IFFK 2012 Budapest, augusztus * Széchenyi István Egyetem, H9026 Győr, Egyetem tér 1. (Tel:: , szauter@sze.

Átírás

1 IFFK 2012 Budapest, augusztus Lőrincz Illés- Plák József * * Széchenyi István Egyetem, H9026 Győr, Egyetem tér 1. (Tel:: , szauter@sze.hu) Abstract: A tanulmány a Széchenyi István Egyetemen flyó dízel/villams hibrid kisteherautó hajtáslánc fejlesztésénél alkalmaztt ptimalizációs elveket fglalja össze. A közúti járművek villams hajtása sk féle villams mtrral és hajtóműrendszerrel ldható meg. Ezek átfgó elemzésére már több kutatás és elemzés srt kerített, amelyek alapján egy kiinduló hajtásrendszert választttunk, mely kettő állandó mágneses hárm fázisú aszinkrnmtr és egy kapcsldó, flytnsan knstans áttételű hajtómű hajtásrendszere. 1. BEVEZETÉS A Széchenyi István Egyetem Közúti és Vasúti Járművek Tanszékén egy Frd Tranzit dízelmtrral hajttt kisteherautót alakítttunk dízel/villams hajtású hibrid kisteherautóvá úgy, hgy a jármű gyári dízel első kerék hajtását meghagytuk, és a hátsókerekek hajtását kettő állandó mágneses 30 kw teljesítményű villams mtrral ldttuk meg. A hátsókerekek hajtása a gyári merev hátsóhíd alkalmazásával történt, melyben benne található a knstans áttételű hajtómű (differenciálmű). A villams hajtás fejlesztésénél fnts szempnt a villamsmtr és a hajtómű tömeg és hatásfk ptimalizációja. Az ptimalizáció segítségével növelhető hibrid kisteherautó hatótávlsága, és/vagy a szállítható árú tömegének a nagysága. Az ptimalizáció segítséget nyújt a különböző knstrukciók matematikai, és energetikai összehasnlítására, melyek eredményét a műszaki megvalósíthatóság a költségek és a menetdinamikai jellemzők figyelembevételével tudjuk értékelni, és a megfelelő knstrukciót kiválasztani. 2. JÁRMŰHAJTÁS DINAMIKAI VIZSGÁLATA BELSŐÉGÉSŰ- ÉS VILLAMOSMOTORRAL HAJTOTT JÁRMŰVEK ESETÉN A belsőégésű mtr és a jármű együttes üzeme grafikusan leírható (1. ábra) egy nymaték frdulatszám jelleggörbében, melyben a frdulatszám függvényében feltüntetjük a mtr főtengelyen értelmezett nymaték jelleggörbéjét, az állandó teljesítmény vnalait, a jármű egyes fkzataiban lévő ellenállásait és a mtr fajlags fgyasztását a különböző frdulatszám- nymaték visznyai mellett. Az emelkedési és gördülési ellenállás nymatéka a mtr főtengelyén a következő összefüggéssel írható le. A légellenállás nymatéka a mtr főtengelyen ellenállásként vizsgálva a következő összefüggés alapján számlható. Nymaték Nm M = ψ * G * R * i / η ψ g hm hm M l l g v hm = 2 * ρ * R * A* c * π * i / η Benzin mtr nymaték, fajlags fgyasztás I Frdulatszám frd/perc 1.ábra A belsőégésű mtr és a jármű együttes üzeme 240 A villams mtr és a jármű együttes üzeme a fenti eljáráshz hasnlóan grafikusan leírható (2. ábra). A villams mtrral kialakíttt hajtás diagramjában a fajlags fgyasztás helyet a villams mtr hatásfka látható VI. hm V. IV. III. II.

