Совершенствование конструкции гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы за счет устранения жесткой кинематической связи между тепловым и электрическим двигателями

В настоящее время основными потребителями моторных топлив являются транспортные средства, которые при работе выбрасывают в атмосферу вместе с отработавшими газами большое количество окиси углерода и других вредных составляющих. Особенно это проявляется в крупных городах, где загрязнение воздушного бассейна, серьезно влияющее на здоровье горожан, становится самой острой экологической проблемой. Например, в «Концепции обеспечения экологической безопасности города Москвы на период до 2001 года и более отдаленную перспективу» представлены данные Москомприроды за 1998 г., в которых отмечено, что в воздушный бассейн г. Москвы было выброшено 1737,3 тыс. тонн загрязняющих веществ, в том числе стационарными источниками 134,3 тыс. тонн, а передвижными источниками, в основном автомобильным транспортом, выброшено почти в 12 раз больше — 1603 тыс. тонн загрязняющих веществ. К сожалению, подобная картина наблюдается и в других крупных городах.

Количество транспортных средств в ближайшей перспективе будет непрерывно увеличиваться. В соответствии с концепцией развития автомобильной промышленности России (Распоряжение правительства РФ от 16 июля 2002 года № 978-р) парк легковых автомобилей возрастет к 2010 году с 21,2 до 30−33 млн. штук, в том числе иностранного производства (большая часть из которых, не новые) с 4,6 до 7−8 млн. штук. При этом число легковых автомобилей на 1 тыс. жителей увеличится со 140 до 245 штук. Это приведет к дальнейшему возрастанию выбросов токсичных веществ и потреблению невосполнимого углеводородного топлива.

Есть несколько широко известных путей повышения топливной экономичности и уменьшения загрязнения воздуха отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Основными направлениями повышения топливной экономичности являются: совершенствование конструкции транспортных средств с целью уменьшения затрат энергии на движениеповышение топливной экономичности двигателей за счет совершенствования его конструкции и процессов смесеобразования, впуска горючей смеси, выпуска отработавших газов и т. д.- применение турбонаддувапереход на альтернативные топлива и др. Для повышения экологичности применяют следующие мероприятия: создание систем дожигания и нейтрализации несгоревших продуктов и вредных примесейпроизводство и реализация топлива с улучшенными экологическими показателямиприменение альтернативных видов топлива, например, сжатого и сжиженного природного газаразработка новых типов двигателей и др.

Известно также, что одним из направлений решения проблем топливной экономичности и экологии крупных городов является замена тепловых двигателей, используемых в настоящее время в конструкциях большинства транспортных машин, электродвигателями, не загрязняющими окружающую среду и производящими гораздо меньше шума. Многие автомобильные фирмы работают над созданием конструкции электромобиля, способного конкурировать по своим эксплуатационным свойствам с обычными автомобилями. Такие работы не теряют своей актуальности и в настоящее время, но на современном уровне развития электрохимической промышленности в мире проблематично из-за отсутствия эффективных накопителей электроэнергии приемлемых габаритов, массы и стоимости обеспечить путевой пробег электромобиля, сравнимый с пробегом автомобиля на одной заправке топливом.

Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля позволили сделать вывод многим исследователям и конструкторам о необходимости проведения работ, направленных на создание конструкций гибридных (комбинированных) энергосиловых установок (КЭСУ) транспортных средств, состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей. В таких энергосиловых установках более эффективно используется электрическая (электродвигатель (ЭД)) и тепловая (тепловой двигатель (ТД)) энергия при выполнении заданного объема работ, что в результате позволяет улучшить топливную экономичность на 30−50%, уменьшить уровень шума, существенно повысить экологическую безопасность транспортных средств. Улучшение указанных эксплуатационных свойств происходит за счет возможности применения в конструкции маломощного теплового двигателя и обеспечения его работы на установившихся или близких к ним режимах. В процессе торможения и замедления происходит рекуперация кинетической энергии транспортного средства, т. е. электродвигатель работает в генераторном режиме, подзаряжая накопители электрической энергии, которые в сравнении с чистым электромобилем будут работать в более легких эксплуатационных режимах, что позволит значительно увеличить их долговечность.

