Design and manufacture of test bench for simulation of movement of a vehicle driven by electric motor

Abstract

The article describes the stages of the project development, design and technological solutions in the production of units of the test bench for simulation of movement of a vehicle driven by electric motor.

Full Text

Целью работы являлось создание специализированного стенда для проведения испытаний вновь создаваемых электроприводных транспортных средств (ЭТС). Стенд должен обеспечить имитацию реальных нагрузок на тяговый электродвигатель (ТЭД) со стороны трансмиссии ЭТС при его движении в различных дорожных условиях. Предварительно в состав стенда должны входить: · нагружающее устройство (нагружающий генератор (НГ)) мощностью не менее 40 кВт, для создания нагрузок на ТЭД, имитирующих сопротивление качению колёс ЭТС, сопротивление воздуха, сопротивление движению ЭТС на подъёме; · инерционный аккумулятор кинетической энергии (инерционная масса (ИМ)) для создания нагрузок на ТЭД, имитирующих сопротивление ускорению ЭТС; · автоматическая система управления нагружающим устройством стенда. В зависимости от номинальных характеристик основных элементов, выбранных для применения на новом транспортном средстве, для согласования их рабочих параметров при проектировании ЭТС, а соответственно и стенда, может потребоваться установка на них дополнительных компонентов, не учтённых в данном перечне. Стенд должен обеспечивать моделирование нагрузок на ТЭД при разгоне, равномерном движении, торможении и движении с уклоном для двух ЭТС, полные массы которых составляют ma1 = 1200 и ma2 = 1800 кг. Он должен позволять воспроизводить испытания транспортных средств по городскому циклу, приведённому в Правилах ЕЭК ООН № 101 [5]. В качестве тяговых электродвигателей выбраны две электромашины: для ЭТС полной массой ma1 = 1200 кг – мощностью 30 кВт и максимальной частотой вращения вала 5800 об/мин, для ЭТС полной массой ma2 = 1800 кг – 70 кВт и максимальной частотой вращения вала 6400 об/мин. Передаточные числа трансмиссий рассчитывались исходя из обеспечения максимальной скорости ЭТС равной 100 км/ч [6]. В том случае, когда эта скорость обеспечивается при максимальной частоте вращения вала ТЭД, то передаточные числа трансмиссий ЭТС будут следующими (табл. 1). Таблица 1 Передаточные числа трансмиссий ЭТС Полная масса ЭТС, кг Мощность ТЭД, кВт Макс. частота вращения вала ТЭД, об/мин Передаточное число трансмиссии ЭТС 1200 30 5800 5.57 1800 70 6400 7 Несмотря на то что предполагается создавать абсолютно новые ЭТС, целесообразно при их проектировании максимально использовать уже существующую компонентную базу автомобильной техники. Так, при проектировании механической трансмиссии ЭТС для передачи крутящего момента к ведущим колёсам разумно использовать редуктор главной передачи какого-либо серийного автомобиля соответствующего класса. В автомобилях малого класса (к которым можно отнести ЭТС полной массой ma1 = 1200 кг) передаточные числа главной передачи, как правило, имеют значения от 3.0 до 3.5 [4]. В автомобилях среднего класса (к которым можно отнести ЭТС полной массой ma2 = 1800 кг) – от 3.5 до 4.0 [4]. Использование выбранных для создания ЭТС тяговых электродвигателей из-за высоких значений максимальных частот вращения валов требует бóльших передаточных чисел для их трансмиссий. При применении главных передач серийных автомобилей для обеспечения заданной максимальной скорости потребуется установка дополнительного согласующего редуктора с передаточным числом около iр = 1.85 для ЭТС с ТЭД мощностью 30 кВт и iр = 1.75 для ЭТС с ТЭД мощностью 70 кВт. Такой редуктор предназначен для согласования высоких значений частот вращения вала тягового электродвигателя и низкого значения частоты вращения вала нагружающего генератора. Так как, согласно предварительно проведённому тяговому расчёту, передаточные числа согласующих редукторов для ЭТС массами ma1 = 1200 и ma2 = 1800 кг оказались достаточно близки, то принято решение установить на стенде согласующий редуктор с передаточным числом iр = 1.7. В этом случае частоты вращения валов ТЭД и НГ будут согласованы и составят: при nТЭД = 5800 об/мин, nНГ = 3412 об/мин; при nТЭД = 6400 об/мин, nНГ = 3765 об/мин. Это является приемлемым как для НГ, так и для ИМ. При проектировании и изготовлении стенда, с учётом выбранного значения передаточного числа согласующего редуктора, целесообразно