Evaluation of ability to regenerate oscillation energy by the suspension system of a two-axle truck

Full Text

Введение В настоящее время одной из основных проблем развития автотранспортной индустрии является ужесточение экологических требований к уровню выбросов вредных веществ. Основным источником загрязнения после теплоэнергетики являются автотранспортные средства. В этой связи ведущие автомобильные компании мира работают над созданием транспортных средств с гибридными и электрическими силовыми установками, а также систем и агрегатов транспортных средств, способных осуществлять рекуперацию энергии. На данный момент в развитых странах решению этой проблемы уделяется значительное внимание. Речь идет, прежде всего, о создании новых типов экологически чистых транспортных средств для больших городов, а также курортных зон и разнообразных заповедников. Поэтому многие производители транспорта ищут варианты решения проблемы энергоэффективности. Одним из перспективных направлений повышения экономичности автомобилей, является создание в их подвесках эффективных систем рекуперации. На неизбежные колебания подрессоренной массы движущегося автомобиля, естественно, затрачивается часть энергии силовой установки. Эту энергию без вреда для снижения эффективности функционирования подвески можно полезно использовать для заряда тягового аккумулятора в электромобилях или гибридных автомобилях, либо бортовой аккумуляторной батарее в традиционных автомобилях. Поэтому многие производители и разработчики колесного транспорта работают над созданием системы подрессоривания на основе энергоэффективного амортизатора с рекуперативным эффектом. Так, например, компания Audi разработала адаптивную подвеску eRot, в состав которой входит ротационный амортизатор (рис. 1). Устройство работает следующим образом. Преобразование поступательного движения колеса во вращательное движение ротора генератора происходит посредством зубчатых передач. Генератор, в свою очередь, заряжает аккумулятор [1]. Рис. 1. Регенеративная подвеска eRot Также известно, что компания ZF совместно с корпорацией Levant Power разрабатывают регенеративную подвеску GenShock, с использованием гидравлического цилиндра и гидромотора (рис. 2). Идея устройства заключается в том, что жидкость, находящаяся в гидроцилиндре, под действием колебаний поступает в гидромотор, который в свою очередь приводит в действие генератор. Вырабатываемая электроэнергия генератором накапливается в аккумуляторе [2]. Рис. 2. Рекуперативный амортизатор GenShock В классических конструкциях подвесок демпфирование колебаний, возникающих при движении по неровностям, осуществляется частично пневматической шиной и в основном амортизатором. Тепловая энергия, выделяющаяся при демпфировании, рассеивается в окружающую среду. Основной задачей данной работы является оценка количества энергии, выделяющейся в результате работы амортизатора, с помощью моделирования динамической системы. Для решения этой задачи была создана имитационная математическая модель движения КМ по неровностям. В качестве среды компьютерного моделирования была выбрана графическая среда имитационного моделирования Simulink, интегрированная в систему MatLab. Математическая модель прямолинейного движения КМ Задачи плавности хода обычно решаются построением динамической системы, эквивалентной системе подрессоривания КМ. Динамическая система дает возможность оценить перемещения любой точки автомобиля относительно дорожной поверхности. В данной работе стоит задача оценки рассеиваемой амортизатором энергии в результате демпфирования колебаний. Для решения этой задачи выбрана плоская расчетная схема движения колесной машины по неровностям (рис. 3) [3]. Рис. 3. Расчетная схема движения колесной машины по неровностям Для упрощения построения динамической системы были приняты следующие допущения: · моделируется прямолинейное движение КМ с постоянной скоростью; · используются