Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Колесные и гусеничные машины

Диссертационная работа:

Лазарева Анна Николаевна. Разработка методики расчета базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы для легкового автомобиля : дис. ... канд. техн. наук : 05.05.03 Ижевск, 2006 164 с. РГБ ОД, 61:07-5/583

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 7

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ РАСЧЕТА БАЗОВЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ 18

1.1. Состояние вопросов выбора и обоснования теплового и электрического двигателей КЭУ параллельной компоновочной схемы 19

1.2. Общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей 22

1.3. Постановка цели и задач диссертационной работы 44

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ АВТОМОБИЛЯ С ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ 47

2.1. Выбор и обоснование схемы динамической модели автомобиля, оборудованного КЭСУ параллельной компоновочной схемы ТД и ЭД 48

2.2. Внутренние и внешние силы, действующие на гибридный автомобиль при его движении 47

2.3. Разработка математических моделей характерных режимов движения автомобиля с гибридной энергетической установкой и механической трансмиссией 65

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА БАЗОВЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК КЭСУ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ 77

3.1. Особенности расчета показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности гибридного автомобиля 7

3.2. Методика расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемы 86

Глава 4. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЭСУ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ МАЛОГО И ОСОБО МАЛОГО КЛАССОВ 97

4.1. Обоснование мощностных показателей ЭД "чистого" электромобиля 97

4.2. Обоснование мощностных показателей ТД и ЭД гибридного автомобиля параллельной компоновочной схемы КЭУ 105

4.3. Расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля, оборудованного КЭУ 109

4.4. Расчет базовых параметров КЭСУ автомобиля особо малого класса (квадрицикла) 121

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 137

5.1. Адекватность разработанных математических моделей движению реального гибридного автомобиля 137

5.2. Экспериментальные исследования гибридного легкового автомобиля ИЖ-2126"Ода" 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 148

ЛИТЕРАТУРА 151 

Введение к работе:

Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами ДВС является применения в их конструкциях электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое - создание чистого электромобиля, второе - 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 энергетических установок.

Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля позволили сделать вывод многим ученым автомобилестроения о необходимости проведения исследований, направленных на разработку конструкций комбинированных (гибридных) энергетических установок (КЭУ) транспортных средств, состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей [29, 30]. На основе КЭУ можно создавать комбинированные энергосиловые установки (КЭСУ), представляющие собой совокупность КЭУ и трансмиссии, которые позволяют более эффективно использовать электрическую (электродвигатель) и тепловую (тепловой двигатель) 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 (на 40 % и более). 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 автомобилей на 1 тыс. жителей увеличится со 140 до 245 штук.

Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами ДВС является применения в их конструкциях электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое - создание чистого электромобиля, второе - 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 энергетических установок.

Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля позволили сделать вывод многим ученым автомобилестроения о необходимости проведения исследований, направленных на разработку конструкций комбинированных (гибридных) энергетических установок (КЭУ) транспортных средств, состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей [29, 30]. На основе КЭУ можно создавать комбинированные энергосиловые установки (КЭСУ), представляющие собой совокупность КЭУ и трансмиссии, которые позволяют более эффективно использовать электрическую (электродвигатель) и тепловую (тепловой двигатель) 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 (на 40 % и более). 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.

Отметим, что данное направление создания энергосиловых установок перспективно и для дорожно-строительных, сельскохозяйственных, технологических, стационарных обрабатывающих и других типов машин, которые используют в своих конструкциях тепловые двигатели.

Цель диссертационной работы. Исходя из состояния вопросов разработки КЭСУ для транспортных машин, тенденций и перспектив их развития для легковых автомобилей в диссертационной работе исследуются наименее изученные проблемы, связанные с разработкой новых теоретических и расчетных методов исследования КЭСУ. Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка методики расчета и обоснования базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС И ЭД, обеспечивающих оптимальные (наиболее рациональные) тягово-скоростные свойства и топливную экономичность гибридному автомобилю и реализация этой методики в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.

Задачи исследований. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследований диссертационной работы:

1. Разработать математическую модель движения гибридного автомобиля, позволяющую наиболее точно рассчитывать показатели тягово- скоростных свойств и топливной экономичности в различных условиях эксплуатации.

2. На основе обоснованной математической модели разработать алгоритмы расчета показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности гибридного автомобиля.

3. Разработать методику расчета и обоснования базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей, к которым относятся: внешние скоростные характеристики теплового и электрического двигателей, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии.

4. Реализовать разработанную методику в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.

5. Выполнить расчетные исследования для гибридных автомобилей малого и особо малого классов.

6. Доказать адекватность разработанной математической модели движению реального гибридного автомобиля.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД автомобилей малого и особо малого классов. Предметом исследования являются методики расчета, обоснования и оптимизации базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки, к которым относятся внешние скоростные характеристики ДВС и ЭД, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии.

