическая связь отсутствует, т е возмущающий момент ЭД равен нулю Для обеспечения этого необходимого условия предложена схема привода, которая позволяет реализовать идею преимущественного использования ЭД, в том числе режим чистой электротяги без ДВС (Рис 4)

т

Генератор "в"

а трансмиссию _

Рис. 4 Схема КЭСУ, обеспечивающая отсутствие замкнутых силовых потоков

Ведомый вал СР жёстко связан с валом ЭД и с водилом планетарного редуктора (ПР) На центральном и на корончатом колесах ПР установлены соответственно ДВС и генератор (Г), предназначенный для зарядки аккумулятора (А), от которого питается ЭД Таким образом, между ДВС и ЭД введено компенсирующее звено - генератор (Г) Регулируя тормозом и электрическим сопротивлением цепи ротора частоту вращения и крутящий момент на валу Г, можно обеспечить требуемую добавку крутящего момента ДВС на водиле ПР при любом значении частоты вращения последнего

м.-м.

м =-— ---

т

где М„, А//, Ы] - моменты на валу ДВС, на ведомом валу СР и ЭД соответственно,

- передаточное отношение от звена а (ДВС), до звена И (водило) при застопоренном звене Ь (генератор)

При полностью заряженном аккумуляторе момент на валу генератора мал, поэтому момент ДВС, увеличенный соответственно передаточному отношению, суммируется с моментом ЭД и направляется в трансмиссию в точном соответствии с ее скоростью При неполностью заряженном аккумуляторе момент на валу ДВС определяется соотношением

и (МТ~Мэ) М.

где М„ - момент на валу генератора, 1м

заторможенном звене а (ДВС)

Для кратковременного увеличения момента ДВС и суммарного момента на валу СР необходимо отключение Г от сети Таким образом, на привод Г расходуется часть мощности ДВС, которую можно регулировать тормозом и электрическим сопротивлением цепи Г

Если необходимая добавка момента ДВС, приведенная к водилу, равна М при частоте вращения последнего п, то генератору надо задать такой режим, при котором требуемый момент М„ может быть получен при наиболее экономичной частоте вращения и„ вала ДВС

м =~ + М I,

(„) я „к

м

и) ,

где I < и - передаточное отношение от звена а к звену Ь при остановленном води-

ле I,

7

2,„ 2„ - числа зубьев колес айв соответственно, М„, п„ - момент и частота вращения вала ДВС

Iм +

па

После задания указанного режима Г, нужный момент и обороты ДВС получаются автоматически, согласно передаточному отношению планетарного редуктора При этом на выход подается требуемая добавка крутящего момента в точном соответствии со скоростью вращения валов ЭД и СР, а на Г - мощность в соответствии с формулой для М„ Эта мощность в виде электрической энергии направляется на восполнение потери энергии аккумулятора, а при ее избытке - непосредственно к ЭД

Предложенная схема позволяет реализовать все эксплуатационные режимы работы привода

- движение на электрической тяге,

- автоматическим запуск ДВС и энергетическая подпитка ЭД при недостаточном

его моменте на любой скорости движения машины,

- автоматическую зарядку аккумулятора,

- рекуперативное и экстренное торможение,

- аварийный запуск ДВС «с хода» и движение с использованием только ДВС,

- движение «накатом»

Алгоритм управления (Рис 5) основан на отслеживании текущих значений параметров состояния М/, со/ М> СО) Ма со„, М„ со,, и соответствующем изменении управляющих параметров

- тормозных моментов и частот вращения валов ДВС и генератора,

- напряжения и сопротивления обмотки генератора,

- подачи топлива в цилиндры ДВС Исполнительными механизмами являются

- тормоз на валу генератора,

- тормоз на валу ДВС,

- регулятор напряжения и реостат обмотки генератора,

- регулятор впрыска топлива в цилиндры ДВС

Цель управления - минимизировать время работы и потребление мощности ДВС, за счет максимального использования электрической тяги и рекуперации энергии торможения

Критерием оптимальности управления является коэффициент использования электрической тяги по мощности и по времени при заданных функциональных ограничениях Функциональными ограничениями являются соотношения моментов и частот вращения валов В работе приведено подробное описание процессов управления

Рис. 5. Алгоритм управления комбинированным приводом 16

Гостья главл [¡осцящеин экспериментальному исследованию динамических процессов в приводе с ЮСУ. Цель - экспериментальное подтверждение величины потерь мощности в замкнутом контуре нрн кинематическом несоответствии скоростей вращения входных звеньев дифференциальной передачи. Основные задачи эксперимента:

- определение неравномерности вращения и крутящего момента ДВС;

- определение крутящих моментов на валах дифференциальной передачи;

- моделирование основных режимов работы дифференциального привода с КЭСУ;

- проверка адекватности теоретического решения экспериментальным данным. Основным элементом экспериментальной установки (Рис. 6) является дифференциации,ж редуктор, имеющий следующие параметры:

- передаточное отношение главной передачи 1' я з,91 ;

- передаточное отношение конического Дифференциала / = -1;

На полуосях дифференциала закреплены два маховика-объекта массой 10.9 кг н 19.8 кг, с моментами инерции 3 = 0.187^ * м н 3 - 0.783<й *м соответственно, Первый

служит для имитации электродвигателя, второй - трансмиссии. Ведущий вал главной передачи через цепную передачу вращается двигателем «Иж-ПЗ», Передаточное отношение ценной передачи / 2.625 , с жесткостью 4000 Н*м/рад. Жесткость полуосей - 19876

11*м/рад. Момент инерции редуктора - 3 ж = 0.0194«.' * м!, передаточное отношение главной передачи I = 3,9! .

Параметры двигателя Иж-1 !3 при эксперименте:

- момент инерции коленчатого кала, сцепления и коробки передач (относительно оси коленчатого пала) 3 = 0.0299кг *м ;

- передаточное отношение моторной пер едачи = 2,18 ;

- передаточные отношения КПП : / = 3.17;« 1.81;/, = 1.26;^ = 1.00;

Рис.6а. Общин пил экспериментальной установки

г

ЛВС

А

Л

Г"

Сг±

/

л

л

т

I I I I

\ •

с :

/ .. V

1± Сз

1_

!ц Ц _ -/уу

т

I I I

1/0

+

Н"!

мош

Ж,

/КПП

Риг.бб. Кинематическая схема экспериментальной установки

Порядок проведения эксперимента

1 Запускается ДВС при включенной передаче в КПП

2 Маховики разгоняются до установленной скорости Исследование включало 3 серии опытов в соответствии с частотой вращения ДВС 1000, 2000, ЗООО об/мин на каждой передаче

3 Поддерживается постоянная скорость и производится синхронное измерение мгнов енного значения угловой скорости ДВС и маховиков-объектов

4 Увеличивается подача топлива в ДВС, производится разгон маховиков-объектов и синхронное измерение текущих значений угловой скорости ДВС и махо! иков-объектов

5 Закрывается дроссельная заслонка, происходит торможение маховиков-объектов двигателем, синхронно измеряются мгновенные значения угловой скорости вала ДВС и маховиков-объектов

Определение мгновенных значений угловой скорости валов установки производилось при помощи измерительной системы Регистрировалось время поворота на заданный угол одновременно на трёх валах Сигналы датчиков при помощи ПК преобразовывались в цйфровую форму, после чего определялись углы закручивания участков, крутящие моменты и мощность

Планирование числа экспериментов производилось по стандартным методикам

Для подтверждения адекватности математической модели реальному процессу можно воспользоватьст сравнением данных, полученных во время эксперимента, с решением адаптированной к особенностям стенда математической модели Конструктивные параметры, принятые в математической модели, соответствуют характеристикам экспериментального стенда Максимальное расхождение экспериментальных и теоретических результатов не пргвышает 12% (Рис 7, 8, 9 )

п, об/мин

Рис. 7а. Амплитуды углов поворота масс экспериментальной установки (расчетные)

п, об/мин

Рис. 76. Амплитуды углов поворота масс экспериментальной установки (эксперимент)

