2094

самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и переферийными термоэмиссионными управляемыми токосъемами, при этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением переферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном.

4.3. Привод подъемно-транспортного средства

для внутрихозяйственных целей

Существующая система электропривода электропогрузчика (рис. 4.13) состоит из двух аккумуляторных батарей (8), коммутационного оборудования и мотор-колес.

Нами предлагается усовершенствовать данную конструкцию посредством установки вертикального инерционного электро-генератора (7) совместно с 2 аккумуляторными батареями (8), коммутационной аппаратурой и контроллером (5).

В исходном положении кинетическое кольцо находится в состоянии покоя, то есть не вращается. При включении приводного двигателя 8 муфта соединяется с валом привода и через шестерни редуктора раскручивает кинетическое кольцо до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, последнее аккумулирует максимальный заряд кинетической энергии, и приводной двигатель отключается. С этого момента кинетическое кольцо вращается свободно от приводного двигателя и передает часть заряда кинетической энергии через редуктор на вал привода. Энергия производит работу, вращает вал и через компенсатор мощности передает усилие энергии на трансмиссию транспортного средства. Через определенное время часть заряда кинетической энергии расходуется, и угловая скорость вращения кинетического кольца снижается. Достигнув нижнего предела угловой скорости вращения, автоматически включается приводной двигатель, который дораскручивает кинетическое кольцо до верхнего предела угловой скорости его вращения, кинетическое кольцо накапливает максимальный заряд кинетической энергии и приводной двигатель отключается. Далее процесс повторяется. Расчетное время движения автомобиля на одном заряде энергии может составлять более двух часов, величина заряда зависит от момента инерции данного кинетического кольца и скорости его вращения.

211

Рис. 4.13. Схема привода электропогрузчика:

1 – грузовые вилы; 2 – подъемная каретка; 3 – навес; 4 – место оператора; 5 – контроллер; 6 – колесо; 7 – инерционный электро-генератор; 8, 9 – аккумуляторные батареи; 10 – рулевое колесо; 11 – ведущее колесо; 12 – передний мост

На дораскручивание кинетического кольца затрачивается несколько десятков секунд, и транспортное средство останавливать для этих целей не обязательно.

212

5.РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ АВТОМОБИЛЯ

СТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОГИРОПРИВОДОМ

5.1. Обзор современных и перспективных систем тягового электропривода автомобилей

Впоследнее время перед человечеством встал ряд проблем, связанных

сзагрязнением атмосферного воздуха и снижением запасов нефти и газа, что в свою очередь привело к необходимости создания транспортного средства – экологически чистого автомобиля. Несмотря на последние достижения, технология создания и эксплуатации электромобилей развита недостаточно. Основным ограничением при эксплуатации электромобилей является небольшой пробег и значительное время зарядки аккумуляторной батареи.

Разработки по данному вопросу, как в нашей стране, так и за рубежом, ведутся в нескольких направлениях:

1) чистые электромобили (рис. 5.1,а), в которых нагрузка от аккумуляторных батарей 1, через блок управления 2 подводится к тяговому электродвигателю 3 и далее крутящий момент передается трансмиссии 4 и ходовой части;

2) чистые гиромобили (рис.5.1,б), в которых для передачи крутящего момента к ходовой части транспортного средства используется энергия, запасенная в маховике 5;

3) комбинированные схемы:

наиболее широко исследуются схемы (рис. 5.1,в), в которых для подзарядки аккумуляторных батарей 1 используются двигатель-генераторные установки (на основе двигателя внутреннего сгорания 6);

гибридная схема (рис. 5.1,г), где для вращения маховика 4 используется двигатель внутреннего сгорания 6 (около 40 % номинальной мощности).

Каждой из приведенных схем присущи недостатки, не позволяющие конкурировать с существующими автомобилями, которые приводятся от двигателя внутреннего сгорания.

