黄海客车制动能量回收系统设计

摘 要本文研究了一种新型电控液驱汽车的总体方案与液压系统设计。新型电控液驱汽车能够显著提髙车辆经济性、排放性和主动安全性等多方面的性能，是对常规汽车有较大变革的、机电液一体化的髙新技术产品。随着对车辆节能环保性能的重视程度的日益提高，具有良好节能环保性能的新型电控液驱汽车显然具有很大的市场需求与良好的发展前景。本文所作的研究工作主要包括：析与优化。过增加变速器改善了起动转矩不足的问题。据国家标准中规定的燃料消耗量试验方法，对变量泵的客车进行燃油经济性的计算和对比研究，分析了其节能原理。过设计，完成了新型电控液驱客车的总体方案与液压系统设计。关键词；电控；液压驱动；客车；设计；能量回收；is is of he of is is he of is to of of of or of 录摘要.课题研究现状.研究的主要目的.新型电控液驱汽车的工作原理.与混合动力车的比较.保性能比较分析.新型电控液驱客车特点.本章小结.主方案的选择.本章小结.液压系统压力的确定.液压马达的选择.液压泵的选择及零部件的设计.液压油的选择.管件的选择.液压蓄能器的选择.油箱的设计.压油箱的外形尺寸设计.液压缸的设计.液压阀的选择.本章小结.行驶阻力特性分析.动力性分析.方案分析.本章小结. 采用变量泵的燃油经济性分析.本章小结.43附录49第1章绪 积小且能进行无级调速等特点，使得液压传动具有在汽车、工程机械、拖拉机及军事车辆等中运用的潜力。在国外，70年代由于能源危机的出现,以节能为目的的研究工作相继开，通过对二次调节系统施以不同的控制策略，可使车辆的燃油经济性提高，节省燃油可达30%。瑞典对二次调节系统在牵引机车和叉车上的应用进行了理论研究，得出结论：在这两个领域，二次调节系统比飞轮储能复合传动系统更有效。美国烕斯康星大学也对蓄能器储能复合传动进行了研究，并于1985年在德国礼公司的公共汽车上得到实现。通过推算，得出结论：将公共汽车的传动系统改成二次调节系统后，三年内车辆节省的开支就可以回收改装成本，而且同时还有降低发动机废气排放的好处。最近几年加拿大、日本一些学者仍在继续进行此方面的研究，并将成果申请了专利。在国内，对该方面的硏究还不多，主要是哈尔滨工业大学和东北农业大学。哈尔滨工业大学主要是对液压系统进行了理论分析和计算机仿真方面的研究。上海交通大学对二次调节系统也进行了理论上的研究,但是尚无样车的试验研究。 东北农业大学提出了一种电控液压复合驱动系统，并对其进行了理论研究。与二次调节系统节能原理相似的是混合动力驱动系统。目前，从事该方面研究的人也越来越多。具有代表性的是1997年丰田公司在车上使用的混合动力驱动系统则。该系统在减小排放，提髙燃油经济性方面是比较明显，目前已有数种车型投放市场井将得到更广泛的应用。但是,由于作为该系统的重要组成元件之一的蓄电池的造价较高，使用寿命也较低。而对于二次调节系统，随着液压元件性能的提高和价格的降低，电子技术的飞越，将有越来越多的国内外学者从事该领域的研究，并在未来将电控液驱汽车推向市场，实现商品化，使电控液驱汽车真正进入百姓生活。究的目的和意义压传动由于其本身所具有的高功率重量比，体积小且能进行无级调速等特点，使得液压传动具有在汽车、工程机械、拖拉机及军事车辆等中运用的潜力。在国外，70年代由于能源危机的出现，以节能为目的的研究工作相继开，通过对二次调节系统施以不地球是人类生存和发展的家园，地球上的资源是有限的。自从1973年石油危机以来，人们倍加意识到能源的有限性。