В четвертой главе исследован собственный спектр и влияние массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с ЮСУ В качестве объекта исследования был принят автомобиль ИЖ 21261 с КЭСУ На автомобиле установлен двигатель ВАЗ-1111 мощностью 22 кВт при 5500 об/мин, максимальный крутящий момент 49 Н*м Электродвигатель постоянного тока мощностью И кВТ и частотой вращения 7700 об/мин имеет максимальный крутящий момент 55 Н*м и присоединяется к валу суммирующего редуктора (СР), на котором установлен ДВС, через ременную передачу с передаточным числом 7700/5500= 1,4 При этом ЭД и ДВС соединяются параллельно

Рис. 8. Упругие моменты на валах экспериментальной установки

й, об/мин

Рис. 9. Мощность потерь на валах экспериментальной установки

Динамические параметры этого автомобиля таковы, что система резонирует с основной гармоникой ДВС при 1300 об/мин и при 2200 об/мин Расчеты при помощи разработанной математической модели проводились на всех пяти передачах в диапазоне оборотов выходного вала CP с 800 цо 5600 об/мин

Для оценки влияния пульсационной составляющей крутящего момента ДВС был проведен гармонический анализ крутящего момента четырёхтактного двухцилиндрового двигателя ВАЗ-1111, который был установлен на экспериментальный автомобиль (рис 10)

П,ОбЬми

Рис 10 Амплитуды гармоник крутящего момента двигателя ВАЗ-1111

Наибольшую амплитуду имеют гармоники первого порядка, значения которых соизмеримы и даже превышают значения среднего крутящего момента ДВС Наибольший отклик привода на возмущения основной гармоникой (Рис 11) наблюдается при запуске ДВС и на оборотах холостого хода Колебания происходят относительно ведущих колес Упругие моменты, возникающие при закручивании участков привода, соизмеримы со средним значением момента полезного сопротивления (Рис 12) Одновременно были определены потери мощности из-за колебаний привода с КЭСУ, вызванные действием основной гармоники крутящего момента ДВС (Рис 13) Сравнивая мощность потерь с величиной полезной мощности, приходим к выводу, что в данном случае при резонансных режимах мощность потерь может достигать 34 % полезной мощности

Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика углов поворота вращающихся масс привода (п - частота вращения ДВС) при возмущении гармоникой 1-го порядка крутящего момента ДВС

Рис.12 Упругие моменты на ведомом валу суммирующего редуктора

Рнс.13. Мощность потерь в приводе автомобиля ИЖ 21261 с КЭСУ

Обобщенная математическая модель позволяет проводить расчет для любой схемы привода с КЭСУ В зависимости от схемы привода, изменяются лишь численные значения приведенных моментов инерции и жесткостей привода

Исследование влияния упругих и диссипативных параметров на динамические нагрузки и потери мощности в приводе автомобиля ИЖ 21261 с КЭСУ, приведенные в диссертации,

позволило установить некоторые общие закономерности динамических процессов и разработать рекомендации для частного случая автомобиля ИЖ 21261 с КЭСУ

1 Наибольшее влияние на динамические нагрузки и потери мощности оказывает основная гармоническая составляющая первого порядка крутящего момента ДВС.

2 Формы крутильных колебаний на частотах вращения привода практически не зависят от передаточного числа в трансмиссии

3 В существующей конструкции привода наблюдается резонанс от гармоники 1-го порядка на частотах 1300 об/мин и 2200 об/мин на всех передачах, которая не зависит от передаточного отношения трансмиссии

4 Для снижения амплитуд колебаний проектируемых трансмиссий необходимо производить конкретный анализ с использованием разработанной математической модели Для существующей конструкции можно рекомендовать смещение резонансных колебаний из рабочей зоны за счет увеличения жесткости участков трансмиссии от ЭД до СР в 7-10 раз В этом случае амплитуды снижаются на 10-15 %, динамические моменты (упругие и диссипа-тивные) на 40-45 %, а потери мощности в среднем по всему диапазону - до 40 %, в зависимости от режимов

5 Наибольшие потери мощности наблюдаются на резонансных частотах основной гармоники крутящего момента

Для снижения потерь мощности необходимо выводить резонансные режимы работы привода из диапазона рабочих оборотов путем соответствующего подбора жесткостей и коэффициентов демпфирования участков привода

Подробный анализ результатов и рекомендации приведены в работе В пятой главе представлена инженерная методика и алгоритм расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с КЭСУ На примере автомобиля ИЖ 2Г261 с КЭСУ определена рациональная схема и параметры'дифференциального СР, при которых обеспечивается преимущественное использование чистой электротяги при минимизации времени работы ДВС Для сравнительной оценки эффективности разработанного подхода к проектированию схемы и параметров привода с КЭСУ, открывающего возможность снижения потерь энергии и вредных выбросов ДВС при минимальной сложности системы управления, построена тяговая характеристика привода (Рис 14) Определены потери энергии, возникающие при параллельной и последовательно-параллельной схемах привода, реализованных в автомобиле Иж-21261 (Рис 15)

При наличии кинематической связи между ДВС и ЭД (Рис 14), ЭД используется для разгона до 750 об/мин, соответствующих оборотам холостого хода ДВС Затем после запуска ДВС до 4300 об/мин двигатели работают совместно, далее ЭД должен быть отключен от привода и движение до 5500 об/мин происходит только за счет энергии ДВС' При этом, как показали испытания и расчеты, в приводе наблюдаются повышенные динамические нагрузки

При использовании планетарного редуктора (Рис 14) с разделением силовых потоков ДВС и ЭД, и алгоритме управления соответственно рис 5, появляется возможность получения постоянного режима работы ДВС на максимальном крутящем моменте при 3500 об/мин (Рис 10) при любой скорости ведомого вала СР Это достигается за счет соответствующего регулирования момента на валу генератора При этом автомобиль получает максимальное ускорение при наивысшем КПД ДВС При заданных внешних скоростных характеристиках двигателей и передаточных числах трансмиссии автомобиля ИЖ 21261 это возможно до максимальных оборотов ЭД (4300 об/мин на рис 14), что соответствует скорости автомобиля 100 км/час При более высоких скоростях питание ЭД отключается, и на этих скоростях ЭД, как вращающаяся масса, влияет только на колебания привода

Для реализации экономичных показателей движения, генератору задается такой режим, при котором частота вращения вала ДВС равна нулю или минимальна Электродвигатель работает в соответствии с нагрузкой в трансмиссии При необходимости энергетической

п, об/мин

Рис 14. Суммарный крутящий момент на ведомом валу СР при работе двигателей на режиме внешней скоростной характеристики.

подпитки ЭД производится запуск ДВС, который развивает момент соответственно недостающей разнице максимального момента ЭД и момента трансмиссии

После выполнения необходимых условий создания схемы рационального привода, при помощи математической модели колебаний, определяются места установки и жесткость демпферов, позволяющих уменьшить влияние гармоник крутящего момента ДВС на дополнительные напряжения и потери мощности в приводе с КЭСУ Для рассматриваемого привода рекомендовано увеличить жесткость связи ЭД с СР с 2145 Н*м/рад (существующая конструкция) до 18000 - 20000 Н*м/рад, заменив ременный привод ЭД, например, зубчатым При этом критические обороты привода по основной гармонике выводятся за пределы диапазона частот вращения, преимущественно используемых в ДВС и значительно снижаются амплитуды колебаний, динамические моменты и потери мощности в приводе (Рис 15)

п, об/мин

Рис.15. Мощность потерь на ведомом валу СР при работе двигателей иа режиме внешней скоростной характеристики (ВСХ).