Основными недостатками электро- и гиромобиля являются ограниченный запас хода, значительная масса аккумуляторных батарей (0,25–0,45 полной массы электромобиля, в зависимости от типа аккумуляторных батарей) и маховика (0,1 полной массы гиромобиля).

Комбинированные схемы электро- и гиромобилей с двигателем внутреннего сгорания оказались более работоспособными, массовый выпуск которых налажен в нашей стране и за рубежом. Применение таких комбинированных схем приводит к снижению загрязнения окружающей среды, но проблема решается лишь частично.

213

1

д

Рис. 5.1. Схемы электро- и гиромобилей:

а– чистые электромобили; б – чистые гиромобили; в – гибридная схема;

г– комбинированная схема; д – электрогиромобиль; 1 – аккумуляторная батарея; 2 – блок управления; 3 – тяговый электродвигатель; 4 – трансмиссия;

5 – маховик; 6 – двигатель внутреннего сгорания; 7 – генератор

И только третья комбинированная схема, которая включает маховик, электродвигатель и аккумуляторную батарею не нашла применения, так

214

как приводит к значительному увеличению веса транспортного средства. Этот недостаток устраняется путем объединения трех агрегатов в один (рис. 5.1,д), т.е. электродвигатель 3 и аккумуляторная батарея 1 выполняют роль маховика, в результате получаем преимущества электро- и гиромобиля.

Простое объединение и механическая передача крутящего момента с помощью трансмиссии ограничивает дальнейшее совершенствование привода транспортного средства, в направлении увеличения частоты вращения аккумулятора энергии, а соответственно и запаса хода транспортного средства.

Для увеличения запаса хода, предлагается привод электрогиромобиля (рис. 5.2) состоящий из аккумулятора энергии 1, аккумуляторных батарей 2, блока управления 3 и мотор-колес 4.

Рис. 5.2. Привод электрогиромобиля:

1 – аккумулятор энергии; 2 – аккумуляторная батарея;

3– блок управления; 4 – мотор-колесо

Впредлагаемом электрогиромобиле увеличение частоты вращения аккумулятора энергии 1 позволит снизить его массу. При этом возникает необходимость вынести часть аккумуляторных батарей 2 за пределы аккумулятора энергии. Применение бесконтактной подачи электроэнергии позволит значительно увеличить надежность работы привода электрогиромобиля.

Аккумулятор энергии (рис. 5.3) состоит из вакуумированного корпуса 1, к которому крепится магнитный подвес 8 и ось 7, к подвешенной части 9 магнитного подвеса крепится корпус ротора 10, в котором размещены аккумуляторные батареи 3, блок управления 2, магнитный подшипник 6 и обмотки 4 мотора-генератора. К оси 7 крепятся обмотки 4 статорной части мотора-генератора.

215

Рис. 5.3. Аккумулятор энергии:

1 – ваккумированный корпус; 2 – блок управления; 3 – аккумуляторная батарея; 4 – нижний электродвигатель-генератор; 5 – верхний электродвигательгенератор; 6 – подшипник; 7 – неподвижная ось аккумулятора энергии;

8 – нижняя часть магнитного подвеса; 9 – верхняя часть магнитного подвеса; 10 – корпус маховика

Привод транспортного средства работает следующим образом.

Перед началом движения транспортного средства производится зарядка аккумуляторных батарей, затем раскручивается аккумулятор энергии до максимальной частоты вращения, посредством мотора-генератора аккумулятора энергии от внешнего источника питания. Транспортное средство готово к работе. Энергия, накопленная в маховике преобразуется моторомгенератором аккумулятора энергии в электроэнергию и передается через блок управления к тяговому мотору-генератору, таким образом, происходит снижение энергии накопленной в маховике. Для вращения аккумулятора энергии, используется энергия, запасенная в аккумуляторных батареях, которая подается мотору-генератору, работающему в данный момент, в двигательном режиме. Для движения транспортного средства в этот момент используется энергия от аккумуляторной батареи. По окончании подкручивания аккумулятора энергии, мотор-генератор работает в генераторном режиме и подпитывает аккумуляторные батареи и мотор-генератор.