与此同时，地球环境也遭受多种产业及交通工具污染的威胁，汽车工业及汽车对环境的污染是其中的一个重要方面。而交通事故造成很多人员的伤亡及巨大经济损失，已是社会的公害则。因此发展节能、环保、安全型汽车是汽车行业的主要研究方向。汽车在制动时，其动能通过制动器的摩擦片和制动鼓的摩擦作用产生热能而被浪费掉，不能加以利用。本课题综合考虑了上述多种因素设计了新型电控液驱汽车。它能很好满足汽车节能、环保、安全等方面的要求。通过电控液驱客车的设计研究，可以掌握电控液驱汽车的关键技术，促进定压网络液压马达控制系统（二次调节系统）理论的发展，并使二次调节系统尽快应用于车辆中。同时，也为今后电控液驱汽车的研究打下坚实的基础。新型电控液驱汽车降低燃油消耗量和减少有害排放的效果是很明显的。这对于当前我国石化燃料不足，其它代替能源尚未完全幵发利用的现状以及缓解城市空气污染状况来说具有很深远的意义。新型电控液驱汽车能够显著提高车辆经济性、排放性能和主动安全性等多方面的性能，是对常规汽车有较大变革的、机电液一体化的高新技术产品。随着对车辆节能环保性能的重视与要求的与日提高，具有良好节能环保性能的新型电控液驱客车。设计一种新型电控液驱汽车液压系统。能够相助提高车辆经济性，排放性和主动安全性等多方面的性能。确定液压系统的总体组成，进行各个相关部件的设计与计算。析与优化。保证性能的前提下，尽可能减小质量和体积。保、操纵方便等优点。、电控单元2、发动机3、溢流阀4、单向阀5、液压泵6、开关阀7、 液压蓄能器8、二次元件液压泵丨马达）9、减速器10、电控单元1控制发动机2间歇工作于最佳经性区域，发动机直接驱动液压泵。给液压系统和液压蓄能器7提供恒定高压油。压力油的作用下二次元件（变量马达）8通过减速器9驱动车辆的驱动轮10，实现车辆的加速和匀速行驶。当车辆在制动过程中，二次元件在电控单元1的控制下，使二次元件处于液压泵工作状态，所输出的液压油送入液压蓄能器，将车辆的动能以液压能的形式存储在液压蓄能器中。在起动和加速过程中液压蓄能器中的压力能又通过工作于液压马达工况的二次元件转变为汽车的动能。这样，使得发动机工作与否和汽车的行驶工况基本无关，而只取决于液压蓄能器的压力。能，环保性能比较分析以混合动力汽车相同的整车有关参数及相同的发动机进行车辆的性能仿真计算。中旋转质量换算系数是指由混合动力汽车改为电控液驱汽车后的数值。合动力汽车的整车有关参数参数 数值车辆总质量（1000车辆迎风面积A 2m 50空气阻力系数 图中可以看出，速、减速和怠速工况。假设车辆在水平的路面上按至行驶100公里。每一个辆釆用的是变量泵。发动机所釆用的控制策略：发动机工作与否完全取决于蓄能器的压力而与车辆的行驶情况无关，当蓄能器的压力低于其最低压力，则发动机工作在燃油消耗率最低的区域，也即发动机工作在最佳经济区。发动机提供的能量一部分用来驱动车辆行驶，一部分存储在蓄能器中。当蓄能器的眼里达到最大值时，发动机处于怠速状态，车辆行驶所需的能量完全由蓄能器提供。此时，蓄能器开始释放液压能，待蓄能器的压力低于其最低压力值时发动机才再次工作。若发动机工作在最佳经济区内所提供的功率无法满足车辆行驶要求时，就逐步提高发动机与转速，直至满足车辆行驶要求为止。当车辆减速行驶或制动时，发动机也处于怠速状态，车辆所有的动能通过变量玛法储存在蓄能器中，进行能量回收。油消耗量和能量回收率。其中，里所能回收的总能量是指所有减速工况车辆所具有的动能的总和。