24

Заключение и выводы

1 Разработанная математическая модель динамических процессов в приводе машины с суммированием потоков мощности от ДВС и от электродвигателя позволяет исследовать динамические нагрузки и потери мощности в приводе, и на этой основе оптимизировать конструктивные параметры машины

2 Исследован механизм образования замкнутых силовых потоков и соответствующих потерь мощности в приводе при различных режимах работы машины с КЭСУ

3 Разработанная инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с комбинированной энергосиловой установкой позволяют

- получить решение по конструкции КЭСУ, близкое к оптимальному,

- сформулировать исходные данные для проектировщиков системы управления,

- исследовать влияние массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров механической системы на колебания привода и выбрать рациональное конструктивное решение,

- определить параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе

4 Для получения режима электротяги и для упрощения системы управления двигателями необходимо ЭД устанавливать на выходном валу планетарного СР, а ДВС - на том звене планетарной передачи, передаточное отношение к выходному валу которого соответствует отношению максимальных оборотов ДВС и электродвигателя Максимальные обороты электродвигателя должны отвечать тяговому режиму работы электрической машины

5 Наибольшее влияние на динамические нагрузки и потери мощности в КЭСУ оказывает основная гармоническая составляющая первого порядка крутящего момента ДВС

6 Формы крутильных колебаний на частотах вращения привода практически не зависят от передаточного отношения в трансмиссии

7 Упругие моменты, возникающие при колебаниях привода от гармонических составляющих вращающего момента ДВС, соизмеримы с моментом полезного сопротивления

8 Мощность потерь при резонансных режимах может достигать 34 % от полезной мощности

9 Снижение амплитуд колебаний проектируемых трансмиссий может бьпъ достигнуто в результате конкретного анализа с использованием разработанной математической модели Например, для существующей конструкции Иж-21261 с КЭСУ можно рекомендовать увеличение жесткости участков трансмиссии от ЭД до СР до 18000 - 20000 Н*м/рад путем замены ременного привода, например, зубчатым В этом случае амплитуды снижаются на 1015 %, динамические моменты (упругие и диссипативные) на 40-45 %, а потери мощности - до 40 %, в зависимости от режимов работы привода

Основные научные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Умняшкин В А, Филькин ИМ, Васильев В А Динамика передач с гибкой связью в комбинированных энергетических установках машин // Тезисы докладов I международной научно-технической конференции-Калининград, 1997

2 Умняшкин В А , Филькин Н М, Васильев В А Перспективы и проблемы создания малотоксичных гибридных автомобилей // Тезисы докл научно-пракгич конф «Удмуртия накануне третьего тысячелетия», часть 2, Ижевск, 1998

3 Баранчик В П, Филькин Н М, Васильев В А, Энергетика колебательных прцессов многоприводных самоходных машин//Тез докл XXXI научно-техн конф , Ижевск, ИжГТУ, 1998, с 135

4 Баранчик ВП, Васильев В А Моделирование динамики трансмиссии колесной машины с бортовым поворотом // Тез докл XXXI научно-техн конф, Ижевск, ИжГТУ, 1998, с 138

5 Баранчик В Л, Васильев В А Анализ структурных схем трансмиссий автомобилей с комбинированной силовой установкой // Тез докл XXXI научно-техн конф , Ижевск, ИжГТУ, 1998, с 139

6 Васильев В А , Филькин Н М Математическая модель для исследования динамики машинного агрегата с комбинированной силовой установкой // Тез докл XXXI научно-техн конф, Ижевск, ИжГТУ, 1998, с 141

7 Баранчик ВП, Жичкин ЕА, Васильев В А Математическая модель колебаний шасси мотоцикла // «Вестник» Академии транспорта, Уральское межрегиональное отделение, Курган, 1998, с 24

8 Баранчик В 77, Васильев В А Динамика привода самоходной машины с гибридной силовой установкой // Материалы международной научно-техн конф «Интерстроймех-2004», Воронеж ВГАСУ, 2004, с 40

9 Баранчик В П, Васильев В А Выбор схемы комбинированной энергосиловой установки машины с планетарным суммирующим редуктором // Тез докл научно-техн кон-фер «Интерстроймех-2005», Тюмень, 2005, Ч 1, с 131

10 Баранчик В П, Васильев В А Математическая модель для исследования динамических процессов в приводе машин с параллельными силовыми потоками // Тез докл научно-техн конфер «Интерстроймех-2005» Тюмень, 2005, Ч 1, с 127

11 Баранчик В П, Васильев В А Выбор схемы комбинированной энергосиловой установки машины с планетарным суммирующим редуктором II Материалы Всерос пауч -техн конф «Стройкомплекс-2005», Ижевск ИжГТУ, 2005 - с 74

12 Баранчик В П, Васильев В А Математическая модель для исследования динамических процессов в приводе машин с параллельными силовыми потоками // Материалы Всерос науч-техн конф «Стройкомплекс-2005», Ижевск ИжГТУ, 2005 -с 81

13 Васильев В А Гармонический анализ крутильных колебаний малолитражного 4-тактного ДВС // Материалы Всерос науч -техн конф «Стройкомплекс-2005», Ижевск ИжГТУ, 2005 - с 86

14 Баранчик В П, Васильев В А Потери мощности в гибридном приводе автомобиля // «Проблемы механики и материаловедения» III науч -пракг конф , Ижевск, 14-15 июня 2006г тез докл - Ижевск Изд-во ИПМ УрО РАН, 2006 - 135с

15 Васильев В А Повышение экологической безопасности строительных и дорожных машин // Механизация строительства - 2006 - № 10 - с 15

16 Васильев В А Динамические процессы и потери мощности в гибридном приводе колёсной машины// Тез докл научно-техн конфер «Интерстроймех-2006» Москва, МГСУ, 2006 -с 83

17 Васильев В А Потери мощности в приводе машины с комбинированной силовой установкой // Вестник ИжГТУ Периодический научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета - Вып 4 - Ижевск ИжГТУ, 2006 - с 22-24.

В авторской редакции Подписано в печать 210Ч.07. Уел печ л Тираж 100 экз Заказ

Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ 426069, Ижевск, Студенческая 7

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В САМОХОДНЫХ МАШИНАХ С КОМБИНИРОВАННОЙ (ГИБРИДНОЙ) СИЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ.

1.1. Схемы и режимы работы силового привода машин с комбинированной (гибридной) энергосиловой установкой.

1.2. Механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь мощности в приводе при различных режимах работы машины с КЭСУ.

1.3. Принцип построения схемы и системы управления приводом машины с комбинированной энергосиловой установкой.

1.4. Возмущающее действие ДВС на силовой привод машины.

1.5. Крутильные колебания и потери мощности в приводе машины с комбинированной энергосиловой установкой.

Глава 2. СХЕМА И ОБОБЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИВОДЕ МАШИНЫ С КЭСУ.

2.1. Обоснование структуры математической модели динамических процессов в приводе машины с КЭСУ.

2.2. Математическое описание динамических процессов в приводе с КЭСУ.

2.3. Обоснование схемы и основных параметров суммирующего редуктора в приводе с КЭСУ.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИВОДЕ С КЭСУ.

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.

3.2. Описание экспериментальной установки.

3.3. Методика проведения экспериментов.

3.4. Результаты экспериментальных исследований, их анализ и сравнение экспериментальных данных с расчетными.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРИВОДА НА КОЛЕБАНИЯ И

ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В МАШИНЕ С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ.

4.1. Собственные частоты и формы колебаний привода.

4.2. Гармонический анализ ДВС.

4.3. Влияние пульсационной составляющей крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ.

4.4. Влияние упругих и диссипативных параметров на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ.

4.5. Рекомендации по выбору параметров КЭСУ.

Глава 5. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА

КОЛЕБАНИЙ, ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ПРИВОДЕ МАШИН С КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ.

5.1. Выбор схемы, алгоритма управления КЭСУ и конструктивных параметров планетарного CP КЭСУ автомобиля Иж-21261.

5.2. Расчет динамических нагрузок и потерь мощности в приводе.

5.3. Результаты инженерного расчета.

