1523

УДК 629.027

С.А. Штырхун, В.А. Дюнов

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА СИСТЕМ ПУСКА

Рассмотрены перспективы развития конструкций систем электрического пуска двигателей внутреннего сгорания путем применения аккумуляторов на основе графеновых конденсаторов.

Ключевые слова: автомобиль, система пуска, графен, аккумуляторная батарея, суперконденсатор, ионистр, импульсный конденсатор.

S.A. Shtyrkhun, V.A. Dyunov

PERSPECTIVE DEVELOPMENT COMBINED POWER SUPPLY

FOR STARTING SYSTEM

Through the installation of the graphen supercapacitor for vehicles starting

system.

Keywords: vehicle, starting system, grapen, accumulator battery, supercapacitor, ionistor, impulse capacitor.

Пуск двигателей автомобильной техники вызывает особые затруднения в зимний период, что особо актуально для военной техники, находящейся в эксплуатации в холодных климатических зонах, где она осложняется в ряде случаев разряженностью аккумуляторных батарей и невозможностью их хранения в теплых помещениях до осуществления пуска двигателя. Вышеуказанные причины особенно актуальны для военной техники, так как они могут стать причиной срыва поставленных боевых задач и привести к потерям.

Для повышения эффективности использования автомобильной техники улучшаются пусковые качества двигателей внутреннего сгорания (ДВС) за счет повышения технических характеристик систем электростартерного пуска, которые постоянно совершенствуются путем оптимизации конструкций стартеров и разработки новых необслуживаемых стартерных свинцовых аккумуляторных батарей с высокими электрическими характеристиками.

671

Анализ мировых тенденций производства аккумуляторных батарей показывает, что все зарубежные производители перешли на выпуск нового поколения необслуживаемых батарей с высокими удельными энергетическими характеристиками. Серийно выпускается ряд модульных батарей, позволяющих сократить время приведения образцов военной техники к боевому использованию.

В настоящее время во внутренних войсках не полностью решена проблема излишне большого типоразмерного ряда аккумуляторных батарей. Такое большое количество типов батарей, применяемых на объектах военной техники, обусловлено ранее сложившейся практикой разработки аккумуляторных батарей под конкретный объект применения. Применяемые батареи имеют по-прежнему невысокий технический уровень, уровень унификации и взаимозаменяемости при схожих электрических и массогабаритных показателях. Сохраняется и практика хранения повышенного количества запасов аккумуляторных батарей на базах и складах.

Опыт эксплуатации и хранения различных типов аккумуляторных батарей для военной автомобильной техники показывает назревшую необходимость коренного пересмотра типа аккумуляторных батарей, идущих на снабжение внутренних войск МВД России, с целью его значительного сокращения.

Значительное уменьшение номенклатуры аккумуляторных батарей, их унификация для образцов техники возможны при использовании модульного принципа построения источников тока.

Одним из способов решения существующей проблемы может быть использование импульсных конденсаторов совместно с аккумуляторными батареями. Импульсный конденсатор является мощным импульсным источником вторичного тока и по зарядно-разрядным характеристикам представляет собой конденсатор сверхбольшой емкости с малым внутренним сопротивлением.

При использовании конденсатора совместно с аккумуляторной батареей в качестве источника электрической энергии обеспечивается необходимый импульс тока в период пуска двигателя для холодной прокрутки коленчатого вала двигателя. После пуска производится заряд конденсатора генераторной установкой или аккумуляторной батареей. При необходимости возможен заряд конденсатора от внешнего источника питания.

672

Процесс разряда комбинированного источника тока, включающего полностью заряженную батарею-модуль и накопитель энергии током 600 А, изображен на рис. 1 [1]. Исследования показывают, что при температуре минус 30 °С в момент подключения разрядного устройства 76 % токовой нагрузки приходится на накопитель энергии, который за первую секунду отдает 64 % энергии. С течением времени количество энергии, отдаваемой накопителем энергии, снижается. За цикл разряда продолжительностью 15 с всего 24 % отдаваемой энергии приходится на накопитель энергии, однако объем энергии, отдаваемый в первые секунды пуска накопителем энергии, значителен и существенно облегчает пуск.

Рис. 1. Процесс разряда комбинированного источника тока током 600 А: 1 – ток аккумуляторной батареи; 2 – ток накопителя энергии; 3 – напряжение комбинированного источника тока; 4 – напряжение аккумуляторной батареи (без накопителя энергии)

Конденсаторы также являются высокоэффективными элементами подавления скачков напряжения в бортовой сети автомобиля, значительно повышая сроки службы автомобильной электроники в процессе ее эксплуатации [2].

