Анализ и выбор эффективного распределителя мощности в трансмиссии легкового автомобиля и квадрицикла
УДК 629. 11. 01
На правах рукописи
Пономарев Василий Михайлович
Анализ и выбор эффективного распределителя мощности
в трансмиссии легкового автомобиля и квадрицикла
Специальность: 05.05.03 – «Колесные и гусеничные машины»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Умняшкин Владимир Алексеевич
Официальные оппоненты: Кулаков Александр Тихонович
доктор технических наук, профессор
Камская госуд. инж. – экон. академ., г.Наб. Челны, зав. кафедрой
Громовой Сергей Владимирович
кандидат технических наук, доцент
ООО «Инженерный центр « I-ДИЗАЙН»,
г. Ижевск, директор
Ведущая организация Пермский национальный
исследовательский политехнический
университет
Защита состоится «24»апреля 2012 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7, ИжГТУ, корп. 5, e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени
М. Т. Калашникова».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «22» марта 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Ю.В.Турыгин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Проблемы повышения эксплуатационных свойств машин относятся к одним из основных в машиностроении. Решение этих проблем ведется по различным направлениям: увеличение производительности, повышение технико-экономических и улучшения экологических показателей; использование новых видов топлив и типов двигателей; повышение надежности (долговечность, безотказность и др.) механических частей машин; уменьшение потерь энергии в различных агрегатах машин; усовершенствование и автоматизация систем управления машинами и целый ряд других направлений как теоретических, так и экспериментальных исследований.
Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами ДВС является применение электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами: создание чистого электромобиля; разработка электромеханического привода с комбинированной (гибридной) энергетической установкой. Из-за отсутствия доступных для массового производства эффективных накопителей электрической энергии чистые электромобили имеют относительно малые пробеги на одной зарядке. Это и является одной из основных причин исследований возможности и эффективности использования в конструкциях автомобилей комбинированных энергосиловых установок (КЭСУ).
Другим направлением улучшения эксплуатационных свойств транспортных машин является оптимальное распределение силовых потоков мощности по ведущим колесам. В этих направлениях выделяется общая тенденция – автоматизация процессов управления силовым приводом и его отдельными элементами. Эффективным решением в этой области является применение многопоточных комбинированных передач, имеющих регулируемые потоки мощности. Такие передачи легче поддаются автоматизации и имеют более высокий КПД, чем обычные регулируемые передачи.
Существующее большое количество конструкций двухдвигательных КЭСУ и неугасаемый интерес к разработке новых, более совершенных конструкций, говорит о неполноте научно-обоснованных рекомендаций по выбору наиболее рациональных конструктивных параметров и характеристик таких трансмиссий для заданного автомобиля и недостаточности исследований их влияния на различные эксплуатационные свойства автомобиля. Особо остро такого типа исследования стоят по отношению к легковым автомобилям, которым, в отличие от грузовых автомобилей, свойственно движение с высокими скоростями.
Цель исследования. Выбор рациональных параметров эффективного распределителя мощности с учетом возможности их компоновки в малогабаритных автомобилях и квадрициклах. Решение поставленной цели требовало решения следующих задач:
- обоснование математической модели движения малогабаритного автомобиля и квадрицикла с учетом неголономных и динамических связей;
-анализ влияния самоблокирующегося дифференциала на эксплуатационные свойства автомобиля и выбор рациональной конструкции для легкового автомобиля;
-сравнение комбинированных (гибридных) схем энергетических установок и выбор наиболее рациональных для малогабаритных автомобилей и квадрициклов, с учетом возможности их компановки в малогабаритном автомобиле и квадрицикле.
Научная новизна работы:
-обоснованы режимы работы автомобиля, когда необходимо учитывать в силовом приводе наличие неголономных и динамических связей;
-разработаны методика выбора и обоснования динамической модели малогабаритного автомобиля и квадрицикла;
-определены особенности работы дифференциальной передачи с односторонними динамическими связями;
-выявлено, что блокирующие свойства межколёсного самоблокирующегося дифференциала при криволинейном и прямолинейном движении в значительной мере определяются типом приводных колёс;
-предложена комбинированная характеристика межколёсного самоблокирующегося дифференциала, позволяющая более полно реализовать тяговые усилия;
-предложена рациональная конструкция комбинированного силового агрегата для легкового автомобиля (класса А и квадрицикла L7).
Практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011г.г.), тема №2.1.2/1036 «Разработка методик структурной и параметрической оптимизации комбинированных энергосиловых установок транспортных средств». Проведенные исследования позволили определить влияние КЭСУ на тягово-скоростные свойства, устойчивость и управляемость легковых автомобилей и обосновать конструктивные решения на начальной стадии их проектирования.