Методы исследований. Теоретические методы исследования базируются на теориях движения и эксплуатационных свойств транспортных машин, математического моделирования и параметрической оптимизации, анализа и синтеза сложных технических систем, программирования, дифференциальных уравнений и численных методов вычислений. Расчетные исследования проведены на основе разработанных автором диссертации программных средств. 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 и обоснованность. Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, реализацией их в конструкциях экспериментальных образцов легковых автомобилей, оборудованных КЭСУ, экспериментальной проверкой в лабораторных и дорожных условиях.

На защиту выносятся результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований гибридных легковых автомобилей малого и особо малого классов, оборудованных КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД, включающие: динамические модели автомобиля, оборудованного КЭСУ; математические модели характерных режимов движения автомобиля с гибридной энергетической установкой и механической трансмиссией; методику расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемы; методику обоснования мощностных показателей электродвигателя "чистого" электромобиля; результаты расчетных исследований, обосновывающих базовые параметры КЭСУ для автомобиля малого и особо малого классов; результаты экспериментальных исследований созданного гибридного автомобиля малого класса.

Научная новизна. Научная новизна выполненной диссертации заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель движения автомобиля, оборудованного КЭСУ, отличающаяся от известных учетом упругодемпфирующих свойств трансмиссии и позволяющая более точно проводить расчет показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

2. Впервые разработана комплексная методика расчета и обоснования внешних скоростных характеристик ДВС и ЭД, количества ступеней и передаточных чисел трансмиссии гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД для легкового автомобиля малого и особо малого классов.

3. Разработанная методика реализована в виде комплекса программных средств на ПЭВМ, позволяющего выполнять параметрический анализ и синтез базовых параметров КЭСУ легкового автомобиля.

4. Обоснованы наиболее рациональные базовые параметры КЭСУ для гибридного автомобиля особо малого класса (квадрицикла).

5. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД для автомобилей малого и особо малого классов.

Практическая полезность. Внедрение в практику проектирования разработанной методики, реализованной в виде комплекса программных средств, позволяет, во-первых, обоснованно выбирать базовые параметры КЭСУ параллельной компоновочной схемы, обеспечивающие автомобилю наилучшие эксплуатационные свойства. 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, причем возможно сделать это еще на ранней стадии проектирования.

Реализация результатов. Разработанные теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику проектирования и применяются при разработке новых экспериментальных конструкций гибридных автомобилей, создаваемых в ГОУ ВПО ИжГТУ и ГОУ ВПО МГТУ "МАМИ", 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.

Апробация работы. В период 2003-2006 г.г. автор диссертации принимал активное участие в исследованиях и создании экспериментальных образцов КЭСУ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с подпрограммой "Транспорт" научно-технической программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" [60] (2003-2004 г.г.), в рамках гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук Минобразования РФ [62] (2003-2004 г.г.), в рамках договора с Московским государственным техническим университетом "МАМИ" [57, 69] (2005 г.), в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)" [61] (2006 г.) 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) [63] (2006 г.).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Восьмой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 2003 г.); на III Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции "Социально-экономическое развитие России" (г. Пенза, 2003 г.); на III Международной научно-практической конференции "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (г. Тирасполь, 2003 г.); на VIII Международной конференции "Образование. Экология. Экономика. Информатика" (г. Астрахань, 2003 г.); на III Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике" (г. Пенза, 2003 г.); на IV Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на XV и XVI Международных интернет-конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (г. Москва, института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 2003-2004 г.г.); на VI Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (г. Москва, 2003 г.); на II Международной научно-практической конференции "Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" (г. Пенза, 2003-2004 г.г.); на IV Международной научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, производстве и экономических процессах" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на Международной научной конференции "Анализ и синтез как методы научного познания" (г. Таганрог, 2004 г.); на Первой заочной электронной конференции "Приоритетные направления развития науки, технологий и техники" (г. Москва, 2004 г.); на Всероссийской молодежной научно-практической конференции "Инновации в науке, технике, образовании и социальной сфере" (г. Казань, 2003 г.); на Межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы науки в России" (г. Кузнецк, 2004 г.); на IV Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства(г. Новочеркасск, 2004 г.); на Международной конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград, 2004 г.); на Всероссийской интернет-конференции с международным участием "Проблемы экологии в современном мире" (г. Тамбов, 2004 г.); на заочной электронной конференции "Экология промышленных регионов России" (г. Москва, 2004 г.); на II Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Информационные технологии, системный анализ и управление" (г. Таганрог, 2004 г.); на заочных Всероссийских научно-технических конференциях "Современные промышленные технологии" (г. Нижний Новгород, 2004-2005 г.г.); на 13-ой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 2004 г.); на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ "Иннов-2005" в рамках П-ой специализированной выставки инноваций в промышленном производстве "Высокие технологии XXI века" (г. Новочеркасск, 2005 г.); на IV-ой Международной специализированной выставке "Машиностроение. Металлургия. Металлообработка - 2005" (г. Ижевск, 2005 г.).

Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ГОУ ВПО ИжГТУ «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» и на кафедре ГОУ ВПО УдГУ «Дизайн промышленных изделий», а также на производственно-технических совещаниях в Управлении главного конструктора и в отделе компьютерных систем и технологий ОАО «ИжАвто».

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография (в соавторстве); 30 научных статей; 2 тезиса докладов; выпущено 6 отчетов о научно-исследовательских работах, выполненных в соответствии научно-техническими программами Минобрнауки РФ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (109 наименований). Общее количество страниц в диссертационной работе 164. Основная часть содержит 128 страниц текста, в том числе 19 рисунков и 18 таблиц.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована основная цель, приведено краткое описание всех глав, дается общее представление о диссертационной работе.

В первой главе проведен: анализ современного состояния вопросов расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ, анализ состояния вопросов выбора и обоснования теплового и электрического двигателей для комбинированной энергетической установки, общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей. Проведенный анализ позволил сформулировать цель, теоретические и практические задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработана математическая модель движения автомобиля с КЭСУ параллельной компоновочной схемы энергетической установки на основе обоснованной рациональной структурной схемы гибридного автомобиля такого типа. Рассмотрены внутренние и внешние силы действующие на гибридный автомобиль в процессе движения, которые являются основными составляющими разработанной математической модели. Показано, что математическая модель движения автомобиля с КЭСУ многоструктурная, состоящая из четырех систем дифференциальных уравнений, описывающих четыре режима движения: трогание с места, движение с буксующей муфтой сцепления, движение с блокированной муфтой сцепления и процесс переключения передач. Вывод систем дифференциальных уравнений проведен на основе уравнения Лагранжа второго рода.

В третьей главе представлены результаты разработки методики расчета, обоснования и оптимизации базовых параметров КЭСУ, а именно, внешних скоростных характеристик ТД и ЭД и конструктивных параметров трансмиссии. Рассмотрены особенности расчета показателей топливной экономичности и тягово-скоростных свойств гибридного автомобиля, в частности, рассмотрены вопросы моделирования движения гибридного автомобиля в городском ездовом цикле. Подробно рассмотрен алгоритм создания транспортной машины, оборудованной КЭСУ.

Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям разрабатываемых экспериментальных образцов легковых автомобилей малого и особо малого классов. В частности, рассмотрен подход и проведены расчеты мощностных показателей ЭД "чистого" электромобиля, оборудованного только ЭД; представлены результаты расчетов мощностных показателей и характеристик ТД и ЭД КЭУ, разработанной для экспериментального гибридного автомобиля на базе ИЖ-2126 "Ода"; проведен расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии на примере разрабатываемого гибридного автомобиля; проведено обоснование необходимости создания гибридного четырехколесного квадрицикла автомобильного типа и представлены соответствующие расчетные исследования.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований, доказана адекватность разработанных математических моделей движению реальных гибридных автомобилей с КЭУ параллельной компоновочной схемы ТД и ЭД, рассмотрена конструкция экспериментального гибридного автомобиля, выполненного на базе легкового автомобиля ИЖ-2126 "Ода".

Подобные работы
Терентьев Алексей Николаевич
Разработка методики акустической доводки легкового автомобиля по внешнему и внутреннему шуму
Альдайуб Зияд
Разработка методики создания рам грузовых автомобилей минимальной массы, отвечающих требованиям по ресурсу, на стадии проектирования
Стрелков Максим Николаевич
Разработка методики исследования взаимосвязанных колебаний подвески и трансмиссии легкового автомобиля
Русаков Сергей Сергеевич
Разработка методики оптимизации передаточных чисел механической ступенчатой трансмиссии легкового автомобиля с учетом режимов работы его двигателя
Тумасов Антон Владимирович
Разработка методики расчетной оценки пассивной безопасности кузовов и кабин автомобилей при опрокидывании
Зыков Сергей Николаевич
Разработка методик прочностного анализа при создании новых и модернизации выпускаемых кузовов легкового и малотоннажного грузового автомобилей
Шишкин Михаил Владимирович
Разработка методики расчета и выбор рациональной формы поверхностей автомобильных сидений
Шакуров Дилус Кавыевич
Разработка методик расчета и проектирования клиноременного вариатора для транспортных машин с двигателями малой мощности
Яковлев Петр Витальевич
Повышение динамики переключения передач в раздаточной коробке полноприводного автомобиля применением новой кинематической схемы
Васильев Владимир Андреевич
Снижение потерь энергии в гибридном приводе автомобиля за счет уменьшения влияния пульсационной составляющей крутящего момента ДВС и применения рациональной схемы

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net