УДК 621.83.062
А. А.Благонравов, А. В. Юркевич, В. А.Солдаткин, А. В.Терешин
Институт машиноведения УрО РАН
г. Курган
энергосбережение при использовании в
трансмиссии АТС механического трансформатора и маховика-аккумулятора
В работе рассматривается городской цикл движения при расчёте внешней характеристики механического трансформатора момента с колебательным движением внутренних звеньев. Автотранспортные средства, оборудованное маховиком-аккумулятором, расходует энергии на 33% меньше, чем без такого устройства. Расход топлива может отличаться еще больше, так как значительная часть разгона АТС и его движение с постоянной скоростью осуществляется с использованием кинетической энергии маховика, а его зарядка от двигателя может производиться при работе последнего на наиболее экономичном режиме. Полученный результат свидетельствует о целесообразности развития этого направления в автостроении.
Ключевые слова: энергосбережение на транспорте, механический трансформатор момента, маховик-аккумулятор, цикл движения.
A. A. Blagonravov, A. V. Yurkevich, And V. A. Soldatkin, A. V. Tereshin
Institute of engineering science UB RAS
Kurgan
ENERGY SAVINGS WHEN USED IN
DRIVETRAIN ATS MECHANICAL TRANSFORMER
AND FLYWHEEL-BATTERY
This paper considers the urban driving cycle for calculation of the external characteristics of the mechanical transformer of the moment with the bends-ing a movement of the inner links. Vehicles, equipment Vanno a flywheel-battery energy consumption 33% less than without such a device. Fuel consumption can vary even more, as a significant part of the dispersal of ATS and its motion with constant velocity is carried out using the kinetic energy of the flywheel and its behind-the row from the engine can be made at the latest on the most economical mode. The result indicates the appropriate differences in the development of this direction in the automobile.
Keywords: energy saving in transport, mechanical transformer of the moment, the flywheel-accumulator, a cycle of movement.
Применение представленного в работе [1] метода расчета внешней характеристики механического трансформатора момента с колебательным движением внутренних звеньев позволяет рассчитывать энергозатраты при движении АТС в трансмиссии которого помимо такого трансформатора установлен маховик-аккумулятор. При этом режимы движения могут определяться по стандартному ездовому циклу (Правила ЕЭК ООН №84), состоящему из первой части (городской цикл) и второй части (внегородской цикл). Использование маховика-аккумулятора во внегородском цикле мало эффективно. Поэтому здесь рассматривается только городской цикл, состоящий из четырех одинаковых простых городских циклов. Такой цикл представлен на рис.1.
Рис.1. Стандартный ездовой цикл
Трансмиссия АТС имеет четыре режима работы, обеспечивающие: 1-разгон АТС от ДВС; 2- разгон маховика от ДВС; 3-торможение АТС с помощью разгона маховика; 4- разгон АТС с использованием кинетической энергии маховика. Заметим, что разгон может быть и с нулевым ускорением (движение с постоянной скоростью), когда энергия двигателя или кинетическая энергия маховика расходуется только на преодоление сопротивления движения АТС. Так как скорость движения в городском цикле менее 50 км/час, то сопротивление воздуха учитывать не будем. Не будем также учитывать внутренние потери в механических передачах.
Кинематическая схема трансмиссии показана на рис.2. Стрелками показаны направления потока мощности, а величины передаточных отношений i равны отношению угловых скоростей на выходе к угловым скоростям на входе.
Рис.2. Кинематическая схема трансмиссии с маховиком-аккумулятором
В этом случае i>1 соответствует ускоряющей передаче. Предлагаются следующие значения передаточных отношений: i1i2= 2; i3= 7,07 (включая простую и планетарную передачу); i4= 0,471.
Маховик для АТС типа «Газель» представляет собой полуметровый отрезок стальной трубы с толщиной стенки 10 мм и диаметром 300 мм. Для того, чтобы его масса была в 100 раз меньше массы АТС, а его кинетическая энергия Тм max равнялась бы кинетической энергии АТС при скорости 60 км/час, частота вращения маховика должна составлять 10610 мин –1 . Так как частота вращения маховика реально будет всегда значительно меньше 10000 мин –1, то газодинамическое сопротивление можно не учитывать. Вакуумный кожух не требуется.