В настоящее время в мире разработаны различные конструктивные варианты КЭСУ, которые обычно подразделяются в зависимости от взаимодействия потоков энергии от теплового и электрического двигателей на КЭСУ с последовательной и параллельной компоновочными схемами. Проведенные исследования показали, что при параллельной компоновочной схеме можно получить более высокие показатели топливной экономичности. При этом конструкции КЭСУ, обеспечивающие параллельную компоновочную схему, могут существенно отличаться друг от друга.

Малый опыт создания КЭСУ требует продолжения работ по совершенствованию методов исследований КЭСУ и их конструкций. Одним из направлений повышения эффективности работы КЭСУ является, во-первых, обеспечение трогания автомобиля с нулевых частот вращения вала электродвигателя, что существенно повышает тягово-скоростные свойства автомобиля при малых скоростях движения, во-вторых, рациональный выбор передаточного числа редуктора, соединяющего тепловой и электрический двигатели, что влияет на внешнюю скоростную характеристику КЭСУ, а следовательно, и на тягово-скоростные свойства.

Объектом исследования является КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД автомобилей малого класса. Предмет исследования — центробежная муфта двойного действия, соединяющая ДВС и ЭД в составе КЭСУ.

Теоретические методы исследования базируются на теориях движения и эксплуатационных свойств транспортных машин, математического моделирования, анализа и синтеза сложных технических систем, численных методах вычислений. Расчетные исследования проведены на основе разработанной автором диссертации методики. Экспериментальные исследования выполнены с помощью специализированной контрольно-измерительной аппаратуры в соответствии с нормативными документами на проведение экспериментальных исследований тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей.

Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, реализацией их в конструкции экспериментального образца легкового автомобиля ИЖ-21 261, оборудованного КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, экспериментальной проверкой в лабораторных и дорожных условиях.

На защиту выносятся результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД легкового автомобиля малого класса, включающие: структурную схему усовершенствованной КЭСУметодику расчета и обоснования основных конструктивных параметров КЭСУ при соединении ДВС и ЭД центробежной муфтой двойного действиярезультаты расчетов центробежной муфты и конструктивных параметров трансмиссии гибридного автомобиляконструкцию экспериментального образца КЭСУрезультаты экспериментальных исследований гибридного автомобиля малого класса.

Научная новизна выполненной диссертации заключается в следующем:

1. Разработана конструкция КЭСУ, отличающаяся от известных на настоящее время КЭСУ параллельной компоновочной схемы отсутствием жесткой кинематической связи между ДВС и ЭД и позволяющая повысить эффективности работы КЭСУ за счет обеспечения трогания с места гибридного автомобиля с нулевых частот вращения вала ЭД.

2. Разработана методика расчета передаточного числа редуктора, соединяющего ЭД с трансмиссией гибридного автомобиля, позволяющая обосновать внешнюю скоростную характеристику вращающего момента КЭСУ, обеспечивающую наилучшие тягово-скоростные свойства гибридному автомобилю.

3. Разработана методика расчета конструктивных параметров центробежной муфты двойного действия, соединяющей ДВС и ЭД в составе КЭСУ.

4. Впервые представлены результаты экспериментальных данных разработанного гибридного легкового автомобиля с КЭСУ, в конструкции которой применена центробежной муфты двойного действия.

5. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию КЭСУ с центробежной муфты двойного действия при параллельном соединении ДВС и ЭД.