Реализация результатов. Методы анализа влияния КЭСУ на эксплуатационные свойства легкового автомобиля использовались при создании опытных конструкций межколёсных самоблокирующихся дифференциалов и двухдвигательных КЭСУ для автомобиля ИЖ-21261. Методические разработки и результаты исследований используются в учебном процессе при изучении курса «Теория автомобиля» в Ижевском государственном техническом университете и в Удмуртском государственном университете.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IX региональной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития региона (г. Чайковский, 2005 г.); на Всероссийской научно-технической конференции в ТГУ (г.Тольятти 2005г.); на Всероссийской конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» г. Чайковский, 2006 г.); на Всероссийской конференции «Применение теории динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» г. Чайковский, 2007 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (г. Ижевск, 2007 г.); на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.); на Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию победы советского народа в Великой Отечественной войне «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2010г.); «Социально-экономические проблемы развития региона(г. Чайковский, 2011г.).
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре «Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института (филиал) ИжГТУ и объединенном научно-образовательном центре при Ижевском государственном техническом университете и Удмуртском государственном университете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 4 научные статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, монография и 2 учебных пособия с грифом УМО.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы из 107 наименований и приложения. Работа изложена на 193 листах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 12 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы. Приводятся сведения об апробации полученных результатов.
В первой главе диссертационной работы отмечено, что фундаментальные исследования в данном направлении осуществили известные российские учёные Я.С.Агейкин, П.В.Аксёнов, А.С.Антонов, С.В.Бахмутов, А.Ю.Барыкин, Г.Б.Безбородова, Н.Ф.Бочаров, Р.В.Вирабов, А.И.Гришкевич, В.Н.Добромиров, Ю.К.Есеновский–Лашков, И.Н.Зверев, С.Н.Иванов, О.И. Карузин, Н.Т.Катанаев, В.Н.Кравец, А. В. Круташов, Н. И.Коротоножко, И. А. Левин, А. Х. Лефаров, А. С. Литвинов, П. П. Лукин, А. Н. Нарбут, В. В. Осепчугов,А. Н. Островцев, В. А. Петрушов, А. Г. Пешкилев, Ю. В. Пирковский, В. Ф. Платонов, А. А. Полунгян, В. В. Селефонов, В. В. Серебряков, Г. А. Смирнов, И. С. Степанов, В.А.Умняшкин, С.А.Шуклин, Б.С.Фалькевич, Н.М.Филькин, Х.А.Фасхиев, А. К. Фрункин, Я.Е.Фаробин, А.А. Юрчевский, Н.Н.Яценко и многие другие.
Проведен общий обзор аналитических связей в силовом приводе колесных машин, где отмечено, что, при рассмотрении динамики трансмиссии в основном используются записи уравнений в обобщенных координатах, применяя уравнения Лагранжа второго рода. Вместе с тем, это зачастую неправомерно. Фрикционные, электрические, гидравлические передачи имеют скольжение от долей до нескольких процентов, а для длинных трансмиссионных валов деформируемость может быть большой и как следствие, динамические процессы (колебательные, переходные) происходящие в силовой передаче оказывают влияние на скорость обобщенных координат.
Действительно, если применять уравнения связи в виде
, (1)
где 
и 
- угловые скорости ведущего и ведомого валов; 
- передаточное отношение, то при 
const, что имеет место при рассмотрении неустановившихся режимов работы преобразующих устройств силового привода, выражение (1) становится не интегрируемым, а связи превращаются в неголономные [1,12,18].
Проведен выбор и обоснование схемы динамической модели машины с механической трансмиссией. Рассмотренные требования и введенные допущения к разрабатываемой математической модели динамики машины позволяют сделать вывод: для исследования показателей таких эксплуатационных свойств как топливная экономичность, тягово-скоростные свойства, производительность и оптимизация конструктивных параметров достаточно рассмотреть пятимассовую динамическую модель и допустимо применение классических уравнений Лагранжа. При исследовании нагруженности силовых передач, особенно в динамических режимах работы с колебательными и переходными процессами, реактивные и неголономные связи необходимо учитывать, т.е. в математические модели вводить дополнительные приведенные массы и множители или переходить к уравнениям математической физики в частных производных, что обеспечивает повышение адекватности математической модели до 8% [12,14,18]. В отличие от геометрических и кинематических связей в силовых передачах возникают динамические связи, признаком существования которых является наличие степеней свободы звеньев, движение которых определяется действием сил реакции связей. Особый интерес представляет работа таких передач в дифференциальной разомкнутой схеме (инерционные и гидродинамические трансформаторы с односторонними динамическими связями). В работе приведена методика расчётов кинематического и силового диапазонов таких передач [12].
Во второй главе выполнен анализ конструкций дифференциалов автотракторного типа, проведено сравнение тяговой способности моста, снабженного дифференциалом и жестким валом. В результате анализа установлено, что идеальной конструкцией дифференциала будет такая, при которой крутящий момент, снимаемый с коленчатого вала двигателя и передаваемый корпусом дифференциала к ведущим колесам автомобиля, пропорционален силам сцепления каждого из колес с опорной поверхностью в различных условиях движения.