2 2.ábra A villams mtr és a jármű együttes üzeme 3. JÁRMŰHAJTÁSRA ALKALMAZHATÓ VILLAMOS MOTOROK Minden elektrms jármű szíve a villanymtr. Skféle méretben, frmában, típusban léteznek, és a leghatéknyabb mechanikai berendezések közé tartznak. A belső égésű mtrkkal ellentétben a villanymtrk nulla szennyezőanyag kibcsájtással rendelkeznek. Technikailag hárm mzgó alkatrész van egy villanymtrban, és élettartamuk részben ennek köszönhetően hsszabb a belső égésű mtrkénál. A következőkben felsrlásra kerülnek a járműhajtásra alkalmas villams mtrk: Külső gerjesztésű mtr (tekerccsel vagy állandó mágnessel), Váltakzó áramú villams mtrk, Reluktancia mtr (Switched Reluctance Mtr, SRM), MCDC- mtrk, Hármfázisú ECDC (Electrnic Cmmutatin Direct Current) mtr, Ötfázisú ECDC-mtr, BLDC- mtr, A különböző típusú villams mtrk a fntsabb paramétereik alapján csprtsíthatók, melyet a következő táblázat tartalmaz. A jelenlegi krszerű járműhajtásk a 3 fázisú állandó mágneses szinkrn mtrkat alkalmazzák és vizsgálatainkban szinte kizárólag ezzel a mtr típussal fglalkzunk. Környezetünkben ilyen típusú mtrk kutatás fejlesztése flyik, melynek eredményeként várható a gyártási lehetőségek beindítása. BDC BLDC/ AC Állandó Külsőgerjesztésű Reluktancia Keresztmezős PMS gerjesztésű Teljesítmény magas kicsi közepes magas jó jó magas Tömeg nehéz könnyű könnyű könnyű közepes közepes közepes Helyigény nagy kicsi közepes kicsi közepes közepes nagy Frdulatszám alacsny magas magas közepes közepes magas alacsny Mtr ára közepes drága lcsó nagyn drága közepes lcsó nagyn drága 4. JÁRMŰHAJTÁSRA ALKALMAZHATÓ HAJTÓMŰ TÍPUSOJK A villams mtr által hajttt járműveknél a következő hajtóműtípusk alkalmazhatók: Állandó áttételű hajtóművek: 1. lánchajtás, 2. brdásszíj hajtás, 3. fgaskerékhajtás, 4. ékszíjhajtás, Váltztatható áttételű hajtóművek: 1. hmlkkerekes váltómű, 2. varimatik hajtómű, 3. blygóműves hajtómű A hajtóművek hatásfktartmánya terheléstől és típustól függően % között váltzik. A hajtóművek vizsgálatakr, kiválasztásakr két csprtra bnthatók a hajtóművek, az állandó áttételű és a váltztatható áttételű hajtóművek. A hajtómű kiválasztásánál két paramétert veszünk figyelembe, a hajtómű tömegét és hatásfkát. E két paraméter mellett kiemelt szerepet játszik a hajtómű összetettsége, mely meghatárzza a hajtómű kapcslhatóságát és a kapcsláshz szükséges berendezések tömeg és energia szükségletét

3 A kereskedelmi frgalmban kapható villams hajtású járműveket vizsgálva megállapítható, hgy a fentiekben felsrlt hajtómű típusk közül hárm típus terjedt el: lánchajtás: többnyire kétkerekű villams járművekben, brdásszíj hajtás: kétkerekű és kisebb négykerekű villams járművekben, blygóműves hajtómű: közepes és nagybb négykerekű villams járművekben, A lánc és brdásszíj hajtásk nagy előnye a kis súly, egyszerű szerkezeti kivitel, gyrs és könnyű szerelhetőség, ezzel szemben az állandó áttétel miatt a villams mtr ptimális működési paraméterei nehezen biztsíthatók a különböző igénybevételek esetén. A blygóművek alkalmazásának előnye a fkzat módsítás lehetősége, mely lehetővé teszi villams mtr jó hatásfkú működését különböző üzemi feltételek között, visznt a kapcsló mechanizmussal együtt nagybb bnylultságú és tömegű hajtómű egységet képez. 