Применение комбинированной системы пуска для запуска двигателя внутреннего сгорания позволяет решить ряд следующих задач:

понижение максимального разрядного тока аккумуляторной батареи в начальный момент пуска двигателя, что увеличивает срок службы аккумуляторной батареи;

673

повышение надежности запуска двигателя при повышенных

ипониженных температурах окружающей среды;

пуск двигателя с разряженной аккумуляторной батареей;

возможность применения аккумуляторных батарей уменьшенной емкости;

возможность временно эксплуатировать автомобиль без аккумуляторной батареи.

Импульсные конденсаторы имеют ряд достоинств:

– пожаро- и взрывобезопасность;

– высокая механическая прочность;

– малые габариты;

– устойчивость к кратковременным воздействиям высоких перенапряжений и токам короткого замыкания;

– работа без обслуживания до 10 лет;

–высокая степень надежности запуска двигателя при высоких

инизких температурах.

Использование накопителя значительно повышает ресурс аккумуляторной батареи, снижает нагрузку на нее, позволяет осуществлять в течение некоторого времени пуск двигателя при отсутствующей или поврежденной аккумуляторной батарее, что способствует повышению срока работоспособности машины при выходе из строя основных источников энергии при необходимости выполнения ею служебно-бое- вых задач [3].

Современные накопители энергии, как правило, изготовлены из высокопористого углерода, пропитанного жидким электролитом, имеют очень большой срок службы и заряжаются за считанные секунды. Существенным недостатком является низкая плотность хранения энергии – около 7–9 Вт·ч/л, что затрудняет использование их на технике. К настоящему времени разработан суперконденсатор с плотностью хранения энергии 60 Вт·ч/л. Он в 4–6 раз ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, сопоставим с характеристиками свинцово-кислотных аккумуляторов и в 12 раз выше, чем у серийно выпускаемых суперконденсаторов.

Одним из современных направлений развития является создание конденсаторов на основе графена. Такие разработки ведутся австралийскими учеными. Используется технология капиллярного сжатия гелеобразных графеновых пленок в присутствии жидкого электролита,

674

что аналогично промышленному способу изготовления бумаги и облегчает внедрение новой технологии в массовое производство (рис. 2).

Рис. 2. Поверхностный слой графена суперконденсатора

Благодаря данному подходу возможно создание графеновых листов с высокой плотностью и четкой прослойкой субнанометрового уровня между листами. При этом жидкий электролит играет двойную роль, сохраняя минимальный зазор между листами графена и проводя электрический ток.

Первичные лабораторные измерения показали удельную емкость конденсаторов более 150 Ф/г и энергоплотность, которая превышала в 64 Вт·ч/кг при плотности тока 5 А/г. При уменьшении плотности тока в два раза показатели составили 195 Ф/г и 83,4 Вт·ч/кг с временем разряда 69 с. Полученный результат существенно превосходит показатели выпускаемых в настоящее время суперконденсаторов. Однако он по-прежнему уступает показателям литий–ионных батарей с накопительными свойствами от 100 до 200 Вт·ч/кг. Существенным преимуществом суперконденсатора является время заряда, составляющее всего 16 с, что невозможно для литий-ионных аккумуляторов, которым необходимо значительно большее время, а также число рабочих циклов «заряд – разряд», составляющее более 10 тысяч раз. Возможно соединение графеновых суперконденсаторов в батареи для достижения необходимых характеристик накопителя энергии [4].

Использование графеновых конденсаторов в качестве вторичного источника тока при использовании модульного соединения конденсаторов в моноблок позволит существенно повысить характеристики систем электрического пуска, обеспечить повышение надежности

675

и долговечности работы аккумуляторных батарей, гарантированно осуществлять пуск холодного двигателя и использовать на автомобилях аккумуляторные батареи значительно меньшей емкости, с меньшими габаритными размерами и массой.

Список литературы

1.Лебедев С.А. Комбинированный источник тока для систем электростартерного пуска двигателей военной автомобильной техники: монография. – Рязань: Изд-во Рязан. воен. автомоб. ин-та, 2010. – 235 с.

2.Макарихин А.В. Разработка методики расчета и совершенствования параметров систем пуска автомобилей семейства ЗИЛ: дис. … канд. техн. наук. – М., 2006.

3.Березин А. Суперконденсаторы на графене установили новый рекорд // Электронная версия энциклопедии «Энциклопедия Кирилла

иМефодия». – URL: http://compulenta.computerra.ru/tehnika/devices/ 10010036 (дата обращения: 10.10.2015).

4.Интелион. Интеграция литий-ионных технологий [Электрон-

ный ресурс]. – URL: http://intelion.org/news/graphene-super-capacitor- cells (дата обращения: 10.10.2015).

Об авторах

Штырхун Сергей Андреевич – курсант факультета технического обеспечения, Пермский военный институт внутренних войск МВД России, e-mail: kpblckoo@mail.ru.