При сравнении тяговых способностей мостов, оборудованных различными типами дифференциалов, установлено, что в неблагоприятных дорожных условиях при неодинаковом сцеплении ведущих колес с дорогой дифференциальный привод не обеспечивает возможной по условиям движения реализации тягового усилия, так как оно ограничивается реализуемым моментом на колесе, находящимся в худших сцепных условиях.
Максимальный реализуемый момент дифференциального привода не может быть более
где
- вес автомобиля, приходящийся на одно колесо (сцепной вес);
-динамический радиус колеса;
- коэффициент сцепления забегающего колеса с дорогой;
- момент трения дифференциала.
Применение самоблокирующихся дифференциалов, которые перераспределяют моменты между ведущими полуосями в зависимости от условий сцепления колес с дорогой, способствует улучшению тяговых качеств транспортных машин.
Самоблокирующийся дифференциал позволяет реализовать максимальный момент, определяемый по выражению:
где 
- меньший момент (на забегающем колесе);
- больший момент (на отстающем колесе);
- коэффициент блокНа основании формулы (3) на рис.1 приведены графики максимального реализуемых тяговых моментов межколесных дифференциалов при различных коэффициентах сцепления колес с дорогой. Характеристики построены для автомобиля ИЖ-21261, имеющего 
[4,17].
Рис. 1 Графики максимально реализуемого тягового момента для различных типов и характеристик межколесных дифференциалов при различных коэффициентах сцепления колес с дорогой
Прямая 1 соответствует максимально реализуемому моменту при одинаковом сцеплении обоих колес с дорогой, а прямая 2 - максимально возможному реализуемому моменту при коэффициенте сцепления одного из колес заб, а другого
Необходимо подбирать характеристику дифференциала так, чтобы при движении автомобиля в хороших дорожных условиях отсутствовал бы фрикционный момент в муфтах и самоблокирующийся дифференциал работал как обычный дифференциал ( прямая 3, рис.1)[14,17].
На рис. 2 показана зависимость 
от 
а на рис. 3 -
от 
при использовании дифференциалов с различными коэффициентами блокировки. Коэффициент сопротивления качению колес принят равным 
и 
Точка
(рис. 3) соответствует началу буксования внутреннего колеса.
 |  |
| Рис. 2 Распределение тяговых сил между колесами автомобиля при установке самоблокирующихся дифференциалов. | Рис. 3 Изменение суммарного коэффициента сопротивления уводу при установке самоблокирующихся дифференциалов. |
В случае установки на автомобиль межколесного симметричного дифференциала при значениях 
превышающих значения, соответствующие точке 
суммарная тяговая сила
уменьшается с увеличением
В связи с этим суммарный коэффициент сопротивления уводу колес ведущей оси, начиная с точки 
, возрастает по мере увеличения 
, достигая наибольшего для этого участка значения при полной разгрузке внутреннего колеса 
.
Если автомобиль снабжен самоблокирующимся дифференциалом, то значение
может оставаться неизменным и после того, как началось буксование внутреннего колеса. В этом случае происходит перераспределение моментов, передаваемых на внутреннее и внешнее колесо. Если до начала буксования внутреннего колеса, оно было отстающим и к нему подводилась большая часть момента передаваемого коробке дифференциала, то после начала буксования внутреннее колесо превращается в забегающее и большая часть крутящего момента начинает передаваться на внешнее колесо.
Значения 
, при превышении которого 
должно обязательно умень-шаться с увеличением
, могут быть подсчитаны по формуле
(4)
Таким образом, после начала буксования колес при установке межколесного дифференциала с коэффициентом блокировки 
суммарный коэффициент сопротивления уводу не возрастает, как при наличии симметричного дифференциала, а продолжает уменьшаться до достижения 
. На графике (рис. 3) абсцисса, соответствующая 
обозначена ар. При 
в связи с уменьшением суммарной тяговой силы суммарный коэффициент сопротивления уводу возрастает при увеличении
Следовательно, тип межколесного дифференциала существенно влияет на изменение суммарного коэффициента сопротивления колес ведущей оси.
Анализ всех построенных зависимостей влияния межколесного самоблокирующегося дифференциала на управляемость и устойчивость легкового автомобиля показал, что в зависимости от характера движения на дорогах с различным коэффициентом сцепления необходимо получение переменных блокирующих свойств в зависимости от внешних условий и параметров работы дифференциала и позволяет сделать следующие выводы:
1. Блокирующие свойства межколесных самоблокирующихся дифференциалов (МСД) оказывают более значимое положительное влияние на прямолинейное движение легкового автомобиля с передним приводом и увеличивают границы его устойчивости при установившемся криволинейном движении.
2. На дорогах с низким коэффициентом сцепления необходимо ограничение коэффициента блокировки МСД легкового автомобиля до значения 2,5 и необходим подбор интенсивности нарастания момента блокировки с увеличением разности угловых скоростей ведущих колес.