В связи с ухудшением экологической обстановки в мире и с ограниченностью сырьевых ресурсов наиболее актуальной задачей современного машиностроения является создание экономичных и экологически чистых машин. Разработка и использование комбинированных (гибридных) энергетических силовых установок (КЭСУ), включающих в себя двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электродвигатель (ЭД) и суммирующий редуктор (CP), является одним из основных направлений работ по достижению этих результатов. По данным производителей подобных приводов при использовании КЭСУ снижение расхода топлива достигает 10-25% и сокращение вредных выбросов 40-50%. Это достигается за счет уменьшения рабочего объема ДВС, снижения доли нестационарных режимов работы и рекуперации энергии ДВС. Однако согласование работы ДВС и электродвигателя на всех режимах связано с необходимостью применения компьютерной системы управления. В настоящее время за рубежом и в России ведутся работы по созданию силовых энергетических установок стартер-генераторного типа (СГУ) в сочетании с параллельной разработкой необходимой элементной базы для их реализации. Составной частью СГУ является электронная система управления ДВС (ЭСУД). Таким образом, применение КЭСУ в сочетании с нейтрализацией токсичных компонентов выхлопных газов, переходом на альтернативные виды топлив, повышением ёмкости аккумуляторов энергии затрагивает все отрасли знания и знаменует изменения в идеологии построения машин ближайшего будущего.

Важной частью работ по созданию КЭСУ является снижение потерь мощности в приводе за счёт уменьшения пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и согласования режимов работы обоих двигателей (ДВС и ЭД) в механической системе КЭСУ за счет системы управления.

Крутильные колебания приводов установок с ДВС всегда находились в центре внимания конструкторов, однако, широкие возможности расчетов колебательных процессов в автомобильных конструкциях возникли лишь с появлением мощных ЭВМ.

В последние годы внимание конструкторов привлек тот факт, что крутильные колебания приводов с ДВС сопровождаются не только поломками конструкции, но и потерями энергии, которые раньше включались в величину КПД привода. Следует отметить тот факт, что мощность потерь на резонансных и близких к ним режимах работы привода резко возрастает, и это ставит борьбу с колебаниями в число мер, относящихся к ресурсосбережению и повышению экологической безопасности машин.

В работе решена научная проблема снижения потерь энергии в приводе машин с КЭСУ, имеющая важное значение для повышения общей экологической безопасности и снижения энергоёмкости рабочих процессов машин.

Основной целью работы является снижение потерь энергии, расхода топлива и вредных выбросов КЭСУ на основе уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и преимущественного использования электротяги при движении машины.

Для достижения намеченных целей исследовано влияние гармонических составляющих крутящего момента ДВС на реакции механической системы привода с КЭСУ, разработана математическая модель динамических процессов в приводе с КЭСУ, исследовано влияние на колебания привода массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров механической системы, определены параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе, разработаны и опробованы в инженерной практике методики динамического расчета привода с КЭСУ на ПЭВМ.

Для решения поставленных задач применялись экспериментальные и теоретические методы исследований, в основу которых был положен принцип системности. Экспериментальные и теоретические исследования сопровождались математическим моделированием динамических процессов с использованием моделей различной степени сложности. Исследования проводились на экспериментальном стенде и на опытных образцах автомобилей и малых коммунальных машин на базе мотоциклов «Иж» в лабораториях Ижевского государственного технического университета, ОАО «ИжАвто» и ОАО «Ижмаш».

Научной новизной работы является разработка нового подхода к проектированию схемы и параметров привода с КЭСУ, открывающего возможность снижения потерь энергии и вредных выбросов ДВС при минимальной сложности системы управления.

Упрощение системы управления достигнуто за счет уменьшения числа одновременно управляемых параметров ДВС и электродвигателя, благодаря отсутствию между ними жесткой кинематической связи.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследован механизм образования замкнутых силовых потоков и потерь энергии в КЭСУ;

- разработана обобщенная математическая модель для исследования динамических процессов и потерь мощности в приводе с КЭСУ;

- предложена схема суммирующего редуктора в приводе с КЭСУ, при котором реализуется преимущественно режим электрической тяги;

- разработан алгоритм управления совместной работой ДВС и ЭД, обеспечивающий снижение потерь энергии в КЭСУ;

- исследовано влияние на колебания привода массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров механической системы;

- определены параметры и конструктивные средства для уменьшения влияния гармонических составляющих крутящего момента ДВС на динамические нагрузки и потери мощности в приводе с КЭСУ.

На защиту выносятся следующие положения, объединенные общей идеей снижения потерь мощности в приводе с КЭСУ за счет уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента на реакцию механической системы:

- новый принцип построения схем привода машин с комбинированной энергосиловой установкой;

- обобщенная математическая модель динамических процессов в приводе с КЭСУ;

- инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с КЭСУ.

Применение результатов исследования позволяет снизить потери мощности, расход топлива и вредные выбросы ДВС за счет устранения неэффективных конструкторских решений на стадии проектирования и уменьшения времени на доводку конструкции.

Результаты работы в виде алгоритмов и инженерной методики расчета привода с КЭСУ использованы при создании опытных образцов автомобиля «ИЖ-21261» и малых коммунальных машин на базе мотоцикла «ИЖ».

Основные положения работы докладывались на научно-технических конференциях ИжГТУ с 1997 по 2006 г.г., на научно-методических семинарах кафедры «Строительные и дорожные машины» ИжГТУ, на международной научно-технической конференции (Калининград, 1997 ), научно-практич. конференции «Удмуртия накануне третьего тысячелетия» (Ижевск, 1998), Международных научно-технических конференциях «Интерстроймех-2004» (ВГАСУ, Воронеж), «Интерстроймех-2005» (ТГНГУ, Тюмень), «Интерстроймех-2006» (МГСУ, Москва), Всероссийской научно-технической конференции «Стройкомплекс-2005» (ИжГТУ, Ижевск), научно-практической конференции «Проблемы механики и материаловедения» (ИПМ УрО РАН, Ижевск, 2006 г.).

По теме диссертации опубликовано 17 научных статей в специализированных изданиях.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (106 наименований) и приложения. Общее количество страниц в диссертационной работе 166. Основная часть содержит 116 страниц текста, в том числе 45 рисунков и 6 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

1. Разработанная математическая модель динамических процессов в приводе машины с суммированием потоков мощности от ДВС и от электродвигателя позволяет исследовать динамические нагрузки и потери мощности в приводе, и на этой основе оптимизировать конструктивные параметры машины.

2. Исследован механизм образования замкнутых силовых потоков и соответствующих потерь мощности в приводе при различных режимах работы машины с КЭСУ.

3. Разработанная инженерная методика и алгоритмы расчета колебаний, динамических нагрузок и потерь мощности в приводе машин с комбинированной энергосиловой установкой позволяют:

- получить решение по конструкции КЭСУ, близкое к оптимальному;

- сформулировать исходные данные для проектировщиков системы управления; исследовать влияние массово-геометрических и упруго-диссипативных параметров механической системы на колебания привода и выбрать рациональное конструктивное решение;

- определить параметры и конструктивные средства для уменьшения колебаний и потерь мощности в приводе.

4. Для получения режима электротяги и для упрощения системы управления двигателями необходимо ЭД устанавливать на выходном валу планетарного CP, а ДВС - на том звене планетарной передачи, передаточное отношение к выходному валу которого соответствует отношению максимальных оборотов ДВС и электродвигателя. Максимальные обороты электродвигателя должны отвечать тяговому режиму работы электрической машины.

5. Наибольшее влияние на динамические нагрузки и потери мощности в КЭСУ оказывает основная гармоническая составляющая первого порядка крутящего момента ДВС.

6. Формы крутильных колебаний на частотах вращения привода практически не зависят от передаточного отношения в трансмиссии.

7. Упругие моменты, возникающие при колебаниях привода от гармонических составляющих вращающего момента ДВС, соизмеримы с моментом полезного сопротивления.

8. Мощность потерь при резонансных режимах может достигать 12 % (в среднем - 7 %) от полезной мощности.

9. Снижение амплитуд колебаний проектируемых трансмиссий может быть достигнуто в результате конкретного анализа с использованием разработанной математической модели. Например, для существующей конструкции Иж-21261 с КЭСУ можно рекомендовать увеличение жесткости участков трансмиссии от ЭД до CP до 22000 Н*м/рад путем замены ременного привода, например, зубчатым. В этом случае амплитуды снижаются на 10-15 %, динамические моменты (упругие и диссипативные) на 40-45 %, а потери мощности - до 40 %, в зависимости от режимов работы привода.

1. Автомобилист -89,-90//Сборник/Сост. М.Г. Тилевич - М.: Патриот, 1990.- 143 с.

2. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., «Машиностроение», 1977.- 592с.

3. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981. - 232 с.

4. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 280 с.

5. Артемова Т.А., Дехтерева В.К. Тенденции развития конструкций универсально-пропашных тракторов: Обзорная информация. М.: ЦНИИТЭИтракторсельмаш, 1988. - 52 с.

6. Антонов А.С. Силовые передачи колесных и гусеничных машин: Теория и расчет. Изд. 2-е перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1975.-480 с.

7. Бадриев K.JI., Мучаидзе А.Н. Развитие методов оценки нагруженности автомобильной трансмиссии с учетом дорожно-эксплуатационных факторов// Проблемы совершенствования автомобильной техники: Тезисы докладов Всесоюзного семинара. М.: МВТУ, 1986. - С. 11-12.

8. Баранчик В.П. Новые принципы и пути совершенствования мотоциклов на основе применения и развития оптимизационных методов исследования динамических процессов в их подсистемах. Дис. докт. техн. наук. - Ижевск: ИМИ, 1993.-383 с.

9. Баранчик В.П., Васильев В.А. Динамика привода самоходной машины с гибридной силовой установкой: Материалы международной научно-технической конференции Инерстроймех-2004. Сб. статей.- Воронеж: ВГАСУ, 2004

10. Баранчик В.П., Васильев В.А. Математическая модель дляисследования динамических процессов в приводе машин с параллельными силовыми потоками.- Ижевск: Вестник ИжГТУ, 2005

11. Берестнев О.В., Гоман A.M., Ишин Н.Н. Аналитические методы механики в динамике приводов. Минск: Наука и техника, 1992. - 238 с.

12. Вещ В.Л., Конура А.Е. Динамика машинных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1976. - 383 с.

13. Вещ B.JI., Конура А.Е., Мартыненко A.M. Динамические расчеты приводов машин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1971. - 352 с.

14. Вещ В.Л, Конура А.Е., Федотов А.И. Колебательные системы машинных агрегатов. Л.: ЛГУ, 1979. - 255 с.

15. Вейц В.Л., Конура А.Е., Царев Г.В. Расчет механических систем приводов с зазорами. М.: Машиностроение, 1979. - 182 с.

16. Вейц В.Л., Царев Г.В. Динамика и моделирование электромеханических приводов. Саранск: Изд-во Мордовского университета, 1992.-228 с.

17. Вешенский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. - 432 с.

18. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. М.: Машиностроение, 1978.

19. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Трансмиссии строительных и дорожных машин. Справочное пособие. М: Машиностроение, 1974. 424 с.

20. Гибридный призыв "За рулем". 2003. - № 2. - С. 10-12.

21. Динамика машин и управление машинами: Справочник/ В.К. Асташев, В.И. Бабицкий, И.И. Вульфсон и др.; Под ред. Г.В. Крейнина. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

22. Ждановский Н.С., Ковригин А.И., Шкрабак B.C., Соминин А.В. Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотранспортного типа. JL: Машиностроение, 1974. - 222 с.

23. Иванов С.Н. Пути уменьшения вибронагруженности трансмиссии дизельного автомобиля// Автомобильная промышленность. 1997. - № 10. - С. 16-17.

24. Иларионов В.А., Морин М.М., Сергеев Н.М. и др. Теория и конструкция автомобиля. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985.-368 с.

25. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 544 с.

26. Истомин П.А. Крутильные колебания в судовых ДВС. JL: Судостроение, 1968. - 304 с.

27. Кондрашкин А.С., Филькин Н.М., Ардашев В.М., Мезрин В.Г., Сальников В.Ю. "Иж" с комбинированной силовой установкой// Автомобильная промышленность. 1997. - № 11. - С. 7-9.

28. Кондрашкин А. С., Филькин Н.М., Мезрин В.Г. Комбинированная силовая установка для электромобиля// Автомобильная промышленность. -1996.-№4. с. 9-10.

29. Кондрашкин А. С., Филькин Н.М., Мезрин В.Г., Сальников В.Ю. Легковой автомобиль с гибридной силовой установкой. Результаты экспериментов// Автомобильная промышленность. 2001. - № 11. - С. 9-10.

30. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов/Н.Х. Дьяченко, Б.А. Харитонов, В.М. Петров и др.; Под ред. Н.Х. Дьяченко. -JI: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. 392 с.

31. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров.- М.: Наука, 1984.- 832 с.

32. Костенко МЛ., Пиотровский JI.M. Электрические машины: В 2-х ч. Ч. 1. Машины постоянного тока. Трансформаторы. Изд. 3-е, перераб. - Л.: Энергия, 1972. - 544 с.

33. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины: В 2-х ч. Ч. 2. Машины переменного тока. Изд. 3-е, перераб. - Л.: Энергия, 1973. - 648 с.

34. Кургузкин Г.А., Кондрашкин А. С., Филькин Н.М. Тяговая динамика и топливная экономичность автомобиля. Ижевск: Госкомиздат УАССР, 1990. -52 с.

35. Лазарева А.Н. Разработка методики расчета базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы для легкового автомобиля. Дис. . канд. техн. наук. -Ижевск: ИжГТУ, 2006. - 154 с.

36. Литвинов А. С. Теория эксплуатационных свойств автомобилей. М.: МАДИ, 1975.- 178 с.

37. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

38. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. Изд. 2-е, переработанное и дополненное - М.:В.Ш., 1988. - 239 с.

39. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов. Справочное пособие. М: Машинотроение, 1968 272 с.

40. Москаленко В.В. Электрический привод. М.: Высшая школа, 1991.430 с.

41. Нарбут А.Н. Вибрация в автомобиле.- М.: МАДИ, 1988.- С.35

42. Оксененко А.Я., Лурье З.Я., Левитин Г.С. Диалоговая система решения инженерных задач многокритериальной оптимизации// Управляющие системы и машины. 1988. - № 3. - С. 101-103.

43. Островерхое Н.Л., Русецкий И.К., Бойко ЛИ. Динамическая нагруженность трансмиссий колесных машин. Минск: Наука и техника, 1977. -192 с.

44. Писаренко Г.С. Рассеяние энергии при механических колебаниях. -Киев: АН УАССР, 1962. 425с.

45. Платонов В.Ф. Полноприводные автомобили. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.

46. Полунгян А.А., Белобров В.Н., Ковалев А.А. и др. Стенд для исследования нагрузок в трансмиссиях автомобилей// Автомобильная промышленность. 1980. - № 7. - С. 21-22.

47. Полунгян А.А., Фоминых А.Б. Динамическая нагруженность трансмиссий колесных машин, методы расчета и снижения ее на стадии проектирования: Труды МВТУ "Колесные машины высокой проходимости". -М.:МВТУ, 1986.-С.61-75.

48. Полунгян А.А., Фоминых А.Б. Определение эквивалентных коэффициентов затухания в механических системах// Известия вузов. Машиностроение. 1982. - № 2. - С. 90-92.

49. Постников Д., Балыкин А. Электромобиль "За" и "Против"// "За рулем". 1997. - № 2. - С. 60-63.

50. Проектирование полноприводных колесных машин: В 2-х томах. Учеб. для вузов/ Б.А. Афанасьев, Н.Ф. Бочаров, Л.Ф. Жеглов и др.; Под общ. ред. А.А. Полунгяна. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 (2000). - 488 (641) с.

51. Проектирование трансмиссий автомобилей: Справочник/ А.И. Гришкевич, Б.У. Бусел, Г.Ф. Бутусов и др.; Под общ. ред. А.И. Гришкевича. -М.: Машиностроение, 1984. 272 с.

52. Редько И.Я. Повышение эффективности использования мощности ДВС в многофункциональном мобильном технологическом агрегате: Дисс. д-ра техн. наук. Челябинск: Челябинский государственный агроинженерный университет, 1998. - 395 с.

53. Семенов В.М., Кондрашкин С.И., Контанистов С.П. Определение динамической нагруженности трансмиссии и работы буксования муфты сцепления при трогании автомобиля с места// Автомобильная промышленность. 1978. - № 2. - С. 23-26.