скорректировать передаточные числа главных передач проектируемых ЭТС для сохранения необходимого значения общего передаточного числа трансмиссии. Как видно из таблицы 2, значения передаточных чисел трансмиссий ЭТС достаточно близки значениям, представленным в таблице 1. Таблица 2 Значения скорректированных передаточных чисел главных передач и передаточных чисел трансмиссий ЭТС i0 iр iтр ЭТС 1 3.336 1.7 5.67 ЭТС 2 4.196 1.7 7.13 Возможная схема ЭТС с установленным в его трансмиссии согласующим редуктором приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Схема электроприводного транспортного средства В соответствии с рисунком 1 принципиальная схема проектируемого стенда будет иметь вид, представленный на рисунке 2. Рисунок 2. Схема стенда: ТЭД – тяговый электродвигатель, СР – согласующий редуктор, ДМ – датчик момента, НГ – нагружающий генератор, ИМ – инерционная масса Для изготовления согласующего редуктора была использована пара цилиндрических косозубых шестерён от автомобильной коробки передач. По конструктивным и технологическим соображениям корпус согласующего редуктора сделан цилиндрической формы, а на ведущем вале установлены два фланца для того, чтобы он мог работать как с передаточным числом 1.7, так и с передаточным числом 1.0. Чертёж согласующего редуктора представлен на рисунке 3. Рисунок 3. Согласующий редуктор Чертёж общего вида построенного в соответствии с проведёнными предварительными исследованиями стенда представлен на рисунке 4. Рисунок 4. Общий вид стенда: 1 – тяговый электродвигатель, 2 – карданный вал 1, 3 – согласующий редуктор, 4 – датчик крутящего момента и частоты вращения, 5 – нагружающий генератор, 6 – карданный вал 2, 7 – инерционный аккумулятор кинетической энергии, 8 – рамы агрегатов, 9 – основания На стенде, как и на ЭТС, согласующий редуктор с передаточным числом iр = 1.7 установлен непосредственно за тяговым электродвигателем. Стенд позволяет использовать для привода и другие ТЭД. При этом, если максимальная частота вращения вала ТЭД не превышает 3500 об/мин, имеется возможность использовать этот согласующий редуктор с передаточным числом iр = 1.0. Для этого необходимо переставить согласующий редуктор на другие установочные отверстия в положение, при котором с датчиком момента будет соединён второй фланец ведущего вала редуктора. В качестве нагружающего устройства на стенде использована торцевая асинхронная двухстаторная обратимая электрическая машина (ОЭМ), общий вид которой и технические характеристики представлены на рисунке 5. Торцевая конструкция ОЭМ обладает рядом преимуществ по сравнению с асинхронной машиной классической конструкции. Она имеет меньшую массу на единицу мощности и меньшие габариты в осевом направлении, что даёт ей определённые преимущества при установке на ЭТС. Условия для теплоотдачи, охлаждения и вентиляции, в силу разнесения источников тепловыделения у неё также лучше, чем у машины классической конструкции. Максимальный, кратковременный, в течение 10 с, момент до 500 об/мин, Н·м 330 Максимальный длительный момент до 1800 об/мин, Н·м 190 Рабочий диапазон частоты вращения, об/мин 0 ÷ 3000 Охлаждение воздушное Масса, кг 76 Габаритные размеры, без учета вылета валов, длина × ширина × высота, мм 240×340×340 Рисунок 5. Торцевая асинхронная двухстаторная обратимая электрическая машина Инерционный аккумулятор кинетической энергии, изначально спроектированный для стенда, предназначен для имитации инерционных нагрузок при разгоне и торможении ЭТС массами ma1 = 1200 и ma2 = 1800 кг при передаточных числах их трансмиссий iтр = 5.67 и iтр = 7.13 соответственно. Расчёт параметров инерционной массы производился с использованием следующих исходных данных (таблица 3). Таблица 3 Параметр Обозначение Значение ЭТС 1 ЭТС 2 ma1 ma2 Масса, кг ma 1200 1800 Статический радиус колеса, м rk 0.3 0.3 Момент инерции колеса, кг·м2 Ik 1.634 1.634 Передаточное число главной передачи i0 3.336 4.196 Передаточное число согласующего редуктора iр 1.7 1.7 Передаточное число трансмиссии iтр 5.67 7.13 Момент инерции маховика, эквивалентного заданной массе ЭТС, вычислялся исходя из равенства кинетических энергий ЭТС и эквивалентного маховика [1]. Моменты инерции маховиков, эквивалентных моментам инерции ЭТС массами ma1 = 1200 и ma2 = 1800 кг, полученные в результате расчётов, приведены в таблице 4. Таблица 4 Масса ЭТС, ma, кг Момент инерции эквивалентного маховика, IИМ, кг·м2 1200 10.292 1800 