При выполнении простого городского цикла по Правилам ЕЭК ООН №84 целесообразно перед каждым подциклом иметь кинетическую энергия маховика примерно 0,3 Тм max и начинать разгон АТС с использованием этой энергии (4 режим). Двигатель при этом может работать на холостом ходу. Ускорение АТС регулируется водителем путем большего или меньшего нажатия на педаль, положение которой соответствует определенной величине амплитуды колебаний φ0 [1]. Когда ускорение, создаваемое маховиком окажется меньше требуемого Правилами, подключается двигатель путем простого увеличения частоты вращения его вала и соединения с ведущим валом трансформатора с помощью механизма свободного хода (МСХ). Маховик при этом продолжает вращаться с постоянной частотой, отсоединенный от ведущего вала трансформатора с помощью другого МСХ.
Для обеспечения заданного Правилами замедления АТС - включается третий режим. Величина замедления регулируется водителем также как величина ускорения. Если замедление меньше, чем требуется Правилами, то подключаются тормоза, а третий режим выключается. Накопленная энергия маховика будет использована в последующем подцикле.
При скорости АТС менее 10 км/час осуществить требуемую Правилами величину замедления с помощью разгона маховика затруднительно. При уменьшении скорости АТС частота вращения ведущего вала трансформатора уменьшается, передаточное отношение увеличивается, а момент, развиваемый на ведомом валу, уменьшается. В результате интенсивность замедления даже при предельном увеличении φ0 уменьшается. Поэтому при скорости менее 10 км/час торможение осуществляется с помощью тормозов. Выбранные параметры трансмиссии позволяют выполнять все требуемые Правилами ускорения и замедления в простом городском цикле и использовать тормоза только при скорости АТС менее 10км/час.
Рассмотрим, как следует рассчитывать энергозатраты. Затратами энергии будем считать только ту работу, которую нельзя вернуть. Это работа по преодолению сил сопротивления движению на пройденном пути и работа, затраченная в тормозах на погашение излишней кинетической энергии АТС. Работу, направленную на создание кинетической энергии АТС или маховика, не следует относить к затратам, так как эта энергия может быть использована для преодоления сил сопротивления движению на определенном пути. Так, если разогнать машину до скорости 60 км/час, а потом отсоединить двигатель, то машина пройдет до полной остановки путь в 700 м. Поэтому работу, затраченную на участке пути от трогания с места до остановки, будем определять по формуле
, (1)
где m- масса АТС; δ – коэффициент учета вращающихся масс при отключенном двигателе, δ = 1,04; ψ – коэффициент дорожного сопротивления, для города ψ=0,02; s0 – общий путь участка; vа – скорость АТС при которой началось использование тормозов; sТ – путь, пройденный при использование тормозов. Последний член уравнения (1) уменьшает работу трения тормозов, так как
способствует снижению скорости.
Расчет по формуле (1), выполненный для городского цикла, соответствующего Правилам, показал, что АТС, оборудованное маховиком-аккумулятором, расходует энергии на 33% меньше, чем АТС без такого устройства. Расход топлива может отличаться еще больше, так как значительная часть разгона АТС и его движение с постоянной скоростью осуществляется с использованием кинетической энергии маховика, а его зарядка от двигателя может производиться при работе последнего на наиболее экономичном режиме. Подробное рассмотрение этого вопроса – предмет специального исследования. Полученный здесь результат уже свидетельствует о целесообразности, и даже необходимости развития этого направления в автостроении и в первую очередь для АТС, используемых автотранспортными предприятиями.
Литература
1. А. Расчет внешней характеристики механического трансформатора с колебательным движением внутренних звеньев / А. А. Благонравов. //Вестник машиностроения. –2011. –№10
Основные порталы (построено редакторами)