3. Влияние блокирующих свойств МСД при установившемся криволинейном движении на дорогах как с низким, так и с высоким коэффициентом сцепления для автомобиля с задним приводом ведет к сужению границ устойчивости движения, а для автомобилей с передним приводом – к их расширению. Влияние блокировки дифференциала на устойчивость неустановившегося криволинейного движения легкового автомобиля неоднозначно и определяется величиной возмущающего воздействия. При этом высокое значение коэффициента блокировки для всех условий криволинейного движения однозначно снижает управляемость и устойчивость легкового автомобиля
4. МСД с возрастающим внутренним трением, позволяя более полно реализовать тяговое усилие при движении в плохих дорожных условиях, имеет излишне большие блокирующие свойства при движении с большой нагрузкой на поворотах. МСД с убывающим внутренним трением необходим для автомобилей с высокими тягово-скоростными качествами, так как позволяет двигаться на поворотах с максимальной скоростью и его характеристика при этом приближается к характеристике обычного дифференциала. Вместе с тем такой дифференциал в меньшей степени способен перераспределять моменты по полуосям и не позволяет реализовать максимально возможный момент при достаточно хорошем сцеплении одного из колес.
5. Комбинированная характеристика МСД позволит более полно реализовать тяговое усилие в плохих дорожных условиях, не снижая управляемости и устойчивости движения по дорогам с высоким и малым коэффициентом сцепления.
В третьей главе рассмотрен анализ конструкторских разработок гибридных автомобилей. Перспективное направление развития силового привода транспортных машин к настоящему времени формируется на создании двухдвигательных схем. Особенно возрос интерес к таким передачам в связи с проблемами создания гибридных автомобилей, решением которых сегодня занимаются практически все ведущие автомобильные компании мира.
В течение ряда лет в ФГБОУ ВПО ИжГТУ проводились исследования по созданию научных основ расчета, проектирования и конструирования гибридных энергосиловых установок транспортных машин[18]. В качестве теплового двигателя выбран ДВС ВАЗ-1111 (номинальная мощность 22 кВт, максимальный крутящий момент 44,1 Нм), ЭД - электродвигатель постоянного тока ПТ-125-12 (напряжение питания якоря 120 В при токе якоря не более 120 А, крутящий момент 49 Нм).
Для анализа топливно-скоростных свойств автомобиля Иж-2126 принята
параллельная схема с планетарным суммирующим редуктором (СР) (рис.4), которая является более эффективной с точки зрения согласования работы двух двигателей, позволяет уменьшить динамические нагрузки в суммирующем редукторе и снизить диссипативные потери энергии в трансмиссии[3,13,14].
В такой схеме двигатели 01 и 02 соединены через редукторы П1 и П2 с двумя звеньями а и b дифференциального редуктора D, третье звено Н которого через редуктор П3 соединено с передающей частью трансмиссии.
За счет введения в конструкцию дифференциального СР, рассматриваемая КЭСУ представляет собой замкнутую дифференциальную передачу, в которой осуществляется замыкание мощностных потоков ДВС и ЭД, позволяющее передавать к ведущим колесам мощность от ДВС и от ЭД как по отдельности, так и совместно, при этом создаются возможности для автоматизации электромеханического привода (ЭМП).
а б
Рис. 4 Обобщенные схемы КЭСУ параллельной схемы с планетарным дифференциальным согласующим редуктором:
а – структурная; б – кинематическая
Выходные характеристики для КЭСУ (рис.4) применительно к автомобилю Иж-21261 «FABULA» представлены на рис.5.
Проведенный анализ возможностей электродвигателя ПТ-125-12 показал, что на его выходном валу можно получить характеристики вращающего момента, вид которых показан на рис.5.
Рис. 5 Внешняя скоростная характеристики ДВС ВАЗ-1111 и расчетные зависимости изменения вращающего момента ЭД, обеспечивающие выравнивание частот вращения звеньев планетарного редуктора для начальных частот вращения коленчатого вала ДВС 1500 (участок ВD) и 2500 мин-1 (участок АС)
а – структурная; б – кинематическая
При проведении расчетных исследований считалось, что вращающий момент ЭД изменяется по линейному закону и определялись необходимые его значения, соответствующие процессу начала движения (точки A и B на рис. 6) и частоте вращения вала ЭД при –1000 мин-1 (точки C и D), которые, как показали расчеты, существенно зависят от частоты вращения холостого хода ДВС в начале движения.
В ходе моделирования движения автомобиля Иж-21261 по ездовым циклам ГОСТ 20306-90 и европейскому городскому (ОСТ 37.001.054-86) с различными энергетическими установками были получены следующие результаты. На рис. 6 представлены соответствующие гистограммы показателей расходов топлива.
В соответствии с проведенными расчетами наиболее предпочтителен второй вариант энергосиловой установки (ЭД ПТ-125-12, ДВС ВАЗ-1111, планетарный СР, передаточное число дополнительного редуктора равно 1,298), который существенно улучшает тягово-скоростные свойства автомобиля при скоростях движения более 55 км/ч (городской цикл).
Pиc. 6 Путевой расход топлива автомобилем Иж-2126, который оснащен различными силовыми установками
В четвертой главе приведены разработка и анализ конструктивной схемы квадрициклов с гибридной энергосиловой установкой, предназначенных для передвижения по городу в условиях плотного транспортного потока.