5. A HAJTÁS TÖMEG ÉS HATÁSFOK OPTIMALIZÁCIÓJA MOTOR: A villams mtrk tömeg teljesítmény arányát vizsgálva megállapítható hgy a teljesítmény növekedéséhez visznyítva a tömegnövekedés kisebb mértékű (3. ábra). Függő váltzó lesz a hajtáslánc tömege (m hl ) és hatásfka (η hl ). A hajtáslánc tömege függ a hajtómű és a mtr tömegétől: f m hl =(m m, m h ) A hajtáslánc hatásfka függ a hajtómű és a mtr hatásfkátl: f η hl =(η m, η hm ) 6. A HAJTÁSLÁNC TÖMEG OPTIMALIZÁCIÓJA A PMS mtrk tömeg csökkentése a mtr különböző jellemző részein végezhető el, úgy mint: réz (tekercs) tömegcsökkentés (m réz ), lágyvas frgórész tömegcsökkentés (m lágyvas ), mágnes tömegcsökkentés (m mágnes ). A mtrban lévő egyéb alkatrészek (első-, hátsó pajzs, tengely, csapágy, stb.) tömege (m áll ) adtt teljesítmény visznyk mellett állandónak vehető. A mtr tömege ezekből a kmpnensekből áll össze, így a mtr tömege. m PMS = m réz + m mágnes + m áll Ezen részek tömegeinek, arányának váltztatása hatással van a PMS mtrk karakterisztikájára, működési jellemzőire és hatásfkára. Hajtómű alkalmazása esetén a mtr tömege mellett a rendszerben megjelenik a hajtómű tömege. 3.ábra A tömeg és a hatásfk arányának váltzása a villams mtrknál A hajtás tömeg ptimalizációjának vizsgálatakr felvehetünk a rendszer vizsgálata szempntjából függő és független váltzókat. Független váltzó: mtr frdulatszáma (n), mtr átmérője (Ǿ), mtr tömege (m m ), mtr hatásfka (η m ) hajtómű áttétel (z h ), hajtómű típusa, hajtómű tömege (m h ), hajtómű hatásfka (η hm ). m hl = m PMS + m h A mtr átmérőjének növelésével növelhető a mtr által létrehzható nymaték, visznt ez által növekszik a mtr tehetetlenségi nymatéka és ez által csökken a mtr munkapntra történő gyrsulása. A nymaték aránys a gyrsulás dn/dt értékével. dn M = Θ * 2π * = > dt dn dt M = 2π * Θ A frgórész tehetetlenségi nymatékának vizsgálatakr megállapíttt, hgy a tehetetlenségi nymaték négyzetesen aránys a tömeg frgástengelyétől mért távlságától. Θ = * r m 2 Agy mtrk alkalmazása esetén a mtr és a kerék együttes tehetetlenségi nymatékát kell vizsgálni, míg hajtómű beépítése esetén a plusz frgótömegek kerülnek a rendszerbe, melyek tehetetlenségi nymatékai összeadódnak. Θ = N m * r 2 i i = 1 Ezért a átmérő növelésével csökkenthető a mtr hssza, és kialakíthatók lyan mtrk amelyek a növekvő nymaték és

4 a csökkenő frdulatszám (max min/frdulat)megfelelő ptimalizációjával a hajtóművek alkalmazása elhagyható. A hajtómű elhagyása agymtrk alkalmazása esetén lehetséges, melyek közvetlenül a jármű kerekét hajtják. Ebben az esetben a hajtáslánc hatásfkát és működési jellemzőit a mtr jellemzői határzzák meg. A tranziens jelenségek vizsgálatakr jól látható, hgy a különböző üzemállaptkhz különböző hatásfkú értékek tartznak. Az instaciner állaptk esetén a mtr rsszabb hatásfkkal működik (65%...92,5%) mint az ptimalizált staciner tartmányban (90% felett) (3.ábra), épp ezért az üzemeltetés közben arra kell törekedni, hgy a mtr minél gyrsabban elhagyja kedvezőtlen üzemi tartmányt. 3.ábra A villamsmtr működése szempntjából kedvező tartmány Az átmérő csökkentésével csökken a mtr által létrehztt frgatónymaték nagysága, visznt növelhető a mtr frdulatszáma (max min/frdulat). Ilyen frdulatszám visznyk mellett visznt megfelelő áttételű hajtómű alkalmazása szükséges. 7. HAJTÁSLÁNC HATÁSFOK OPTIMALIZÁCIÓJA A hajtáslánc hatásfka függ a hajtómű és a mtr hatásfkától: η hl = f (η m, η hm ) A hajtás lánc hatásfka kerékagy mtr alkalmazása esetén: η hl = η m Hajtómű alkalmazása esetén a mtr hatásfka mellett a figyelembe kell venni a hajtómű hatásfkát: A hajtóművek hatásfk értékei szakirdalm által meghatárzttak, de ezek általáns helyzetekre vnatkznak, és többnyire egy knstans értékként adják meg. HAJTÓMŰ: A hajtómű veszteségfrrásai: A veszteségfrrásk szétbnthatók terhelésre és frdulatszámra érzékeny, és érzéketlen veszteségekre. Frdulatszámra érzékeny veszteségek: fgsúrlódás veszteségei, P fv = (n) a hajtóműben lévő alkatrészek tehetetlensége P t = (n) csapágysúrlódás veszteségei, P cs = (n) tömítések súrlódási veszteségei, P ts = (n) kenőanyag keverés veszteségei, P kv = (n) Terhelés érzékeny veszteségek: alkatrészek