车辆液压辅助动力系统设计毕业论文.doc
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1、第1章 绪 论随着国民经济的迅速发展,汽车成为重要的交通工具已越来越广泛的运用于日常生活中。但其所带来的问题也是不容忽视的。首当其冲的便是能源的过度消耗和环境的污染问题。本章主要介绍了汽车面临的问题及解决办法,并介绍了新型节能汽车的国内外发展情况。1.1 汽车工业发展所面临的问题 汽车是重要的交通工具,是科学技术发展水平的标志。汽车工业是国民经济的支柱产业,对社会的经济建设和科学技术的发展起着重要推动作用。另外,汽车也是社会物质生活水平的标志。自第一辆汽车18“年问世以来至今己100多年,汽车工业从无到有,迅猛发展,产量大幅度增加,技术日新月异。目前全世界汽车的保有量已超过5亿辆。虽然汽车工业
2、发展良好,前景光明,但也面临着不少问题急待解决。传统的汽车驱动系统多采用机械操作系统,在汽车刹车、怠速和下坡时会损失大量的能量。而大量能量的损失会导致一系列问题1。1.1.1 能源问题 近年来,能源问题的阴影己笼罩着全世界,能源问题已成为世界各个国家共同关注的焦点问题。自1972年第一次石油危机以来,在世界范围内接连发生了第二次和第三次石油危机,再加上世界主要产油地区海湾地区战火不断,极大的影响了世界石油供应。能源问题己成为关系国家经济命脉的头等重要问题。如何有效的利用能源己成为世界科学家与工程师们普遍关注的问题。与其它国家相比,正处于发展中的我国的能源消耗巨大,平均以每年3%的速度递增。1.
3、1.2 环保问题无独有偶,与能源危机相伴而来的是环保问题。当今世界是和平与发展的年代,在总体和平的背景下,各国经济情况较好,物资生活水平迅速提高。可是,随着国民经济的迅速发展,大量人为排放的废水废气、噪音、无节制地取用地下水、没有计划的开发资源已严重破坏了自然界的生态平衡,酸雨、洪涝、干旱、各种罕见疾病等如洪水猛兽般不断出现,对人们的日常生活带来严重的影响,环境保护成为社会日益关注的问题。在我国,据国家环境监测机构对全国1999年各大中城市环境污染所做的报告显示:在被调查的338个城市中,只有33.1%的城市的空气状况满足国家空气质量二级标准,另外66.9%的城市超过国家空气质量二级标准。在这
4、中间,还有137个城市超过国家空气质量三级标准,占所统计城市数目的40.5%。在对大气的主要污染物总悬浮物(TSP)的调查中,有60%的城市的TSP浓度值超过国家二级标准。在对另一项污染物二氧化碳浓度的调查显示,年均值超过国家二级标准的达到28.4%左右。一些大城市机动车排放的污染物对各项大气污染指标的贡献率达到60%以上。全国有80%的城市的主要交通干线噪音超标,超过70分贝。在这方面,数目大的惊人的汽车无疑是罪魁祸首之一。汽车排房物中有大量的有害物质,包括碳氧化合物,氮氧化合物和黑烟等等2。另外,在当代的城市中,由于汽车刹车、启动频繁,经常鸣笛,从而为都市的生活造成了很大的噪音。即使汽车在
5、一般的行驶过程中其噪音也达到了8090分贝。一般的噪音会影响人的工作效率,引起人的烦恼。噪音达到35分贝以上的时候就会影响人的睡眠休息,甚至分致耳聋或其它疾病,从而导致一系列的恶性后果,严重影响人们的正常生活。1.2 节能环保汽车的发展情况节能汽车在当今我们这个提倡节约的社会越来越被人们广泛关注。各种各样节能型汽车的不断出现为汽车工业的可持续发展提供了良好的开端。本节主要介绍国内外几种形式的节能汽车发展情况及程度,在了解其基本情况的基础上可拓展一下我们的视野和思维。1.2.1 总体发展思路实施汽车排放清洁的方式很多,比如提高油的品质、在燃油中加入添加剂。但通过汽车技术创新来实现环保的思路只有三