Для достижения максимального технико-экономического эффекта при внедрении в конструкцию транспортного средства мотор-колес необходим комплексный подход к оценке последней. Переход с традиционной системы тягового электропривода на систему мотор-колесо требует серьёзных изменений конструкции транспортного средства, способствующих уменьшению его массы и повышению эксплуатационной надёжности. Предполагается использование современных и перспективных компонентов (узлов и агрегатов), а также методик проектирования с тем, чтобы спроектирован-

216

ное мотор-колесо удовлетворяло техническим требованиям, предъявляемым к нему, по завершении процесса проектирования и доводки, в течение 10–15 лет эксплуатации.

При движении транспортного средства под уклон и при вынужденном торможении происходит рекуперативное торможение, сохраняющее до 20 % энергии. Тем самым при неизменной массе привода транспортного средства энергоемкость его значительно увеличивается.

В предлагаемом электрогиромобиле увеличение частоты вращения аккумулятора энергии позволит снизить его массу, увеличить запаса хода, уменьшению массы аккумулятора энергии, снижению вредных выбросов в атмосферу. Применение бесконтактной подачи электроэнергии приведет к увеличению надежности работы привода электрогиромобиля, снижению шума работы привода.

На современном этапе развития применение экологически чистых автомобилей ограничено. В тоже время для снижения загрязнения в местах наибольшего скопления автомобилей, а также для внутрихозяйственных перевозок применение электромобилей актуально.

Мотор-колесо – исполнительный механизм системы тягового электропривода колёсного транспортного средства. В мотор-колесе осуществляется преобразование электрической энергии, отбираемой из контактной сети, аккумуляторной батареи, электрохимического генератора или вырабатываемой двигатель-генераторной установкой, в механическую энергию, реализуемую при движении транспортного средства.

Мотор-колесо представляет собой отдельный агрегат, конструктивно объединяющий в ограниченном монтажном объёме следующие элементы исполнительного механизма:

тяговый электродвигатель;

механическую передачу, состоящую из редуктора и механизма соединения вала электродвигателя с ведущим звеном редуктора;

колесо, состоящее из шины, обода, диска и ступицы;

опорные подшипники колеса;

механический тормоз с соответствующим приводом;

элементы уплотнения полостей редуктора, подшипников колеса, а иногда и полости мотор-колеса;

элементы механизма подвески мотор-колеса к раме транспортного средства;

элементы системы поворота (для управляемых мотор-колёс). Характерная особенность мотор-колеса – рациональная компоновка,

при которой электродвигатель полностью или частично размещён внутри обода непосредственно у колеса, а также сведены к минимуму число и размеры деталей механической передачи.

217

Предпосылки к применению в городском транспорте (автобусе и автобусе с электрической передачей) тягового электропривода по системе мо- тор-колесо заключаются в следующем:

снижение общей массы электропривода;

снижение числа деталей и узлов механической передачи, ведущее к повышению КПД и надёжности;

возможность бесступенчатого регулирования силы тяги (по сравнению с механической передачей автомобилей);

улучшение планировки салона за счёт снижения уровня пола до 360

мми менее (в сочетании с независимой подвеской);

Основным недостатком этого типа электропривода является повышенная масса неподрессоренных частей. Однако при использовании независимой подвески и электродвигателя с высокой удельной мощностью можно добиться снижения массы до уровня массы неразрезного ведущего моста с механической передачей.

5.2. Концепция автомобиля с тяговым электроприводом системы мотор-колёсо

В тоже время это приводит к необходимости создания новой независимой подвески для городских автомобилей (рис. 5.4). Новая подвеска рассчитана на осевую нагрузку 7,5 т и занимает намного меньше места: ширина одной стороны составляет всего 900 мм. Подвеска оборудуется дисковыми тормозами и может использоваться на машинах шириной до 2,55 м. При этом собственный вес оси на 100 кг меньше по сравнению с балочной. Результаты стендовых и дорожных испытаний подтвердили, что надежность и долговечность новой подвески не вызывает сомнений. Визуальное изучение представленного фотоматериала позволило прийти к выводу, что, несмотря на значительную осевую нагрузку, детали подвески имеют небольшие сечения и массу. Подвеска выполнена по классической схеме на двойных поперечных рычагах с упругими пневмоэлемементами и телескопическими амортизаторами.