rugalmas defrmációja, P rd = (M) A váltztatható áttételű hajtóművek esetén a hajtómű összhatásfka különböző áttétel esetén különböző értéket ad. Ezek a hatásfk értékek a terhelés és a frdulatszám függvényében nagy szórást mutatnak. Ezen tényezők figyelembe vételével látható, hgy egy hajtáslánc elemzése estén a rész egységek és a teljes hajtáslánc hatásfka nem kezelhető egy knstans értékként. Éppen ezért a hajtóművek esetén is érdemes működési jellegmezőket meghatárzni, melyek segítségével meghatárzható a hajtómű különböző üzemállapthz tartzó hatásfk értéke. A hajtómű és a villamsmtr jellegmezejét és jármű menetdinamikai jellemzőit (4.ábra) ismerve már meghatárzható a hajtáslánc nymaték frdulatszám jellegmezője, mely segítségével a hajtáslánc ptimalizálható. η hl = η hl * η hl A hajtóművek és a mtrk vizsgálatát elvégezve látható, hgy a megfelelő hajtásrendszer kialakítás összetett matematikai elemzést igényel. A megfelelő összefüggések felállítását követően az adtt rendszereket próbapadn összeállítva tesztelhetők, és a kaptt eredmények összevethetők a matematikai összefüggések által kaptt eredményekkel. 4.ábra A hajtómű a villamsmtr és a jármű együttes jellegmezeje

5 Jelen esetben a pnts hajtómű kiválasztás próbapadi teszteléseket követően határzható meg a megfelelő pntssággal. 8. ÖSSZEFOGLALÁS A vizsgálatk célja mindig, egy adtt paraméter rendszerű (tömeg, sebesség, alkalmazási terület, stb.) járműhőz a legjbb hatásfkkal, és tömeggel rendelkező hajtás, hajtáslánc fejlesztése, kialakítása. Általánsságban nem meghatárzható egy minden jármű típusra ptimálisan alkalmazható hajtáslánc összeállítás, hanem mindig a jármű bemenő paramétereit vizsgálva, elemezve határzható meg, hgy melyik hajtáslánc a megfelelő. A hajtáslánck vizsgálatára matematikai összefüggések írhatók fel, melyek a rendszerben megjelenő független, és függő váltzk rendszerében lévő összefüggések leírásával vezetnek el az ptimális hajtáslánc kiválasztásáhz. A matematikai mdellfelállítását követően a rendelkezésre álló matematikai szftverek segítségével elemezni lehet a hajtáslánckat. A matematikai paraméterek vizsgálata után kaptt eredmények segítségével kiválasztható és megalktható a megfelelő hajtáslánc. A matematikai mdell eredményei alapján megalkttt hajtás rendszer próbapadn tesztelhető. A teszt eredmények összevethetők az elvi mdell által meghatárztt eredményekkel, és ez által vizsgálható és elemezhető az ptimalizációs flyamat. η hm ρ l - hajtómű hatásfka, - levegő sűrűsége, A - a jármű haladási felülete, c v - légellenállási tényező Θ - tehetetlenségi nymaték n - mtr frdulatszáma m - tömeg r - a frgástengelytől mért távlság m hl - hajtáslánc tömege η hl - hajtáslánc hatásfka Ǿ - mtr átmérője m m - mtr tömege z h - hajtómű áttétel, m h - hajtómű tömege m réz - réz (tekercs) tömeg m lágyvas - lágyvas frgórész tömeg m mágnes - mágnes tömeg m áll - mtr alkatrész tömegek η m - mtr hatásfka η hm - hajtómű hatásfka P fv - fgsúrlódás veszteségei P t - alkatrészek tehetetlensége P cs - csapágysúrlódás veszteségei P ts - tömítések súrlódási veszteségei Pkv - kenőanyag keverés veszteségei P rd - alkatrészek rugalmas defrmációja FELHASZNÁLT IRODALOM FÜGGELÉK M ψ M l ψ G R g i hm - az emelkedési és gördülési ellenállás nymatéka a mtr főtengelyén, - a légellenállás nymatéka a mtr főtengelyen, - gördülősurlódási tényező, - a jármű súlyereje, - gördülési sugár, - a hajtómű összes áttétele, [1] L. GUZZELLA, A. SCIARRETTA: Vehicle Prpulsin Systems, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, (2005), pp 13-20, ISBN [2] MEHRDAD EHSANI, YIMIN GAO, ALI EMADI: Mdern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles, USA, CRC Press, (2010), pp 19-53, ISBN