Внедрение в практику проектирования разработанных методик позволяет, во-первых, обоснованно выбирать базовые параметры центробежной муфты двойного действия и передаточное число редуктора, соединяющего ЭД с трансмиссией гибридного автомобиля, при создании КЭСУ параллельной компоновочной схемы. Во-вторых, возможность проведения исследований влияния различных конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ на эксплуатационные свойства автомобиля позволяет существенно сокращать сроки разработки новых конструкций и объем доводочных испытаний за счет выбора наиболее эффективных конструктивных решений при создании КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, причем возможно сделать это еще на ранней стадии проектирования. Применение разработанного нового принципа соединения ДВС и ЭД в составе КЭСУ позволяет существенно повысить тягово-скоростные свойства гибридного автомобиля без изменения мощностных параметров и характеристик ДВС и ЭД.

Разработанные теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику проектирования и применяются при разработке новых экспериментальных конструкций гибридных автомобилей, создаваемых в ГОУ ВПО ИжГТУ, использованы в экспериментальном образце КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, а также в учебном процессе при подготовке дипломированных инженеров и магистров в ГОУ ВПО ИжГТУ по специальностям автомобилестроения и в учебном процессе филиала научно-образовательного центра ГОУ ВПО МГТУ «МАМИ» «Автомобильный транспорт с гибридными силовыми установками» при ГОУ ВПО ИжГТУ.

Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: совершенствование конструкции комбинированной (гибридной) энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы легкового автомобиля за счет устранения жесткой кинематической связи между тепловым и электрическим двигателями путем введения в конструкцию центробежной муфты двойного действия.

Основным критерием выбора темы работы была практическая потребность в разрабатываемом научном направлении, позволяющем существенно повысить эффективность использования КЭСУ в составе гибридного легкового автомобиля.

В период 2005;2007 г. г. автор диссертации принимал активное участие в исследованиях и создании экспериментальных образцов КЭСУ. Диссертационная работа выполнялась в рамках договора с Московским государственным техническим университетом «МАМИ» (2005 г.) [35], в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)» (2006 г.) [36] и по договору с Московским государственным техническим университетом «МАМИ» в рамках Государственного контракта 2006;РИ-16.0/005/146 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области транспортных технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок» (VIII очередь) (2006 г.) [37].

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на конференции с международным участием «Современные наукоемкие технологии» (Египет, г. Хургада) — на VI Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (г. Новочеркасск) — на IX Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии» (г. Москва) — на Международной научно-практической конференции «Наука и образование — 2006″ (г. Мурманск) — на 53-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (г. Ижевск) — на Международной научной конференции „Статистические методы в естественных, гуманитарных и технических науках“ (г. Таганрог) — на Международной научно-технической конференции „Новые материалы и технологии в машиностроении“ (г. Брянск) — на заочных электронных конференциях „Автомобилеи тракторостроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства“, „Фундаментальные исследования“ и „Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники“ (г. Москва) — на Международной научно-технической конференции „Современные информационные технологии“ (г. Пенза) — на Международной конференции .» Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград) — на Всероссийских научно-технических конференциях: VI ВНТК «Современные промышленные технологии» и XV ВНТК «Методы и средства измерений физических величин» (г. Нижний Новгород) — на Всероссийских научно-технических конференциях: XVIII ВНТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» и XV ВНТК «Современные проблемы математики и естествознания» (г. Нижний Новгород).

Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедрах «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» Ижевского государственного технического университета, «Дизайн промышленных изделий» Удмуртского государственного университета и «Эксплуатация автомобильного транспорта» Камской государственной инженерно-экономической академии (г. Набережные Челны).

По теме диссертации опубликовано 15 научных статей, 1 учебное пособие с грифом Учебно-методического объединения вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов и 3 научно-технических отчета.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (102 наименований) и приложения. Общее количество страниц в диссертационной работе 140. Основная часть содержит 115 страниц текста, в том числе 31 рисунок и 12 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

1. Для обеспечения возможности использовать в процессе движения гибридного автомобиля, оборудованного КЭСУ параллельной компоновочной схемы ЭД и ДВС, высоких вращающих моментов ЭД необходимо за счет изменения конструкции устранить жесткую кинематическую связь между ЭД и ДВС, которую реализуют в КЭСУ шестеренчатые, цепные или ременные согласующие редукторы.