Также существует задняя независимая подвеска городского автомобиля с мотор-колёсами и электрической передачей (рис. 5.4, а). Подвеска выполнена по классической схеме, однако электродвигатели мотор-колёс сильно выступают внутрь из монтажного объёма обода, поэтому ширина монтажного пространства одного мотор-колеса составляет 800 мм, а ширина прохода в салоне в зоне задней подвески не превышает 900 мм, что затрудняет планировку салона. Вышеупомянутая конструкция сравнивается с перспективной разработкой вариоколеса, представляющего собой вариатор, размещённый в монтажном пространстве обода и приводимый от

218

внешнего источника механической энергии (рис. 5.4 б). Ширина монтажного пространства одного вариоколеса составляет 650 мм, а ширина прохода в зоне задней подвески достигает 1200 мм.

а

б

Рис. 5.4. Задняя независимая подвеска для городского автомобиля с мотор-колёсами (а); задняя подвеска с вариоколёсами (б)

Для достижения максимального технико-экономического эффекта при внедрении мотор-колес в конструкцию автомобиля необходим комплексный подход к оценке последней. Переход с традиционной системы тягового электропривода на систему мотор-колесо требует серьёзных изменений конструкции автомобиля, способствующих уменьшению его массы и по-

219

вышению эксплуатационной надёжности.

В настоящей работе предполагается использование современных и перспективных компонентов (узлов и агрегатов), а также методик проектирования с тем, чтобы спроектированное мотор-колесо удовлетворяло техническим требованиям, предъявляемым к нему, по завершении процесса проектирования и доводки, в течение 10–15 лет эксплуатации.

Расчёт узлов и агрегатов следует по возможности производить с использованием различных САПР с тем, чтобы сократить время вычислений и повысить их точность. В настоящей работе использованы программы SRDaS для расчёта тягового электродвигателя и ShaftPlus5 для механической передачи. Подготовка конструкторской документации производилась в среде проектирования КОМПАС 3D. Мотор-колесо выполнено не в привычном виде плоских чертежей, а в частично параметрической твердотельной модели в соответствии с современными стандартами трёхмерного проектирования.

Под компоновкой мотор-колеса понимают последовательность расположения его элементов в монтажном объёме, ограниченном посадочным диаметром шины, габаритным размером по ширине транспортного средства и пространства с внутренней стороны мотор-колеса. Основная задача, возникающая при компоновке, заключается в размещении всех необходимых элементов мотор-колеса в ограниченном монтажном объёме с обеспечением доступа к тем элементам, которые требуют осмотра и обслуживания в процессе эксплуатации.

Компоновка мотор-колеса оказывает большое влияние на его конструктивные и эксплуатационные свойства, в частности, на осевой размер и массу. Поиск рациональной компоновки является тем этапом проектирования мотор-колеса, на котором принимают принципиальные решения, вводящие последующий процесс конструирования агрегата в определённые и достаточно узкие границы с точки зрения выбора тех или иных частных конструктивных решений. Конструкторская проработка отдельных узлов мотор-колеса лишь развивает принятое компоновочное решение.

Для современных методов рациональной компоновки мотор-колёс характерно уменьшение до минимума свободных полостей в монтажном объёме. В подавляющем большинстве новых разработок чётко выражена тенденция к уменьшению осевого размера мотор-колеса, хотя есть и отдельные исключения.

Анализ современных конструкций мотор-колес, систем тягового электропривода и компонентов шасси транспортных средств позволил сделать следующие выводы:

1. Основное распространение имеют две основные кинематические схемы – безредукторная с тихоходным многополюсным электродвигателем, и с быстроходным электродвигателем и редуктором. Первая схема

220