линейные характеристики упругого элемента (УЭ) и демпфирующего элемента (ДЭ); · силы трения в направляющем устройстве подвески не учитываются; · расчет производится для автомобиля с полной массой. Динамическая модель строится на основании дифференциальных уравнений движения подрессоренных и неподрессоренных масс. Определим основные дифференциальные уравнения расчетной динамической системы: (1) (2) (3) Принятые обозначения: - обобщенные координаты, характеризующие вертикальные перемещения массы подрессоренной части, приходящейся на переднюю (заднюю) ось, центра масс подрессоренной части колесной машины; - обобщенные координаты, характеризующие угловые перемещения массы подрессоренной части относительно ее центра масс; - кинематическое возмущение на колеса i-й оси; - масса подрессоренной части; - момент инерции массы подрессоренной части относительно оси y, проходящей через центр масс; - приведенные к центру пятна контакта шины с опорной поверхностью коэффициенты демпфирования подвесок и шин i-й оси; - приведенные к центру пятна контакта шины с опорной поверхностью коэффициенты жесткости подвесок и шин i-й оси; - расстояние от центра масс подрессоренной части относительно поперечной оси, причем значение принимают положительным если i-я ось расположена слева от центра масс, в противном случае имеет отрицательное значение; i - номер оси; n = 2 - количество осей [1]. Уравнения (1) определяют перемещения неподрессоренных масс; уравнение (2) - перемещения центра масс автомобиля; уравнение (3) - угловые перемещения центра масс. Для определения кинематического возмущения , строится система (рис. 4), состоящая из: генератора белого шума, формирующего фильтра случайного процесса и фильтра сглаживающей способности шины. Как правило, моделирование кинематического возмущения осуществляется путем формирования случайного процесса , с заданной спектральной плотностью S(ω). Рис. 4. Система, определяющая кинематическое возмущение Для формирования случайного процесса используется формирующий фильтр, соответствующий заданной спектральной плотности (см. табл. 1) [4]. Таблица 1 Корреляционная функция, спектральная плотность и формирующий фильтр, использующиеся при формирования случайного процесса Корреляционная функция Спектральная плотность Формирующий фильтр В таблице: - дисперсия; - коэффициент, характеризующий степень нерегулярности микропрофиля; - коэффициент, характеризующий узкополосность случайной функции микропрофиля дороги. Для шоссейной дороги высокого качества [3]: =0,79·10-4 м2; =0,08; =0,143. Для асфальтобетонной поверхности: = 5,33·10-4 м2; = 0,15; = 0. Для грунтовой дороги: =47,6·10-4 м2; =0,38; =0,47. Для грунтовой дороги в плохом состоянии: =102,2·10-4 м2; =0,45; =0,414. Для учета скорости движения автомобиля вводим коэффициенты и , вместо и : Дифференциальное уравнение фильтра, моделирующего сглаживающую способность шины, можно записать следующим образом: где - половина длины пятна контакта шины с опорной поверхностью; - сглаженное шинной кинематическое возмущение; - входной сигнал. Для колес i-й оси возмущение можно представить в виде: где - время запаздывания прохождения возмущения под i-й осью относительно первой оси, равное: Определение энергии, рассеиваемой амортизатором Мощность , рассеиваемую амортизаторами в тепло, рассчитывают по среднему значению коэффициента сопротивления и относительной скорости хода поршня [5]: Интегрируя мощность по времени, находим энергию , рассеиваемую амортизаторами: Для определения мощности и энергии, необходимо найти скорость перемещения поршня относительно цилиндра в амортизаторах 1-ой и 2-ой осей. Определяем абсолютную скорость перемещений подрессоренной массы над передней и задней осями с учетом продольно-угловых колебаний: Вычитая скорость перемещения неподрессоренной массы , из скорости перемещения подрессоренной массы над передней и задней осью , определяем относительную скорость перемещения поршня : . На основании вышеуказанных уравнений строится математическая модель в MatLab/Simulink (рис. 5). Результаты расчетов Для получения значений рассеиваемой энергии в амортизаторах, проводим расчеты, изменяя параметры скорости и характеристики дорожного покрытия. Длительность реализации равна одному часу. Полученные данные сведены в таблице 2 и на рис. 6 и 7. Таблица 2 Рассеиваемая амортизатором энергия Скорость, км/ч Рассеиваемая амортизатором энергия в течение часа, при движении с постоянной скоростью, кВт·ч Шоссе высокого качества Асфальтобетонная дорога Грунтовая дорога Грунтовая, в плохом состоянии 10 0,022 0,28 2,46 16,0 20 0,070 0,88 7,59 52,3 30 0,147 1,82 16,24 - 40 0,227 2,77 24,70 - 50 0,300 3,70 32,90 - 60 0,380 4,58 - - 70 0,470 5,47 - - 80 0,560 6,37 - - 90 0,650 7,30 - - Среднее значение рассеиваемой энергии 0,314 3,68 16,78 34,15 Рис. 5. Блок-схема модели Рис. 6. Рассеиваемая амортизатором энергия Определение энергии расходуемой на поддержание скорости КМ Потребная энергия для преодоления автомобилем сопротивления движению находится исходя из мощности, затрачиваемой в единицу времени. Мощность, необходимая для преодоления основного удельного сопротивления движению, равна: где = 1200 кг - полная масса автомобиля; = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; - коэффициент сопротивления качения (для асфальтобетонной дороги = 0,02); - сила сопротивления воздуха, равная: = 0,85 - коэффициент обтекаемости; = 5,242 м2 - лобовая площадь; = 1,25 кг/м3 - плотность воздуха. Результаты расчета при движении по ровной асфальтобетонной дороге с постоянной скоростью приведены в табл. 3 и на рис. 7. Таблица 3 Необходимая энергия для поддержания скорости, в течение часа при движении по асфальтобетонной дороге Скорость, км/ч Энергия необходимая для поддержания скорости, кВт·ч 10 6,597 20 13,553 30 21,225 40 29,971 50 40,151 60 52,12 70 66,239 80 82,865 90 102,357 Среднее значение энергии, кВт·ч - 46,1 На основании полученных результатов (табл. 2 и 3) средних значений энергии, рассеиваемой амортизатором, и энергии, необходимой для поддержания скорости движения, строится диаграмма (рис. 7). Рис. 7. Среднее значение количества энергии, рассеиваемое амортизатором за 1 час Выводы 1. Количество энергии, рассеиваемой амортизатором при движении по шоссе высокого качества, очень мало по сравнению с другими типами покрытий. Поэтому применение рекуперативных амортизаторов в шоссейных автомобилях нецелесообразно. 2. Амортизаторы с возможностью рекуперации энергии колебаний целесообразно использовать на автомобилях, эксплуатирующихся как на дорогах с твердым покрытием, так и по грунтовым дорогам и местности. Энергия, рассеиваемая амортизаторами при движении автомобиля по плохим грунтовым дорогам и по грунтовым дорогам в удовлетворительном состоянии, соизмерима (составляет 74% и 36%, соответственно) с энергией, затрачиваемой на движение автомобиля по дороге с асфальтобетонным покрытием. На асфальтобетонной дороге среднее значение рассеиваемой энергии равно примерно 8% от расхода энергии на движение автомобиля в этих же условиях. 3. Мощность бортовых электрических систем грузовых автомобилей составляет 1,5…5 кВт в зависимости от типа и назначения автомобиля. Применение рекуперативных амортизаторов, позволит снабжать энергией электрические системы автомобиля во время движения. 4. Особо актуально применение рекуперативных амортизаторов на автомобилях, принимающих участие в спортивных гонках Ралли, так как они двигаются с большими скоростями по бездорожью. Также возможно их использование в автомобилях специального назначения, в сельскохозяйственной технике, в карьерных самосвалах и т.д.

About the authors

R. R. Malikov

Bauman Moscow State Technical University

Email: ramil192@mail.ru

A. A. Smirnov

Bauman Moscow State Technical University

Ph.D

A. V. Klimov

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

References

Supplementary files