54. Силовые передачи транспортных машин: Динамика и расчет/ С.В.

55. Алексеева, В.JI. Вейц, Ф.Р. Геккер, А.Е. Кочура. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. - 256 с.

56. Синтез электромеханических приводов с цифровым управлением/

57. B.Л. Вейц, П.Ф. Вербовой, О.Л. Вольберг, A.M. Съянов; Отв. Ред. А.А. Войтех. Киев: Наук, думка, 1991. - 232 с.

58. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.

59. Сорокин Е.С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем. М.: Стройиздат, 1979

60. Ставров О.А, Перспективы создания эффективного электромобиля. -М.: Наука, 1984. 88 с.

61. Терских В.П. Крутильные колебания валопроводов силовых установок. Л: Судостроение, 1969. - 370 с.

62. Толъский В.Е. Виброакустика автомобиля. М.: Машиностроение, 1988.- С.З

63. Тракторные моторно-трансмиссионные установки с двигателями постоянной мощности/ С.И. Дорменев, А.П. Банник, И.А. Коваль, Ю.Б. Моргулис. М.: Машиностроение, 1987. - 184 с.

64. Транспортные машины с газотурбинными двигателями/ Н.С. Попов,

65. C.П. Изотов, В.В. Антонов и др.; Под общ. ред. Н.С. Попова. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - 259с.

66. Умняшкин В.А. и др. Анализ комбинированной энергосиловой установки легкового автомобиля с планетарным согласующим редуктором/ В сб. «Бесступенчатые передачи и механизмы свободного хода»,- Калининград: КГТУ, 2001

67. Умняшкин В.А., Сазонов В.В., Филькин Н.М. Тягово-скоростные свойства и топливная экономичность автомобиля. Ижевск: ИжГТУ, 1999. - 60 с.

68. Умняшкин В.А., Сазонов В.В., Филькин Н.М. Эксплуатационныесвойства автомобиля: Учебное пособие по дисциплине "Теория автомобиля". -Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2002. 180 с.

69. Умняшкин В.А., Сальников В.Ю., Филькин Н.М. Легковой автомобиль с гибридной энергосиловой установкой// Сборник научных трудов "Техника и технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог". М.: МАДИ (ТУ); УФ МАДИ (ТУ), 2000. - С. 135-140.

70. Умняшкин В.А., Филькина А.Н., Ившин К.С., Скуба Д.В. Автомобили особо малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой/ Под общ. ред. В.А. Умняшкина. Ижевск: НИЦ «регулярная и хаотическая динамика», 2004. - 138 стр.

71. Умняшкин В. А., Филькин Н.М. Динамика комбинированных энергосиловых установок машин// Вестник Уральского межрегионального отделения Академии транспорта. Курган: КГУ, 1998. - С. 4-10.

72. Умняшкин В.А., Филькин Н.М. Проект создания конструкции квадрицикла с гибридной энергосиловой установкой// Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и транспорта". Ульяновск: УлГТУ, 2003. - С. 173-177.

73. Умняшкин В.А., Филькин Н.М., Галиев P.M. Расчетное исследованиединамики планетарного согласующего редуктора в составе комбинированной энергосиловой установки. Вестник ИжГТУ, 2003, №3..

74. Умняшкин В.А., Филькин Н.М., Музафаров Р.С. Анализ конструкций и проблем создания гибридного автомобиля// Материалы III Всероссийской научно-технической конференции "Транспортные системы Сибири". -Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. С. 191-193.

75. Умняшкин В.А., Филькин Н.М., Скуба Д.В. Обоснование необходимости создания автомобиля особо малого класса (квадрицикла) с гибридной энергосиловой установкой// Машиностроение и инженерное образование. 2005. - № 2. - С. 11-18.

76. Умняшкин В.А., Якимович Б.А., Филькин Н.М. Динамика машинного агрегата с комбинированной энергетической установкой// Труды Международной научно-технической конференции MOTAUTO'98. Том IV. -Болгария: София, 1998.-С. 193-198.

77. Филькин Н.М., Кондрашкж А.С. Новая конструкция гибридной энергоустановки для малотоннажных грузовых автомобилей типа фургон ипикап// Успехи современного естествознания. 2004. - № 10. - С. 82-83.

78. Филькин Н.М., Кондрашкин А.С. Разработка новых технологических решений по созданию гибридной энергоустановки для легковых и малотоннажных грузовых автомобилей// Успехи современного естествознания. -2004.-№7.-С. 49-50.

79. Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания/ Под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1985.-311 с.

80. Цитович КС., Альгин В.Б. Динамика автомобиля. Минск: Наука и техника, 1981. - 191 с.

81. Цитович КС., Каноник К.В., Вавуло В.А. Трансмиссии автомобилей. Минск: Наука и техника, 1979. - 256 с.

82. Цитович КС., Митин Б.Е., Дзюнь В.А. Надежность трансмиссий автомобилей и тракторов. Минск: Наука и техника, 1985. - 143 с.

83. Авторское свидетельство SU№ 1652113 А1.

84. Авторское свидетельство SU № 1676842 А1.

85. Авторское свидетельство SU № 1776579 А1.

86. Результаты гармонического анализа ДВС ВАЗ-1111.к гармоника крутящего момента;

87. Мк крутящий момент от действия гармонических составляющих крутящего момента, Н*м;fik угол сдвига фаз крутящего момента, град.1. При 800 о б/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

88. Мк,Н*ш 5,75 49,51 4,34 34,82 3,03 24,10fi к 247,13 34,76 207,66 3,45 182,88 371,311. При 1000 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

89. Мк,Н*т 5,70 49,46 4,07 33,89 2,77 23,70fi к 245,71 34,43 205,28 3,36 184,82 371,141. П эи 1200 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

90. Мк,Н*т 5,66 49,40 3,74 32,76 2,46 23,22fi к 205,28 3,36 184,82 371,14 360,91 428,8141. При 1400 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

91. Мк,Н*т 5,60 49,34 3,38 31,43 2,11 22,65fi к 241,83 33,55 197,09 3,08 192,26 370,631. При 1600 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

92. Мк,Н*т 5,56 49,27 2,99 29,89 1,73 21,99fi к 239,34 33 190,15 2,89 199,72 370,291. При 1800 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

93. Мк,Н*т 5,51 49,19 2,63 28,15 1,35 21,25fi к 236,47 32,37 180,02 2,64 213,03 369,881. При 2000 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

94. Мк,Н*т 5,48 49,12 2,35 26,20 1,07 20,42fi к 233,22 31,67 165,51 2,32 237,49 369,38к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

95. Мк,Н*ш 5,47 49,04 2,25 24,05 1,09 19,51fi к 229,6 30,89 146,63 1,91 88,18 368,791. При 2400 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

96. Мк,Н*т 5,48 48,97 2,43 21,70 1,48 18,51fi к 225,63 30,03 126,62 1,37 61,53 368,071. При 2600 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

97. Мк,Н*т 5,52 48,91 2,90 19,14 2,09 17,42fi к 221,35 29,1 109,82 0,63 46,76 367,191. П ж 2800 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

98. Мк,Н*т 5,60 48,85 3,60 16,39 2,83 16,26fi к 216,84 28,08 97,63 360,43 38,51 366,111. При 3000 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

99. Мк,Н*т 5,73 48,81 4,46 13,44 3,67 15,02fi к 212,16 26,99 449,16 362,05 33,47 364,771. При 3200 об/минк 0,5 1 1,5 2 2,5 3

100. Мк,Н*т 5,90 48,79 5,46 10,30 4,58 13,70fi к 1. При 3400 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

101. Мк,Н*т 6,12 48,78 6,57 7,02 5,57 12,31fi к 157,3 24,58 281,05 349,59 27,8 360,831. При 3600 об/минк 0,5 1 1,5 2 2,5 3

102. Мк,Н*т 6,40 48,80 7,77 3,74 6,62 10,87fi к 1. При 3800 об/минк 0,5 1 1,5 2 2,5 3

103. Мк,Н*т 6,74 48,85 9,06 2,20 7,73 9,38fi к 1. При 4000 об/минк 0,5 1 1,5 2 2,5 3