Комбинированные энергоустановки с ДВС — наиболее реальный путь достижения высоких эксплуатационных показателей ТС в самом ближайшем будущем. При этом удается обеспечить большую дальность пробега и сохранить существующую инфраструктуру заправки. Электропривод может использоваться в качестве мотор-генератора, соединенного с коленчатым валом ДВС и позволяющего выключать ДВС при непродолжительной остановке ТС и последующем пуске ДВС по команде водителя начать движение (рис. 7).
Преимущество в данной схеме в том, что квадрицикл может двигаться на электротяге, как при работающем ДВС, который одновременно подзаряжает аккумулятор и питает электродвигатель, так и при неработающем. Если закончится запас топлива, он способен будет проехать на оставшемся заряде батарей какое-то расстояние как «чистый» электромобиль. Если же разрядятся аккумуляторы, то он способен двигаться за счет ДВС. Главным недостатком, скорее всего, будет сложный алгоритм работы КЭСУ.
Рис. 7 Структурная схема квадрицикла с двумя независимыми силовыми
установками
1 – электродвигатель; 2 – согласующий редуктор; 3 – ДВС; 4 - сцепление; 5 – коробка передач; 6 – дифференциал;
Применение в конструкции КЭСУ дифференциального согласующего редуктора избавляет от жесткой кинематической связи между двигателем внутреннего сгорания и электродвигателем, что в некоторой степени устраняет недостатки предыдущей схемы. На рисунке 8 изображена кинематическая схема квадрицикла, в котором применена гибридная энергосиловая установка с дифференциальным согласующим редуктором, состоящим из планетарной передачи.Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания связан с солнечной шестерней планетарной передачи согласующего редуктора, а электродвигатель – с ее сателлитами. Это позволяет плавно изменять угловую скорость и крутящий момент ДВС за счет электродвигателя. Здесь не нужна коробка передач и сцепление. Квадрицикл может плавно трогаться с места только на работающем электродвигателе или на ДВС. Вторая планетарная передача в данной схеме играет роль редуктора. Ее сателлиты жестко зафиксированы в обычном режиме движения квадрицикла за счет обоих энергосиловых установок. Если эти сателлиты «отпустить», то электродвигатель сможет работать независимо от ДВС, который в свою очередь может временно отключиться. В данном случае получается, что квадрицикл работает в режиме «чистого» электромобиля. Главный недостаток такой схемы – это сложность обеспечения правильной работы электродвигателя на разных режимах движения квадрицикла, т.е. усложнение задания алгоритма его работы в соответствии с работой двигателя внутреннего сгорания.
Рис. 8 Структурная схема гибридного квадрицикла с дифференциальным согласующим редуктором
1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – генератор; 3 – тяговый электродвигатель; 4 – согласующий редуктор; 5 – редуктор; 6 – главная передача
Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания связан с солнечной шестерней планетарной передачи согласующего редуктора, а электродвигатель – с ее сателлитами. Это позволяет плавно изменять угловую скорость и крутящий момент ДВС за счет электродвигателя. Здесь не нужна коробка передач и сцепление. Квадрицикл может плавно трогаться с места только на работающем электродвигателе или на ДВС. Вторая планетарная передача в данной схеме играет роль редуктора. Ее сателлиты жестко зафиксированы в обычном режиме движения квадрицикла за счет обоих энергосиловых установок. Если эти сателлиты «отпустить», то электродвигатель сможет работать независимо от ДВС, который в свою очередь может временно отключиться. В данном случае получается, что квадрицикл работает в режиме «чистого» электромобиля. Главный недостаток такой схемы – это сложность обеспечения правильной работы электродвигателя на разных режимах движения квадрицикла, т.е. усложнение задания алгоритма его работы в соответствии с работой двигателя внутреннего сгорания.
Данную схему можно представить несколько по-другому. В качестве согласующего редуктора также является планетарный механизм, а переключение в режим «чистого» электромобиля осуществляется за счет фрикционной муфты двойного действия (рис. 9). В такой схеме отсутствует вторая планетарная передача.
Рис. 9 Структурная схема гибридного квадрицикла с двухрежимным согласующим редуктором
1 – генератор; 2 – тяговый электродвигатель; 3 – главная передача; 4 – двигатель внутреннего сгорания; 5 – планетарный редуктор; 6 – фрикционная муфта двойного действия
На рис.10. изображена схема квадрицикла, у которого мощность к каждому колесу подводится через свой вариатор. Здесь нет дифференциала, т.к.
его функция возложена на вариаторы. Проблема здесь в габаритах передачи, а также в недолговечности ремней, на которые передается большой крутящий момент, особенно на больших скоростях.
Рис. 10 Схема КЭСУ квадрицикла с двумя вариаторами
1 – редуктор; 2 – электродвигатель; 3 – аккумулятор; 4 – генератор;
5 – ДВС; 6 – муфта сцепления; 7 - редуктор; 8 – вариатор
На рис. 11 и 12 представлены опытные образцы квадрициклов и проекты городских автомобилей особо малого класса с КЭСУ.