2. Эффективными направлениями устранения жесткой кинематической связи между ЭД и ДВС является применение в конструкции КЭСУ дифференциального согласующего редуктора планетарного типа или центробежной муфты двойного действия, «разрывающей» жесткую кинематическую связь между ТД и ЭД и позволяющей обеспечивать трогание с места гибридному автомобилю практически с нулевых частот вращения вала ЭД.

3. Внешняя скоростная характеристика КЭСУ (суммарный вращающий момент ЭД и ДВС от частоты вращения выходного вала КЭСУ) имеет сложный характер изменения в зависимости от передаточного числа согласующего редуктора. При увеличении передаточного числа в одних диапазонах частот вращения выходного вала КЭСУ вращающие моменты возрастают, в другихубывают. Это является следствием особенностей изменения внешней скоростной характеристики ЭД.

4. Разработанные теоретические положения исследования гибридных автомобилей, оборудованных КЭСУ параллельной компоновочной схемы ЭД и ДВС, соединенных между собой центробежной муфтой двойного действия, позволяют:

— для заданных характеристик ЭД и ДВС рассчитать конструктивные параметры центробежной муфты:

— обосновать передаточное число редуктора, передающего вращающий момент от ЭД в трансмиссию гибридного автомобиля, обеспечивающее наилучшую внешнюю скоростную характеристику момента КЭСУ;

— провести анализ и обосновать конструктивные параметры ступенчатой трансмиссии по показателям тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

5. Для гибридного легкового автомобиля, оборудованного усовершенствованной КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, наиболее рациональное количество ступеней трансмиссии равно трем.

У экспериментального образца гибридного автомобиля ИЖ-21 261, оборудованного пятиступенчатой серийной коробкой передач, необходимо при установке КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия:

— увеличить передаточное число первой передачи с ii = 3,19 до значения 4,498 при передаточном числе главной передачи i0 = 4,22. Это позволит обеспечить преодоление максимального подъема 36%, что соответствует современным общепринятым требованиям к тяговым свойствам легковых автомобилей;

— для уменьшения потерь в трансмиссии высшую (третью) передачу выполнить прямой, т. е. с i3 = 1, что требует введения главной передачи io = 5,608 и корректировки передаточных чисел второй и третьей передач;

— наиболее рациональный, с точки зрения тягово-скоростных свойств, ряд передаточных чисел трехступенчатой коробки передач для гибридного легкового автомобиля с усовершенствованной КЭСУ при передаточном числе главной передачи io = 5,608: ij = 3,384, i2= 1,864, i3 = 1.

6. Разработанный гибридный автомобиль, оборудованный усовершенствованной КЭСУ с центробежной муфтой двойного действия, полностью обеспечивает выполнение норм ЕВРО-3 по выбросам СО, СН и NOx.

7. Сравнение экспериментальных данных гибридного автомобиля, оборудованного усовершенствованной КЭСУ, с разработанной ранее конструкцией показало, что у автомобиля существенно улучшена динамика разгона до малых скоростей движения (менее 20 км/ч) за счет использования высоких крутящих моментов при малых частотах вращения выходного вала ЭД, существенно возросли максимально преодолеваемые подъемы, автомобиль стал более динамичен при движении со скоростями в диапазоне 60 — 90 км/ч.

8. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рамках:

— договора с Московским государственным техническим университетом «МАМИ» (2005 г.), выполненного в соответствии с ведомственной целевой программой Министерства образования и науки России «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 г.);

— аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки России «Развитие научного потенциала высшей школы (20 062 008 годы)» (2006 г.);

— договора с Московским государственным техническим университетом «МАМИ», выполненного в соответствии Государственного контракта 2006;РИ-16.0/005/146 «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области транспортных технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок» (VIII очередь) (2006 г.).