蓄能器的体积为40对应的其能量回收率降低，使得其） 初始压力（最终压力(燃油消耗率（L/能量回收率（%）40 20 0 0 车辆从0加速到100km/是在车辆从100km/主要是因为电控液驱汽车的功率从发动机经变量（定量泵和变量马达及主减速器传递到车轮上的效率较低，样使得相同功率的发动机所达到的车辆的最髙车速是不一样的。在高速情况下的加速性能要好一些。辆的最大爬坡度与爬坡时蓄能器的压力有关。蓄能器的压力越大，最 大爬坡度越大。在给定蓄能器的初始压力下,当车辆行驶的速度小于44km/变量马达的转速较低，由于变量马达的最大排量限制，变量马达所能提供的功率要小于发动机的最大功率，因此在这一速度区间内车辆的最大爬坡度受到变量马达的最大排量的限制，没有完全利用发动机的功率。这时通过增大变量马达的排量可以在一定程度上提高最大爬坡度的数值。同时也能改善车辆在低速时的加速性能。车辆行驶的速度等于或大于44km/好是变量马达所能提供的功率等于比较项目 s） 用时间（S） ） )/ 2m） s） 时最大爬坡度就与变量马达的最大排量无关了,而与发动机的最大功率有关。动机的工作情况与负荷基本无关，可以保证发动机绝大部分时间工作于最佳经济性区域，同时实现制动能量的回收，将显著提高车辆经济性。而且在提高经济性的同时，可显著减少有害排放物。由于该种车辆中存在高压恒定液压源，“电控液驱”可进一步扩展到车辆的其他子系统中，这一目标的实现不仅可以进一步提髙车辆性能，而且也对简化结构与降低制造成本有益。例如，转向系统可实现电控液驱且各车轮独立控制与调节的动力转向；在悬架系统中，可利用电控液驱实现主动悬架的功能。此外，目前已在一些车型中得到应用的电控液驱冷却风扇等也可实现一体化的设计与控制。车辆的特点表明其特别适用于频繁刹车、起动的城市公交车辆、越野车辆、清扫车辆、起重车辆、矿用挖掘车辆等。二次调节系统是一种压力耦联系统，通过调节完全可逆的斜盘式轴向柱塞泵广马达（二次元件）的斜盘倾角来适应外负载的变化。二次调节系统具有以下特点：以使二次元件的输出轴上转速进行无级调节，能够实现传动系的无级变速，可使发动机在任何车辆行驶速度下都能充分发挥其功率，从而大大改善车辆的动力性，起步平稳，操纵方便。由于系统是压力耦联系统，在系统的主要能量传输管路中没有会产生节流损失的液压元件（如减压阀、节流阀等彡，从而提髙了系统效率。二次调节系统通过控制马达排量的方向来控制马达的转向,通过改变马达 的排量来改变输出转矩的大小，从而得到所需的转向与转速。由于釆用了完全可逆的液压马达，所以系统可以将负载的制动能量回收储存起来并再加以重新利用。由于系统中具有液压蓄能器,当负载突然加大时，蓄能器可短期提供一部分能量，起到平衡峰值功率的作用，从而可适当减小通常须按峰值功率选用的发动机与液压泵，提高系统效率。二次调节系统是在近似恒压的系统中传递能量的，系统网络中可连接多个互不相关的负载，这使多个车轮独立驱动、制动成为可能。同时也为今后进一步实现转向、悬架等子系统的一体化控制与调节提供了前提条件。这些特点都表明了二次调节静液储能传动系统在节约能源、环境保护方面具有极大的优势。有极大的优势和潜力。时简要概括了其特点，分析得出其动力性与燃油经济性与混合电动汽车相当。但由于其元件系列化成都与控制技术相对成熟，使得电控液驱汽车具有良好的应用前景。与混合动力汽车相比，新型电控液驱汽车在车辆性能、主要部件的技术成熟程度、制造成本等方面均有着较强的竞争力，不存在像蓄电池（可靠性与寿命，自重以及成本等）这类仍在进行研究与短期内较难以解决的技术问题，同时产品化后制造成本不会有大幅度的提高。