104. Мк,Н*т 7,13 48,93 10,44 5,15 8,91 7,89fi к к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

105. Мк,Н*т 7,58 49,06 11,89 9,16 10,15 6,45fi к 1. При 4400 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

106. Мк,Н*т 8,09 49,22 13,42 13,50 11,46 5,221. П к 1. При 4600 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

107. Мк,Н*т 8,65 49,43 15,03 18,09 12,82 4,48fi к 1. При 4800 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

108. Мк,Н*т 9,26 49,70 16,71 22,89 14,25 4,61fi к 1. При 5000 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

109. Мк,Н*т 9,93 50,02 18,47 27,91 15,74 5,65fi к 1. При 5200 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

110. Мк,Н*т 10,64 50,41 20,31 33,14 17,29 7,29fi к 1. При 5400 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

111. Мк,Н*т 11,40 50,86 22,22 38,57 18,90 9,28fi к 1. При 5600 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

112. Мк,Н*т 12,20 51,39 24,20 44,22 20,57 11,50fi к

113. Результаты гармонического анализа ДВС Иж Планета 3.к гармоника крутящего момента;

114. Мк крутящий момент от действия гармонических составляющих крутящего момента, Н*м;fik угол сдвига фаз крутящего момента, град.п ри 1000 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

115. Мк,Н*т 29,98 24,48 16,35 19,23 9,02 11,40fi к 74,48 27,22 27,90 364,06 384,29 381,461. П ри 1200 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

116. Мк,Н*т 29,85 24,53 16,19 18,83 8,97 11,27fi к 74,42 27,17 26,8 364,14 383,59 381,721. Г. ри 1400 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

117. Мк,Н*т 29,71 24,58 16,00 18,35 8,92 11,11fi к 74,34 27,12 25,43 364,25 382,77 382,041. При 1600 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

118. Мк,Н*т 29,54 24,63 15,80 17,81 8,86 10,93fi к 74,25 27,04 23,86 364,38 381,81 382,431. П ш 1800 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

119. Мк,Н*т 29,35 24,70 15,59 17,19 8,79 10,72fi к 74,15 26,97 21,97 364,54 380,66 382,881. П ш 2000 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

120. Мк,Н*т 29,14 24,77 15,37 16,50 8,72 10,49fi к 74,02 26,89 19,86 364,73 379,43 383,441. П >и 2200 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

121. Мк,Н*т 28,91 24,85 15,15 15,73 8,65 10,24fi к 73,89 26,79 17,41 364,96 377,99 384,04к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

122. Мк,Н*т 28,65 24,94 14,94 14,90 8,57 9,96fi к 73,74 26,69 14,7 365,24 376,4 384,741. При 2600 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

123. Мк,Н*т 28,37 25,04 14,76 13,99 8,50 9,66fi к 73,58 26,58 11,61 365,58 374,66 385,561. П ж 2800 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

124. Мк,Н*т 28,07 25,14 14,60 13,01 8,43 9,34fi к 73,4 26,45 8,27 366 372,68 386,511. При 3000 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

125. Мк,Н*т 27,75 25,26 14,50 11,96 8,37 9,00fi к 73,2 26,33 4,55 366,53 370,61 387,591. При 3200 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

126. Мк,Н*т 27,41 25,38 14,45 10,83 8,31 8,64fi к 72,99 26,19 0,59 367,21 368,31 388,851. При 3400 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

127. Мк,Н*т 27,04 25,50 14,48 9,64 8,27 8,27fi к 72,74 26,05 363,68 368,11 365,83 390,321. При 3600 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

128. Мк,Н*т 26,65 25,64 14,60 8,38 8,24 7,87fi к 72,49 25,91 368,11 369,34 363,2 392,011. При 3800 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

129. Мк,Н*т 26,25 25,78 14,82 7,05 8,22 7,46fi к 72,21 25,75 372,71 371,12 360,35 393,971. При 4000 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

130. Мк,Н*т 25,82 25,93 15,15 5,66 8,23 7,04fi к 71,9 25,59 377,41 373,91 2,58 396,331. При 4200 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

131. Мк,Н*т 25,36 26,09 15,60 4,22 8,26 6,62

132. Л к 71,57 25,42 382,07 378,78 5,7 399,111. При 4400 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

133. Мк,Н*т 24,89 26,26 16,17 2,78 8,32 6,19fi к 71,2 25,25 386,68 389,23 8,92 402,381. При 4600 об/мин 1. К 0,5 1 1,5 2 2,5 3

134. Мк,Н*т 24,40 26,44 16,88 1,57 8,41 5,76fi к 70,81 25,06 391,11 420,16 12,22 406,411. П ш 4800 об/мин к 0,5 1 1,5 2 2,5 3

135. Мк,Н*т 23,88 26,62 17,72 1,65 8,54 5,35fi к 70,38 24,88 395,35 124,37 15,57 411,221. Собственные частоты КЭСУ.

136. РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ КЭСУ АВТОМОБИЛЯ Иж-21261методом Гольцера1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:1. Моменты инерции

137. J1 = 0.057 кг*м2. J2 =0.06 кг*м2. J11 = 0.2307 кг*м2. J21 = 6.08 кг*м2.1. Крутильные жесткости1. С1 =21820 Н*м/рад.

138. СП =2145 Н*м/рад. С21 = 273.22 Н*м/рад.1. ВЫЧИСЛЕНИЯ:1.узловые колебания Собственная частота р=6.7035 1/с (1.0669 Гц)

139. N Относит. Момент Момент сил Сумма крут. Крутильная Угол заамплитуда, инерции, инерции, моментов, жесткость, кручивания

140. N Относит. Момент Момент сил Сумма крут. Крутильная Угол заамплитуда, инерции, инерции, моментов, жесткость, кручивания

141. ФУФ1 Ji (DiJipS Si Ci Si/Ci1 1 1.000е 2.307е-01 6.565е+03 6.565е+03 2.145е+03 3.061е2 1 3.259е-03 6.080е 5.639е-Ю2 5.639е+02 2.732е+02 2.064е2 -2.061е 6.000е-02 -3.518е+03 3.611е+03 2.182е+04 1.655е-011 -2.226е 5.700е-02 -3.611е+03 0.0000000

142. РАСЧЕТ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ ПРИВОДА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИметодом Гольцера1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

143. Моменты инерции Крутильные жесткости

144. J1 = 0.0299 кг*м2. С1 =841.68 Н*м/рад. J2 = 0.00059 кг*м2.

145. J11 = 0.00037 кг*м2. СП = 39.7 Н*м/рад.

146. J21 = 0.00156 кг*м2. С21 = 39.7 Н*м/рад.1. ВЫЧИСЛЕНИЯ:1.узловые колебания Собственная частота р=242.0354 1/с (38.5211Гц)

147. N Относит. Момент Момент сил Сумма крут. Крутильная Угол заамплитуда, инерции, инерции, моментов, жесткость, кручивания

148. N Относит. Момент Момент сил Сумма крут. Крутильная Угол заамплитуда, инерции, инерции, моментов, жесткость, кручивания

149. Ф.УФ1 Ji OiJipS Si Ci Si/Ci1 1 1.000е 3.700е 5.893е 5.893е+02 З.970е-Ю1 1.484е+012 1 2.248е 1.560е 5.585е 5.585е+02 3.970е+01 1.407е+012 -1.384е 5.900е -1.301е -1.186е+04 8.417е+02 -1.409е+011 2.491е 2.990е 1.186е -0.0000000

150. Расчеты моментов инерции и жесткостей участков привода экспериментальной установки.1. Расчет моментов инерции.

151. Расчет момента инерции редуктора моста.

152. Расчет момента инерции ведущего вала-шестерни главной передачи. Дано: dtIICCT=56 мм; Ьшсст=40 мм; dBMa=26 мм; 1вала—150 мм.

153. Момент инерции ведущего вала-шестерни главной передачи вычисляется по формуле:h = ham + ^шест.'кг ' ^где Ii момент инерции ведущего вала-шестерни главной передачи; 1вала - момент инерции вала, кг*м2;у1Шест. момент инерции шестерни, кг*м .