6、条:一是在传统汽车的基础上进行技术改造;二是开发全新的汽车,利用新能源;三是安装净化装置。其中,技术改造包括电控喷射技术,半导体辅助点火系,无触点点火系,微机控制点火系和无分电器点火系。开发新能源包括电动汽车,太阳能汽车,氢动力汽车,醇类燃料汽车和天然气汽车。安装净化装置包括催化式净化器,陶瓷微粒捕集氧化器,静电微粒捕集器和袋滤器等。 1.2.2 国外发展情况在国外,以节能驱动为目的的研究发展情况主要如下: 一种以发动机长时间处于经济工况为目的的复合驱动系统(即在相对于同等车型的底盘上装用小功率发动机,在不失动力性的同时获得较高经济性的技术)研究已有很长时间,并取得相当的成功。上世纪七十年代末
7、期和八十年代初期,原联邦德国的大众和美国的福特公司开始分别在Pinto和Chico小轿车上、原联邦德国的Mannesmann Rexroth加Hydromati。两家公司在公共汽车上进行了节能的有关研究工作,前苏联也进行了类似的工作。概括起来有静液压传动的飞轮蓄能的电力复合驱动和特殊异步电机控制蓄电池组蓄能的电力复合驱动两种型式。试验结果表明,静液压飞轮复合驱动可使每循环(加、减速循环)平均油耗降低约30;电力复合驱动平均循环节约油20,同时,提高了汽车的加速性能,延长了其使用寿命。到了九十年代,随着液压和电动技术的发展,世界许多汽车公司加紧了对复合驱动汽车的研制和开发。俄罗斯的阿兹勒克A3J
8、TK一2141和拉斯J1A3一4202公共汽车运用成熟的技术开发了小功率发动机加储能器的复合驱动装置,油耗分别下降了29%62%和18%42%。9496年俄罗斯依热大斯克车辆厂采用铅酸电池作为电能储存器,发动机油耗比原车型降低21%以上,在车辆的燃油经济性得到了可观提高的同时,排放也得到了人大的改善,二氧化碳的排放率下降50%, CO, HC和NO、只有传统发动机的1/10,且有良好的加速性,反应更加灵敏。另外,美囚的通用福特、克莱斯勒在九十年代中期与美国能源部投资上亿美元开发复合驱动项目研究,最近俄罗斯专家提出用电容器储能装置研究复合驱动汽车,其优点是质量功率大,并能在数秒内存储和释放能量。
9、随着世界性油料紧张,价格上涨,尾气排放限制越来越严格;复合驱动是今后汽车节约传动的一种发展趋势。美国PNGV(美国政府和汽车工业界的合作契约的简称)计划十年内开发出三倍与目前燃料效率的汽车,其研究主要从三个方面着手,一是提高燃料转换成机械能的效率,二是降低车重减少汽车对能量的要求,三是实现再生制动,将减速及制动过程损耗的能量回收利用。最近,瑞士科学家又研制成功了一种新型的节能环保车。据俄罗斯国际传媒新闻网的报道,瑞士联邦工程大学利诺顾泽拉教授带领的专家小组近日研发、制造出了世界上消耗燃料最低的汽车并给它起名为Pac-Car,如图1.1所示。顾泽拉教授介绍说,Pac-Car中运用了目前世界上先进
10、的氢气动力技术。只需要8升燃料,人们就可以驾驶这种汽车环游世界一周!此外,这种汽车的另一大优点就是,它在公路上行驶时绝对不会污染环境3。图1.1 氢动力汽车1.2.3 国内发展情况在国内,汽车的节能技术研究开展了很长一段时间,取得了一定成就。但多局限于内燃机的个别系统。以运行的车辆整体为研究对像,通过回收被损失的机械能予以再利用的义合驱动途径改善车辆燃料经济性、动力性、环保性的研究尚不多见。另外,还有一种采用二次调节静液传动的系统其功能与复合驱动系统似,二次调节静液传动是德国学者H.W.Nilaus提出的一种新型静液传动技术,它利用驱动元件(液压马达/泵,也称为二次元件)能够工作在由其输出转速
11、和输出转矩构成的直角坐标系中四个象限的特点,把工作系统的惯性能和重力能回收并储存.在需要时再将所储存的能最释放。此外,该系统还具有调节方便、易对多种参数(如转速、转矩和功率)进行控制等优点,可广泛地应用于车辆的驱动中,尤其在频繁刹车、起动的城市公交车辆中,它可以极大地提高系统效率,节约能源。在国内哈尔滨工业人学对其进行了大量研究,取得了一些成果。我国的新型的电动节能轿车的开发和研制也取得了很大的进展,华中科技大学研制成功了一种这类车辆。据介绍,这种纯电动轿车的驱动系统是该校自行研制的开关磁阻电机及其控制器,采用了与世界先进水平保持同步的全数字化高性能控制技术,并具有明显的性能与价格优势。动力源