Рис. 11 Опытные образцы квадрициклов с КЭСУ
 |  |
 |
Рис. 12 Проекты городских автомобилей особо малого класса
Проведенный анализ кинематических схем трансмиссий КЭСУ позволил рекомендовать для квадрицикла наиболее рациональную конструкцию (рис.8, 9).
Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию многопоточных комбинированных передач в составе силового привода легкового автомобиля [18].
При выполнении экспериментальной части настоящей работы проведены лабораторно-дорожные испытания двух типов комбинированных передач в применении к легковому автомобилю Иж-21261.
Лабораторные испытания автомобиля проводились в испытательных службах главного конструктора ОАО «Ижмаш-Авто». Пробеговые испытания проводились в летнее время по дорогам общего пользования Удмуртской Республики. Лабораторные испытания по весовым, тягово-скоростным свойствам, параметрам топливной экономичности и токсичности проведены на тормозном стенде с беговыми барабанами фирмы “Шенк” (Германия).
При испытаниях на топливную экономичность расход топлива фиксировался расходомером PIERBURG. Для определения расхода топлива автомобиль ИЖ-21261, оборудованный КЭCУ, был оснащен датчиком расхода топлива, установленным в подкапотном пространстве и последовательно подключенным к топливоподающей магистрали ДВС с помощью специальных шлангов. Указатель расхода топлива, установлен на панели приборов автомобиля. Топливная экономичность оценивалась в соответствии с ГОСТ 20306-90 «Автотранспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний».
Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами определялись с использованием газоанализатора МЕХА 2200 фирмы «Хориба» (Япония) в соответствии с ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».
Полученные результаты пробеговых испытаний в целом подтверждают выводы стендовых испытаний о малой степени влияния характеристик дифференциалов на скоростные свойства автомобиля при его движении по опорной поверхности с высокими сцепными свойствами и (или) при не большой разнице в условиях сцепления под ведущими колесами.
Автомобиль серийный с ДВС и экспериментальный с КЭCУ подвергались лабораторным испытаниям с целью определения основных параметров топливной экономичности и токсичности отработавших газов.
Топливная экономичность оценивалась в соответствии с ГОСТ 20306-90 в городском ездовом цикле на динамометрическом стенде с беговыми барабанами. При моделировании движения по городскому ездовому циклу были получены следующие результаты путевого расхода топлива для автомобиля с испытуемыми энергетическими установками (л/100 км): ДВС – 9,7 и КЭCУ – 7,2.
Результаты стендовых испытаний показали, что для автомобиля с КЭCУ параллельной схемы, удается повысить топливную экономичность до 25…30%, выбросы токсичных веществ уменьшить на 25…40 % практически без изменения конструктивных параметров автомобиля-носителя ИЖ-21261.
В целом проведенное экспериментальное исследование показало перспективность направления создания для колесных машин элементов силового привода с комбинированными многопоточными передачами.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Любая передающая энергию механическая система колёсной машины обладает кинематическими (голономными) связями, ограничивающими только относительное перемещение точек и звеньев силовой передачи, и неголономными связями, устанавливающими зависимости между скоростями точек звеньев силовой передачи.
2. При построении структурных и кинематических схем, в выборе основных параметров силовых передач, с достаточной достоверностью допустимо рассматривать их как голономные системы без учёта реактивных связей и применять для исследования классические уравнения Лагранжа.
3. Фрикционные, электрические, гидравлические передачи имеют скольжение от долей до нескольких процентов, а для длинных трансмиссионных валов деформируемость может быть большой и, как следствие, динамические процессы (колебательные, переходные), происходящее в силовой передаче, оказывают влияние на скорость обобщённых координат. Всё это в свою очередь обуславливает наличие неголономных, динамических и квазидинамических связей.
4. В КЭСУ с параллельной работой ДВС и ЭД дополнительно необходимо рассматривать два упруго-демпфирующих звена (соответственно от ДВС и ЭД) до выходного вала суммирующего редукторы. Влияние упруго-демпфирующих свойств КЭСУ на эксплуатационные свойства транспортной машины существенно зависит от конструктивных особенностей суммирующего редуктора. В настоящее время в КЭСУ параллельных схем наиболее распространены шестерёнчатые суммирующие редукторы, применяются так же цепные и ремённые. Наличие в суммирующем редукторе передач трением с непосредственным касанием ведущих и ведомых тел (фрикционные передачи) или передачи тернием с гибкой связью (ремённые передачи) усложняет математическую модель работы машины.
5. Блокирующие свойства межколёсного самоблокирующегося дифференциала (МСД) оказывают значимое положительное влияние на прямолинейное движение легкового автомобиля с передним приводом и увеличивают границы его устойчивости при установившимся криволинейном движении.