由于其优越的性能（显著的节能效果及与之相关的低污染性能，车辆动力学特性的提高带来的高机动性、可控性以及主动安全性）及高性价比，而有着良好的应用前景，完全可以发展成为一类有特色、有优势、有市场的汽车。一种方案有其自己的特点和有点。可以根据不同的需要来选择其中的一种方案。下面给出三种主要的实现方案。方案1可以在客车的前后左右四个车轮各装一个变量马达。、电控单元 2、液压马达 3、车轮 4、发动机 5、液压泵 6、液压蓄能器7、液压管路 8、客车四个车轮上各装一个变量马达的基本方案图该种方案中四个变量马达可以同时或单独地进行工作。这主要取决于车辆的行驶工况需要，通过电控单元控制。车辆的驱动和制动由四个变量马达来实现。由于四个变量马达可以单独地进行工作，因此，该种方案可以大大提高车辆的操纵稳定性、通过性和制动性等。如车辆在加速行驶过程，左右车轮的地面附着系数不同的情况下（如在冰雪路面上，车辆的一边车轮在雪地上行驶而另一边的车轮在沥青路面上行驶，两边车轮上的地面附着系数是不同的，且相差甚大，可以通过调节左右车轮上变量马达的排量，从而调节左右车轮上的驱动转矩最大。限度地利用地面所能提供的附着力，使车轮不至于出现打滑现象。同样，在车辆制动过程中，也可以通过调节变量马达的排量来调节车轮上制动转矩的大小，防止车轮抱死。而且由于釆用了四个变量马达，由四个变量马达共同完成车辆的驱动行驶，因此，在相对于釆用两个变量马达的车辆来说，其变量马达的排量可以降低一倍。这样可以减小变量马达的体积，方便其在客车上的安装布置，这对于车轮上有限的空间来说是很有意义的。不过,由于在每个车轮上都装了一个变量马达,因此车辆的造价较高，且需要专门的轮边变量马达。实现车辆底盘的整体控制也较为复杂。方案2也可以只在客车的后桥上，左右车轮各装一个变量马达。其基本技术方案见下图。1、电控单元 2、发动机 3、液压泵 4、液压蓄能器 5、管路 6、车轮 7、液压马达8、客车左右后轮上各装一个变量马达的基本方案图两个变量马达可以同时或单独地进行工作，车辆的驱动由这两个变量马达来实现。当进行常规制动时，可以由这两个变量马达来完成。而在紧急制动时，责由前轮的常规制动装置和后轮的两个变量马达同时来完成。方案3还有一种方案是在车辆的驱动桥上主减速器前装一变量马达。由这个变量马达来实现车辆的驱动和常规制动。当需要紧急制动时，可以由前轮的常规制动装置来辅助完成。这是一种比较简化的方案，在原有客车底盘的基础上进行改装设计较为方便，且车辆底盘的一体化控制比釆用四个或两个变量马达的车辆的控制要简单一些。本课题所设计的新型电控液驱客车就是釆用这种方案。动机、液压泵、液压马达、液压蓄能器、液压阀等元件间的协调工作通过电控单元的合理控制来实现。课题以、发动机 2、液压泵 3、20、25单向阀 4、滤清器 5、8溢流阀 6、蓄能器7、液压单向阀 9、卸荷阀 10、液压缸 11、14高速开关阀 15、液压马达 16、变速器17、后桥 18、发动机转速传感器 19、21油温传感器 22、24油箱 26、型电控液驱客车总体方案图这里假设改装设计后客车的整车总质量不变，客车的轮胎半径、空气阻力系数和迎风面积也不变。由于变量马达的最高转速限制，为了使改装设计后客车的最高车速达到82km/h，于电控液驱汽车来说， 发动机的工作情况基本上和汽车负荷无关，因此，在保证改装设计后的客车和原客车有相同动力性的前提下，可以减小发动机的排量。这里发动机由原来的直列六缸柴油发动机以25动机的最大功率由147过对经济性，动力性等方面。选择出底盘布置方案，并画出系统原理图。