12、为高性能锂离子电池。传动系统取消了离合器,专门设计制作了传动箱,无须手动变速,操作方便。该汽车具有电机能量回收制动系统和机械制动系统,一次“能量补给”能续驶250公里,适合于各种路况,具有零排放、低噪音、运行平稳、出力大、自动调速、快响应等明显特点。现在国家对小排量汽车也取消了限制,建立能源节约型,环境友好型的社会已经成为了一个热门话题,前不久,国务院办公厅转发了国家发改委等六部委联合发布的关于鼓励发展节能环保型小排量汽车的意见,要求取消一切针对节能环保型小排量汽车在行驶线路和出租汽车运营等方面的限制,小排量汽车的发展再次成为业内关注的焦点。发展节能环保小排量汽车是一件鱼与熊掌能够兼得的利国利
13、民的好事。既能发展汽车工业,又可缓解能源资源短缺的压力,既能促进中国经济持续快速发展,又可满足广大消费者消费结构升级过程中的需求。他说,发展经济型的环保小排量汽车,要致力于消除体制性、政策性、观念性等多重障碍,通过财政税收等体制改革、加大对节能环保型小排量汽车研发的支持力度、更新消费者消费观念等手段,为节能环保型小排量汽车的发展创造一个好的体制环境、政策环境和发展环境。相信我们的节约环保汽车的前景会更加的美好3。1.3 液压节能驱动技术在汽车上的应用 车辆行驶过程中,按着起步、加速、匀速、减速和制动等工况循环交替地工作。 车辆在减速、制动工况,实质上是将其在上一工况行驶中具有的机械能借助空气阻
14、力、道路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使机械能量被浪费掉,制动系统磨损,而且,发动机处于强推怠速工况,燃烧及排放恶化。 车辆在加速与上坡工况,发动机处于大负荷甚至超负荷状态,混合气浓度大,耗油量加大且燃烧不完全现象加剧。导致油耗大且加剧环境噪声与废气污染。 起步工况,车辆状态由静到动,由于惯性载荷大(尤其对大、中型车辆),导致耗油多,冲击力大。在汽车的减速及制动过程中若减速度大于车辆在该车速、环境、路况下自由滑行的减速度,则该过程中即有可回收利用的惯性能量(通过发动机制动、制动器制动所消耗的能量)。由上述分析可见,如果将车辆在减速制动工况损失的机械能加以回收,使发动机处于正常
15、的怠速工况:然后在车辆起步、加速、爬坡等工况子以释放,帮助发动机工作,使发动机更长时间处于经济工况下运转。这样不仅可以节约油料,提高动力性,减少装车功率,延长车辆使用寿命,而且还可以减低噪声和废气对环境的污染。1.4 液压节能驱动技术的发展前景液压混合动力技术是指在不改变传统客车底盘结构和发动机的前提下,通过在底盘上加装一套液压再生驱动总成,使大部分通常被浪费掉的制动能量有效回收储存、并利用在车辆起动和加速上,从而达到节约燃油、降低排放、减少发动机和制动器磨损的作用。 产品特点和优势:减少30%(最高可达42%)的燃油消耗;减少50%的尾气排放;减少80%的制动维修费用;减少50%的发动机磨损
16、;增加50%的制动力;增加40%的加速力;减少50%的运行费用;价格便宜,整车成本增加不超过30%;维修保养操作简便,一般车辆维修厂均可对该产品进行维修保养技术创新性:液压装置上,采用新的液压网络节能理论新的节能控制策略该总成采用国际标准工业通讯CAN总线进行计算机智能控制。市场现状和前景:液压再生能量驱动装置具有很广阔的市场切入面,具有投入小,见效快的特点。既可以对在用车进行改造,也可以作为新车的一个可选择的配置直接装备在新车上。对在用车进行改造的主要产业链群体为各地公交运营公司,而装备于新车的主要产业链群体是客车生产厂家和底盘生产厂家。以北京公交为例,北京公交目前拥有公交运营车辆1万8千多
17、辆,每年燃油费用高达10亿元人民币,如果全部安装上液压再生驱动总成,每年可为公交节省3-4亿元的燃油费用。如果推广至全国,市场前景将相当可观。另外,再加上系统的节能与环保方面的优势,更是能给社会带来巨大的经济效益和社会效益。 第2章 车辆液压节能驱动系统工况分析液压系统的设计有着明确的规范和要求,而对整个系统所进行的工况分析是必不可少的。只有在明确系统的工作情况后才能进行具体的改造和设计。本章主要介绍了汽车的工作情况及各方面的性能要求,以便设计参考。2.1 液压节能驱动系统的设计要求设计液压系统时,首先要明确主机对液压系统的要求,具体包括4:1、主机的动作要求 是指主机的哪些动作要求用液压传动