9.572 Маховик, имитирующий момент инерции ЭТС массой ma2 = 1800 кг принят за основной, так как он имеет минимальный момент инерции при заданных передаточных числах главной передачи и трансмиссии транспортного средства. Момент инерции ЭТС массой ma1 = 1200 кг имитируется путём присоединения к основному маховику дополнительного диска толщиной 0.015 м. с моментом инерции 0.719 кг·м2. На стадии изготовления инерционного аккумулятора кинетической энергии было принято решение расширить возможности по имитации моментов инерции бóльшего количества ЭТС за счёт увеличения количества дополнительных дисков до двух. В результате конструкция инерционного аккумулятора кинетической энергии представляет собой набор стальных дисков диаметром 500 мм различной толщины. Часть этих дисков образует основной маховик (1) (рисунок 6), момент инерции которого эквивалентен моменту инерции ЭТС массой ma2 = 1800 кг. К основному маховику могут быть прикреплены два дополнительных диска (2, 3), толщиной h = 0.015 м и h = 0.053 м. Рисунок 6. Инерционная масса: 1 – основной маховик; 2, 3 – дополнительные диски Дополнительные диски крепятся к основному маховику с двух сторон специальными болтами по 6 штук с каждой стороны. В нерабочем положении они закреплены на опорах инерционной массы технологическими болтами. Возможные сочетания массы основного маховика и масс прикреплённых к нему дополнительных дисков позволяют имитировать на стенде моменты инерции ЭТС, значения масс которых приведены в таблице 6. Обозначения в таблице 6: R – радиус диска, h – толщина диска, S – площадь поперечного сечения диска, V – объём диска, mИМ – масса диска, IИМ – момент инерции диска, mа – масса ЭТС. Таблица 6. состав ИМ, мм i0 = 4.196 i0 = 3.336 200 200+15 200+53 200+15+53 200 200+15 200+53 200+15+53 R, м 0.250 0.250 0.25 0.250 0.250 0.250 0.250 0.250 h, м 0.200 0.215 0.253 0.268 0.200 0.215 0.253 0.268 S, м2 0.196 0.196 0.196 0.196 0.196 0.196 0.196 0.196 V, м3 0.039 0.042 0.050 0.053 0.039 0.042 0.050 0.053 mИМ, кг 306 329 387 410 306 329 387 410 IИМ, кг·м2 9.572 10.290 12.109 12.827 9.572 10.290 12.109 12.827 mа, кг 1800 1940 2296 2437 1111 1200 1425 1513 Основными задачами системы автоматического управления, спроектированной и изготовленной для стенда, являются: задание режимов работы нагружающего устройства, слежение за параметрами, характеризующими его функционирование в реальном времени и запись этих параметров для последующего анализа. Задание режимов работы нагружающего устройства осуществляет программа, учитывающая нагрузки на элементы трансмиссии, создаваемые сопротивлением качению колёс, сопротивлением воздуха, в зависимости от скорости ЭТС, и сопротивлением подъёму. Скорость и ускорение ЭТС задаются водителем, воздействующим на элементы управления ТЭД. Эти функции на стенде осуществляет оператор или специальная программа, имитирующая действия водителя при движении ЭТС. В частности эта программа позволяет воспроизводить испытания ЭТС по городскому циклу, приведенному в Правилах ЕЭК ООН № 101 [5]. Общий вид спроектированного и изготовленного стенда представлен на рисунке 7. Рисунок 7. Общий вид стенда При проектировании и изготовлении стенда были учтены требования по технике безопасности [2, 3], предъявляемые к защите обслуживающего персонала от механических и электрических поражающих воздействий во время его эксплуатации. Кроме того, крепление всех несущих элементов стенда к установочным поверхностям осуществлено через виброизолирующие и шумопоглащающие прокладки. Такие же прокладки использованы для соединения отдельных механизмов стенда с несущими элементами. Эти мероприятия позволили значительно уменьшить шум при работе стенда. На изготовленном в результате работы стенде можно проводить исследования, результаты которых позволят уже на стадиях проектирования, расчёта и конструирования решать научно-технические задачи по созданию транспортных средств с приводом от электродвигателя. Кроме того, исследования, проводимые на разработанном стенде, позволят получить новые теоретические знания в части создания методов проектирования, расчёта и конструирования электроприводных транспортных средств с оптимальными значениями показателей энергообмена и тягово-скоростных свойств. Такого типа работы являются дальнейшим развитием теоретических и экспериментальных исследований, проводимых многими ведущими зарубежными автомобильными фирмами, по созданию электромобилей.