6. Влияние блокирующих свойств МСД при установившимся криволинейном движении на дорогах как с низким, так и с высоким коэффициентом сцепления с дорожным покрытием для автомобиля с задним приводом ведёт к сужению границ к устойчивости движения, а для автомобиля с передним приводом к их расширению. Влияние блокировки дифференциала на устойчивость неустановившегося криволинейного движения легкового автомобиля неоднозначно и определяется величиной возмущающего воздействия. При этом высокое значение коэффициента блокировки для всех условий криволинейного движения однозначно снижает управляемость и устойчивость легкового автомобиля.
7. МСД с возрастающим внутренним трением, позволяет более полно реализовать тяговое усилие при движении в плохих дорожных условиях, имеет излишне большие блокирующие свойства при движении с большой нагрузкой на поворотах. МСД с убывающим внутренним трением необходим для автомобилей с высокими тягово-скоростными качествами, так как позволяет двигаться в поворотах с максимальной скоростью и его характеристика при этом приближается к характеристике обычного дифференциала. Вместе с тем такой дифференциал в меньшей степени способен перераспределять моменты по полуосям и не позволяет реализовать максимально возможный момент при достаточно хорошем сцеплении одного из колёс.
8. Предложенная комбинированная характеристика МСД позволяет более полно реализовать тяговое усилие в плохих дорожных условиях, не снижая управляемости и устойчивости движения по дорогам с высоким и малым коэффициентом сцепления.
9. Стендовые и лабораторно-дорожные испытания различных типов МСД, проведённые испытательными службами ижевского автозавода подтвердили теоретические результаты и их влияние на эксплуатационные свойства легкового автомобиля и показали, что МСД улучшает проходимость автомобиля, увеличивает скорость его движения, но при возрастающем внутреннем трении несколько увеличивает износ шин и расход топлива. МСД с убывающим внутренним трением по расходу и по износу практически одинаков с серийным дифференциалом.
10. Обеспечение лучших экономических и экологических характеристик транспортного средства для города можно достичь путем применения комбинированной энергосиловой установки, установленной на малогабаритном автомобиле с низкими массогабаритными показателями. Результаты стендовых испытаний показали, что для автомобиля с КЭCУ параллельной схемы, удается повысить топливную экономичность до 25…30%, выбросы токсичных веществ уменьшить на 25…40 % практически без изменения конструктивных параметров автомобиля-носителя ИЖ-21261.
11. Среди множества принципиальных компоновочных схем квадрицикла с комбинированной энергоустановкой наиболее рациональной для города является схема с КЭСУ дифференциального типа. Благодаря этому удается достичь оптимальных режимов работы двигателя на установившемся режиме в процессе движения с разными скоростями. Заслуживает внимания КЭСУ с вариаторным приводом каждого ведущего колеса.
12. Наилучшее расположение центра масс для обеспечения хорошей устойчивости следует расположить силовые агрегаты в передней части машины, аккумуляторные батареи и багажник – в задней части. Тем самым, основные массы располагаются по концам машины, что добавляет ей большую устойчивость к развороту. Смещение центра масс в переднюю часть положительно влияет на устойчивость.
13. Режимы работы силовых агрегатов должны быть организованы так, чтобы двигатель внутреннего сгорания был задействован только при движении на скоростях свыше 13 м/с(46км/час), при равномерном движении и небольших изменениях скорости движение должно происходить только за счет ДВС. При торможении, замедлении или движении накатом под гору с ускорением электродвигатель включается в режиме рекуперации энергии.
14. Наиболее подходящим кузовом для квадрицикла является каркасно-панельная пространственная рама. Сам кузов должен быть однообъемным и вмещать 2-х человек (50% - перцентиль), включая водителя. Для наибольшей компактности квадрицикла необходимо размещать пассажира и водителя рядом друг с другом.
Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Монография:
1.Пономарёв В.М., Фролов А.М., Шакуров Д.К.
Эксплуатационные свойства автомобиля с разветвлёнными дифференциальными передачами. – Наб. Челны: Изд-во Камской госуд. инж.-экон. акад., 2011. – 148с.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
2. Пономарев В.М. Двухдвигательные передачи параллельной схемы с дифференциальным соединением / Пономарев В.М., Умняшкин В.А., Федоров П.В. //Вестник ИжГТУ Период. Науч.-практ. Журн. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. – 2010.- № 3(47) –С.15-20.
3. Пономарев В.М. Конструктивные схемы двухдвигательных силовых приводов / Умняшкин В.А., Пономарев В.М.//Интеллектуальные системы в производстве. Период. науч.-практ. журн. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. – №1-С.174-182.
4. Пономарев В.М. Инженерная методика выбора конструктивных параметров самоблокирующегося дифференциала легкового автомобиля /Умняшкин В.А., Пономарев В.М.// Вестник ИжГТУ Период. Науч.-практ. Журн. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. – 2011.- № 1(49) –С.44-47.
5. Пономарев В.М. Выбор компоновочных схем для городского автомобиля особо малого класса / Умняшкин В.А., Ившин К.С., Пономарев В.М. Полозов А.В.// Вестник ИжГТУ Период. Науч.-практ. Журн. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ. – 2011.- № 2(50) –С.29-33.