18、来实现,采用哪种类型的执行元件,各执行元件间的动作循环及其动作时间是否需要同步,互锁等。2、主机的性能要求 是指主机对采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求。各执行机构在各工作阶段所需的力和速度的大小,调速范围,速度的平稳性,动作周期等方面都必须有明确的数据。对要求高精度,高生产力及自动化程度高的主机,还要提出静,动态指标的要求。3、主机的使用条件和工作环境 如环境温度的变化范围,作业场地等情况,灰尘状况等;周围有无易燃物质和腐蚀气体等,也应加以注意。4、其他要求 如液压装置在重量,外行尺寸等方面的限制以及经济性,耗能方面的要求。2.2 工况分析液压系统的工况分析就是分析设备在工作过程中
19、,其执行元件的负载和运动之间的变化规律。在此基础上,绘制出负载循环图和速度循环图。工况分析包括负载分析和运动分析。2.2.1 例子汽车行驶速度变化典型曲线如图2.1所示。图2.1 汽车行驶速度变化实测图从图2.1可知,公交汽车时速一般低于60 km/h且加减速频繁,大多数时间公交汽车处于20 km/h40 km/h的较低速度。仅就公交汽车在通行较为顺畅的市郊路段而言,经实测其起步、加速、减速、制动工况频率高达72%以上。并且随着道路、交通流量和环境的复杂化,这一频率会变得更大。因为加减速频繁,所以大量的能量在制动时被浪费,同时也加速了机器零件的磨损,增加了废气的排放量。2.2.2 测定结果分析
20、 由于汽车运动具有随机性,因此采用统计学原理进行分析,把单位时间内速度变化绝对值小于士0.255的运行工况(即有效载荷是1.5T脱挡滑行减速度值。)定为匀速工况;减速度大于0.255者定义为减速度工况;加速度值大于0.255者定义为加速工况。 经对记录曲线统计:平均行驶速度为2040km/h;依发生时间统计匀速工况,加速工况,减速工况,频率分别为27.8 % 、44.88%、27.30%,如图2.2所示,典型脱挡滑行减速度均值为-0.255,收油门减速度为-0.2550.65,制动减速度为-0.659.0 。图2.3是全程典型减速、制动与加速循环工况,其平均减速度为0.689,典型加速强度为0
21、.729,平均加速强度为0.419 。图2.2 加、减、匀速频率图图2.3 典型加速、减速与制动工况图2.3 制动系统性能要求 标准规定的制动系统性能是在规定的条件下,通过测量相应的初速度下的制动距离和/或充分发出的平均减速度来确定。充分发出的平均减速度按下列公式计算GB 12676 1999 (2.1)式中 实验车制动初速度; 0.8实验车速; 0.1实验车速; 实验车速从到的行驶距离; 实验车速从到的行驶距离。2.4 本章小结 本章主要介绍了液压节能驱动系统的设计要求,并对汽车工况进行了测定分析,给出了汽车速度和工况等随时间变化的曲线图,从而使我们更加了解车辆的各方面的性能。第3章 车辆液
22、压节能驱动系统方案设计本章主要介绍液压节能驱动系统的工作原理,对各个部分进行了简要的说明并明确其在系统中的功能。另外简单的介绍了二次调节静液传动系统以便于更好的理解节能驱动系统。3.1 节能驱动系统方案确定本次设计的目的是通过对公交车辆在制动时的所产生的惯性能加以存储和利用,从而达到节约能源,减少环境污染的目的。经过各方案的比较,最终决定采用这种液压复合驱动系统。所谓复合驱动系统是采用两种以上的驱动方式作为动力来源。本次设计的第二个能量来源就是系统所储存的液压能。3.1.1 液压复合驱动系统的组成1、 蓄能器蓄能器是本系统中最为关键的元件之一,在系统中起到储存、释放能量的作用。2、 液压泵/马
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