154. Т.к. вал имеет вид цилиндра, то его момент инерции вычисляется по формуле:-1ш,а,кг-м2где mBMa масса вала, кг;

155. Гвала радиус сечения вала, который вычисляется по формуле:0,5^ =0,5-0,026 = 0,0Ш.р плотность материала вала (р=7,8* 10 кг/м ). Момент инерции вала равен:

156. Л™ = Y я • 7,8 • 103 • 0,0134 • 0,15 Я 0,00005кг -м\

157. Момент инерции шестерни вычисляется по формуле:1. J — -L h 4 2шест. ~ Я ' Р ' "шест. ''шест. • Мгде Гшест. радиус сечения шестерни, который вычисляется по формуле:

158. Гшест. = ®$(1шест = 0,5 • 0,056 = 0,028м. Момент инерции шестерни равен:

159. Кест. =0,5 • Л- • 7800 • 0,0284 • 0,04 « 0,0003кг -м\ Момент инерции ведущего вала-шестерни равен:= 0,00005 + 0,0003 = 0,00035кг • м2. Расчет момента инерции ведомой шестерни главной передачи. Дано: с1шест=168 мм; dBH=104 мм; Ьшест.=11,2 мм.

160. Примем ведомую шестерню главной передачи в виде кольца прямоугольного сечения, тогда момент инерции вычисляется по формуле:

161. Тогда момент инерции шестерни равен:2 = ■ я- 7800 • (о,1684 — 0Д044 )■ 0,0112 « 0,01 \66кг-м2.

162. Расчет момента инерции полуосевой шестерни. Дано: d=51 мм; dBH=27 мм; Ь=14 мм.

163. Примем шестерню в виде кольца прямоугольного сечения. Тогда момент инерции полуосевой шестерни вычисляется по формуле:

164. Тогда момент инерции шестерни равен:

165. Л = ~■п' 7800 • (0,0514 0,027" )• 0,014 « 0,00007кг • м\

166. Расчет момента инерции пластины. Дано: 1=81 мм; Ь=63 мм; Ь=13мм.

167. Примем пластину в виде цилиндра с высотой 13 мм и радиусомb 81 63-+- —+—г = 2—1 = 2-— = Зблш.2 2

168. Момент инерции диска вычисляется по формуле:5 = т-г2 ,кг-м2где ш масса диска, кг; г - радиус диска, м. Объем пластины вычисляется по формуле:1. V = l-b-h,Miгде 1 длина пластины, м; b - ширина пластины, м; h - высота пластины, м. Объем пластины равен:

169. Vw,=L-brv,-h = 0,065 • 0,063-0,011« 0,000045л/1. Масса пластины равна:тт = 7,8-103 -0,000045 « 0,35 кг.1. Объем сателлита равен:

170. F = ^^.(0,0362 -0,0162)«6,53-10-6^. Масса сателлита равна:те =7800 -6,53-10"6 «0,051кг.1. Объем оси равен:

171. Масса оси равна: Общая масса равна:1. Г = 106*2,13-10 -V.тоси = 7800 -2,13-10"5 «0,166кг. т = 2 • 0,3 51 + 2 • 0,051 + 0,166 = 0,97кг.1. Общий объем равен:

172. V = V^ + Vc + V^ = 2 • 4,5 • 10"5 + 2 • 0,653 • 10"5 + 2,13 -10'5 = 12,43 6-10~5м3. Радиус кольца г=42 мм, а радиус сечения кольца Ь=12 мм. Тогда момент инерции кольца равен:h= 0,971.\0,0532 + —-0,01220,00283кг -м2.

173. Расчет момента инерции звездочки.

174. R наружный диаметр трубы, равный 0,05 м; г - внутренний диаметр трубы, равный 0,046 м. Тогда момент инерции равен:1пр = 1 ■ п ■ 7,8 • 103 • 0,062 • (о,054 0,0464)« 0,00135кг-м\

175. V^n-R2-B-l-n-r2-В,м3 где г радиус отверстий в звездочке, равный 0,0245 м; В - толщина диска, равная 0,005 м. Тогда объем диска равен:

176. V = п • 0,112 • 0,005 7 • л • 0,02452 • 0,005 * 0,000124л*3. Масса диска равна:

177. М = 7800 • 0,000124 « 0,967кг. Отсюда момент инерции диска равен:1д =0,967-0,II2 ~0,0117кг-л<2. Момент инерции звездочки равен:1.зв = 0,00135 + 0,0117 = 0,01305кг • м1. Расчет момента инерции ступицы звездочки.

178. V = n-R2-Н-А-л-r2-Н,м3 где ri радиус отверстий под болты, м, Н - толщина диска, м. Тогда объем диска равна:

179. V = л • 0,052 • 0,008 4 • п ■ 0,0082 • 0,008 » 0,000056л*3. Масса диска равна:

180. М = 7800 • 0,000056 * 0,437кг. Объем вырезанного диска вычисляется по формуле:

181. V = я■ R2 • Н-4• я• г2 • Н,мъ где п радиус отверстий под болты, м, Н - толщина диска, м. Тогда объем диска равна:

182. V = я • 0,052 • 0,007 4 • я • 0,0082 • 0,007 « 0,000049л< Масса диска равна:

183. М = 7800 • 0,000049 ~ 0,382кг. Объем вырезанного диска вычисляется по формуле:

184. R наружный диаметр трубы, равный 0,046 м; г - внутренний диаметр трубы, равный 0,036 м. Тогда момент инерции равен:1.p = 1. я • 7,8 • 103 • 0,085 • (0,0464 0,0364) и 0,00291кг •

185. Момент инерции ступицы звездочки равен:1стж = 0,00103 + 0,00067 + 0,00291 = 0,00461кг • м2.

186. ZmecT. число зубьев шестерни (гшест=43).

187. Тогда передаточное число главной передачи равно:-2-W1.11

188. Приведенный момент инерции редуктора равен:д=0,шз5+0-01'бб+0'00655 + 2-0-Т7 + 0-00067 + 0'00283 -0.0°'^-У.1. Р* 3,91

189. Момент инерции редуктора равен:1ред = 0,00178 + 0,01305 + 0,00461 = 0,01944кг-м2.

190. Расчет моментов инерции автомобильного диска, колеса и тормозного барабана.

191. Т средний период колебаний за 50-100 колебаний, с.

192. Рис. Опытное определение моментов инерции с помощью бифилярного подвеса.

193. Г, = 104,7с; ^ = 101,7с;Г3 =102,3 с. Вычислим средний период колебаний по формуле:т Tl+T2+TJ 104,7 + 101,7 + 102,3 ,3.50 3-50 ~ '

194. Тогда момент инерции диска колеса равен:2,Об2 • 0,242- 5,6 -9,81 16-л-2-0,760,112 кг-м1.

195. Определим момент инерции колеса. Длина нити при этом будет равна 0,89 м, а расстояние между нитями 0,245 м. Проведем три испытания и с помощью секундомера определим период колебаний. Проведя три испытания, получили следующие результаты:

196. Г, =164,2 с;Т2 = 162,4с; Г3 = 163,9с. Вычислим средний период колебаний по формуле:

197. Т = +Т' = 172,5 + 170,4 + 174,6 g 3-50 3-50 * ' С'

198. Тогда момент инерции колеса равен:3,452 '0,2452 -14,2-9,81 n. 21. Кол =-5-« 0,708кг-лг.16.л2 -0,89

199. Jx+T2+T, 203,2 + 204,8 + 204,23.50 3-50 * ' С'

200. Тогда момент инерции тормозного барабана равен:4,082-0, II2-5,3-9,81 ПЛ. 21К0Я =---« 0,075кг -лт.16.л-2-0,8851. Расчет жесткостей.

201. Председатель ученого совета

202. ИС факультета, д.т.н, профессор1. Г.Н. Первушин

203. Члены комиссии: Зав. кафедрой СДМ, д.т.н., профессор1. В.П. Баранчик

204. Зав. кафедрой ГиСМ, д.т.н., профессор1. Г.И. Яковлев

205. Профессор кафедры СДМ, д.т.н.1. В.А. Денисов