Публикации в других изданиях:
6. Пономарев В.М. Опытное определение КПД нетрадиционной планетарной передачи типа 3К / Красильников С.Н., Сергеев А.И., Красильникова О.В., Пономарев В.М.//Преподаватели ИжГТУ - производству: Сборник научных трудов / под ред. д-ра тех. наук, проф. И.Н.Ефимова. - Ижевск: 1998.- С.44-46.
7. Пономарев В.М. Эксплуатационные показатели безводильных планетарных передач типа 3К / Плеханов Д.Ф., Пономарев В.М., Чепкасов А.В.// Социально-экономические проблемы развития труда. Под редакц. д.т.н., проф. Ефимова И.Н.. Издательский дом «Удмуртский университет». Ижевск:2000. -С.172-173.
8.Пономарев В.М. Использование воды для снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Социально-экономические проблемы развития региона. Сб. докл. научно-практ. конф.; Под общ.ред. д-ра техн. наук, И.Н. Ефимова – Ижевск: Изд.-во ИжГТУ, 2003. -С.225-232.
9. Пономарев В.М. Основные направления совершенствования систем подрессоривания автомобилей в части улучшения их эксплуатационных свойств / Некрасов А.А, Умняшкин В.А., Пономарев В.М. //Улучшениетехнико-сплуатационных показателей мобильной техники: Материалы XIV научно-практической конференции вузов Приволжья и Предуралья. - Ижевск, 2003. -С.110-114.
10. Пономарев В.М. Обоснование выбора числа сателлитов планетарных передач в тихоходных транспортных механизмах / Красильников С.Н, Пономарев В.М., Каверина Э.В. //Социально-экономические проблемы развития региона: Сб. докл. Регионально научн. практ. конференции/ Под общ. ред. д-ра тех. наук, проф. И.Н. Ефимова. – Чайковский: Из-во ЧТИ (филиал) ИжГТУ, 2004. – С.268-273.
11. Пономарев В.М. Экологическая и эксплуатационная безопасность подвижных транспортных средств. Экологическая и эксплуатационная безопасность подвижных транспортных средств: Сб. докл. регион. науч.- метод. конф. / Под общ.ред. д-ра тех. наук, проф. И.Н. Ефимова. – Чайковский: изд-во ЧТИ (филиал) ИжГТУ, 2004. - С.4-7.
12. Пономарев В.М. Динамика дифференциального механизма транспортных машин / Буторин В.А., Пономарев В.М.//Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Сб.тр: Всеросс. науч.-техн. конф.-Тольятти: ТГУ, 2005.-С.118-122.
13. Пономарев В.М. Способы, повышающие эффективность использования гибридных приводов на АТС / Шаихов Р.Ф., Пономарев В.М.// Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники: Сб. докладов Всероссийской конференции/Под общ.ред. д-ра техн. наук, проф. И.Н. Ефимова, к.п.н., доц. С.Ж.Козловой.- Ижевск, 2007.- С.142-147.
14. Пономарев В.М. Дифференциальная передача комбинированной энергосиловой установки автомобиля / Умняшкин В.А., Буторин В.А., Пономарев В.М.// Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники: Сб. докладов Всероссийской конференции/Под общ.ред. д-ра техн. наук, проф. И.Н. Ефимова, к.п.н., доц. С.Ж.Козловой.- Ижевск, 2007.-С. 142 - 149с.
15.Пономарев В.М. Материалы, применяемые в автомобилестроении. Пономарев В.М., Клементьев С.М. / Екатеринбург. Изд-во института экономики УрО РАН, 2009.-260с.
16. Пономарев В.М. Возможность автоматизации бесступенчатого регулирования передаточного отношения дифференциальной гидростатической передачи /Умняшкин В.А., Чепикова Т.П., Красильников С.Н., Пономарев В.М. //Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды : Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне.Пермь, 28-29 октября 2010г.том 1: Изд-во ПГТУ,2010.-318с. - С.60 - 65.
17. Пономарев В.М.Разветвленные дифференциальные саморегулируемые передачи транспортных машин. Умняшкин В.А., Филькин Н.М., Пономарев В.М., Каверина Э.В. Разветвленные дифференциальные саморегулируемые передачи транспортных машин. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010.-84с.
18. Разработка методик структурной и параметрической оптимизации комбинированных (гибридных) энергосиловых установок транспортных средств №2.1.2/103626: Отчет о научно-исследовательской работе, выполненной в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)». Номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.00 901933/Ижевский государственный технический университет; Руководитель работы Н.М. Филькин, отв. исполн. В.А. Умняшкин, исполнит. Р.С.Музафаров, В.М. Пономарев, Э.В.Каверина, А.В.Полозов и др.– Ижевск: ИжГТУ, 2009. - 147 с.; 2010.-128с.; 2011.-87с.
Подписано в печать 12.03.2012г. Формат 60х84/16
Усл. печ. л 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 1474
Отпечатано в ЧТИ (филиал) ИжГТУ 617766, г. Чайковский,
ул. Декабристов,23