Дюнов Василий Александрович – кандидат технических наук,

старший преподаватель кафедры конструкций автобронетанковой техники факультета технического обеспечения, Пермский военный институт внутренних войск МВД России, e-mail: bearn@mail.ru.

676

УДК 621.313-624.04

Р.И. Юртаев, В.А. Чудинов, В.И. Кычкин, В.М. Дмитренко, А.М. Щелудяков

РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ МЕТОДА АНАЛИТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ТРАНСМИССИИ

Рассмотрена конструкция трансмиссии ведущих колес переднеприводных автомобилей, представлена структурная схема для определения спектра собственных частот крутильных колебаний. Использован метод аналитического определения собственных частот на основе дифференциальных уравнений крутильных колебаний. Приведены результаты имитационного моделирования.

Ключевые слова: трансмиссия автомобиля, структурные элементы, расчетная схема, аналитический метод.

R.I. Yurtaev, V.A. Chudinov, V.I. Kychkin,

V.M. Dmitrenko, A.M. Shcheludyakov

DEVELOPMENT AND VALIDATION OF ANALYTICAL METHOD OF DETERMINING THE SPECTRAL COMPOSITION OF THE NATURAL

FREQUENCIES OF TORSIONAL VIBRATION TRANSMISSION

The design of the transmission of the drive wheels and front-wheel drive is a block diagram for the spectrum of the natural frequencies of torsional vibrations. The method of analytical determination of natural frequencies on the basis of differential equations of torsional vibrations . The results of the simulation.

Keywords: transmission of the car, the structural elements, design scheme, the analytical method.

Частота динамических процессов силового воздействия на детали и элементы конструкции автомобилей является важной характеристикой нагруженности. Совместно с динамикой поведения систем она учитывается при расчете циклической долговечности реальных объектов [1]. Исследования частотной структуры реакции деталей и конструкций автомобилей включают в себя определения собственных час-

677

тот и форм колебаний сложных механических систем, к числу которых относится трансмиссия переднеприводных автомобилей.

Основные углы передачи моделируются в данной работе в виде простых геометрических примитивов (вал, диск) с использованием габаритных размеров и масс и присвоением им соответствующих осевых моментов инерции (рис. 1).

Рассматривается голономная система, т.е. такая, которая имеет геометрические связи, не зависящие от времени. Обобщающей координатой являются угловые перемещения i .

При наличии в системе масс и упругих связей с линейной восстанавливающей силой и при отсутствии внешних сил система совершает собственные колебания. Рассматриваются малые (линейные) колебания, которые описываются дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами [2].

При действии на систему периодических внешних сил или ударных и импульсных нагрузок система будет совершать вынужденные колебания. В связи с этим возникает необходимость определения частот собственных колебаний, так как амплитуда колебаний при резонансе возрастает существенно.

Источниками механических колебаний являются неуравновешенные вращающиеся элементы конструкции, подшипники качения, узлы соединения элементов, колеса автомобиля (рис. 2).

Основные причины колебаний, возбуждаемых подшипниками, – это циклические изменения жесткости элементов узла и геометрические несовершенства этих элементов и их посадочных мест, допущенные при изготовлении и сборке. Параметры условий вращающих сил зависят от условий работы подшипников, геометрических размеров, технологических отклонений элементов (рис. 3).

Особую роль в формировании комбинации сил, действующих в различных направления и имеющих различный уровень в процессе эксплуатации, являются пневматические колеса АТС. Интенсивность возрастания колебаний определяется переменными процессами взаимодействия шины колеса с дорожным покрытием, которое, в свою очередь, имеет поверхностные волны различной длины, участки: трещины в покрытии и выбоины, загрязненность поверхности дороги, что является причиной изменения коэффициента сцепления, режимов работы рулевых колес. Все это приводит к появлению на выходе механической системы переменных моментов сопротивления (нагрузок).

678

Таким образом, уточненный анализ гармонических и импульсных нагрузок на колесо автомобиля позволяет эффективно устранять вибрации узлов АТС, тем самым обеспечивать снижение риска работы агрегата в резонансных зонах (рис. 4, 5).

Рис. 1. Привод переднего колеса: 1 – корпус наружного шарнира; 2 – стопорное кольцо обоймы наружного шарнира; 3 – шарик наружного шарнира; 4, 6, 9, 16 – хомуты крепления чехла; 5 – чехол наружного шарнира; 7 – динамический демпфер; 8 – вал привода переднего колеса; 10 – чехол внутреннего шарнира; 11 – ступица внутреннего шарнира; 12 – ролик внутреннего шарнира; 13 – корпус внутреннего шарнира; 14 – стопорное кольцо внутреннего шарнира; 15 – стопорное кольцо ступицы внутреннего шарнира; 17 – обойма наружного шарнира;

18 – сепаратор наружного шарнира

Рис. 2. Размещение узла трансмиссии на базе переднеприводного автомобиля

679