原客车参数整车总质量(12200 主减速比 m) 气阻力系数 风面积(m) 147 最高车速(km/h) 90最大爬坡度(度) 16 百公里油耗(l) 23发动机型号 2512200 主减速比 m) 气阻力系数 风面积(m) 103 最高车速(km/h) 82最大爬坡度(度) 16 百公里油耗(l) 19发动机型号 统工作压力低，势必加大液压的结构尺寸，而由于客车的布置空间限制，不允许过低的工作压力，同时，从材料消耗角度讲也是不经济的。反之，压力选得过高，对液压元件密封、制造精度要求 就高，必然加大了制造成本。综合考虑客车的工作条件，据最高车速要求参考原车型的性能要求，确定电控液驱客车的预期动力性能要求，即的最髙车速、最大爬坡度及测试加速性能的方法。其中用以下两种方法之试车辆的加速性能：(1)车辆从0km/2)车辆从0据最高车速要求，由：6140 6140 (中： 传动效率滚动阻力系数，主减减速器上A 液压压马达所需的功- 空气阻力系数 重力加速度 汽车车的质以求得为了达到预期最高车速要求，液压马达所需的理论功率。根据最大爬坡度要求，由： mN 0 2 (中： 液压马达所需的转矩主减速器上的传动比汽车爬坡时的车速汽车的爬坡度 0 ( (m ( (4.6)mN i 由： (中压马达所需的理论转矩。根据以上分析计算可以选出三种分别符合各自条件的马达，然后从三者当中选出排量最大的，作为客车马达。，若要求客车的爬坡度为16度，般，马达的最髙转速将随之下降。此时的变量马达的最高转速只有100r/合考虑各种因素，初选变量马达的排量为180ml/r。其最高转速为2100r/： (动机最大转矩：由： T e (据发动机最大转矩：由： (得液压泵理论排量。根据发动机最大功率：由： (求得液压泵的理论流量：由： (选变量泵排量为100ml/r。最高转速在2700r/手册选取法兰和弹性联轴器的设计本设计采用法兰支架式联接。同时考虑本设计中的电动机与液压泵的联接在安装时产生同轴度误差带来的不良影响，常用带有弹性的联轴器。为了增加电动机与液压泵的联接刚性，避免产生共振，本设计把液压泵和电动机先装在刚性较好的底板上使其成为一体，然后底板加垫再装到液压油箱盖上。根据电机输出轴直径和柱塞泵输入轴直径无法选用标准的联轴器，所以自行设计梅花型弹性联轴器。选择液压油的时候，可以从以下几个方面来考虑：得液压油的温度升髙。因此要求液压油要有髙的抗燃性，即有高的闪点和自燃点。为了保证汽车有良好的乘坐舒适性要求液压油要有消除噪声的能力（空气溶解度、消泡性。同时要求液压浊对环境污染要小，没有毒性与气味。求液压油有高的极压承载力，高压下的润滑性能要好。汽车的工作温度随季节和地区的变化而变化，因此对液压油的粘度、粘一温特性、热稳定性和低温流动性要求较髙。金属和密封件的适应性，防锈和防腐蚀能力,抗氧化稳定性和剪切稳定性。用寿命长，易维护与保养。综合考虑液压系统的工作条件及液压泵和液压马达的要求，选择此选用耐高压钢管作为液压系统的管道。道内油液的流量可以根据液压马达的最大流量来计算。管子内径可以用下列公式计算： (中规定的推荐流速选取由于管道较短，取v=s。液压马达最大流量q=324L/算得管子内径d=30手册取d=32能器类型的选择蓄能器在液压系统中的主要功能是储存能量、吸收脉动压力、吸收冲击压力 以及短时大量供油等。从能量回收和液压系统对外界突发工况的适应能力来讲， 蓄能器的容积应尽可能的大。但是蓄能器的容积大带来的后果是结构尺寸大，重量大。因此蓄能器的容积受到了客车的布置空间及自身重