Дипломная (вкр): Двухколесное транспортное средство с гибридным приводом

Двухколесное транспортное средство с гибридным приводом

Оглавление

Введение

. Обзор и анализ типов аккумуляторов энергии

.1 Аналоги и разработки в данной области

.2 Обзор аккумуляторов энергии

.2.1 Гравитационные механические накопители энергии

.2.2 Кинетические механические накопители

.2.3 Механические накопители энергии с использованием сил упругости

. Тягово-динамический расчет велосипеда

.1 Исходные данные

.2 Расчет полной массы велосипеда

.3 Расчет радиуса качения колеса

.4 Расчет работы затраченной на разгон

.5 Потери при движении велосипедиста

.5.1 Сопротивление воздуха

.5.2 Сопротивление качению колес

.5.3 Внутренние потери механизмов

.6 Расчет необходимого количества энергии

. Конструирование и расчет аккумулятора

.1 Расчет плоской спиральной пружины

.2 Крепление пружины

.3 Расчет энергоемкости пружины

.4 Компоновка конструкции

.5 Принцип работы

Заключение

Библиографический список

Введение

век был ознаменован огромный скачком прогресса для транспортных средств, использующих в качестве источника энергии различные нефтепродукты. В результате этого, в настоящее время все актуальней становится проблема исчерпания природных ресурсов нефти. Как следствие, тенденции современного рынка транспортных средств, все больше складываются в пользу наиболее экологичных средств передвижения. Таковыми являются транспортные средства с альтернативными источниками питания, гибридным приводом, а также приводимые в движение мускульной силой человека.

В данной работе рассмотрено двухколесное транспортное средство - велосипед. На текущий момент в странах Азии и дальнего востока весьма распространены гибридные транспортные средства на основе велосипеда и мопеда. Однако, в качестве источника энергии на данных средствах передвижения используются электроаккумуляторы, что делает их достаточно тяжелыми и дорогими. Альтернативой электроаккумуляторам могут быть механические аккумуляторы энергии.

Целью данной работы является разработка недорогого, компактного и легкого аккумулятора энергии, для осуществления гибридного привода велосипеда. Для этого должен быть осуществлен подбор возможного вида аккумулятора, расчет необходимого количества энергии для разгона велосипеда до заданной скорости, а также конструирование непосредственно механизма, осуществляющего эту задачу. Данная конструкция, должна позволить человеку экономить собственные силы, затрачиваемые на разгон транспортного средства.

1. Обзор и анализ типов аккумуляторов энергии

.1 Аналоги и разработки в данной области

Среди гибридных транспортных средств, все большее распространение получают транспортные средства использующие электроэнергию. Ведущие автомобильные компании мира, такие как BMW, Toyota, Honda, Peugeot, Ford делают большие вложения в данную область научных исследований. Основная проблема этим исследований заключается в электроаккумуляторах для этих автомобилей: для запасания необходимого количества энергии требуются аккумуляторы либо большие по габаритам и массе, либо имеющие высокую стоимость.

Среди двухколесных транспортных средств ситуация складывается примерно аналогичным образом. Скутеры с электроприводом, электровелосипеды и подобные им конструкции получили широкое распространение в странах Азии и Дальнего Востока, начинают набирать популярность в странах Европы, однако проблема большой массы и высокой стоимости остается актуальной.

Путей решения этой проблемы может быть несколько. Один из них, это использование других типов аккумуляторов энергии. Один из наиболее подробно занимавшихся этой проблемой людей - российский ученый, доктор технических наук, автор книги «Удивительная механика» Гулиа Нурбей [1]. Несмотря на то, что книга написана для детей старшего школьного возраста, в ней подробно и достаточно научно описываются попытки автора найти, так называемую «энергетическую капсулу» - устройство, способное аккумулировать энергию, в количестве, достаточном для преодоления автомобилем расстояния в 100 километров. В своих изысканиях, Гулиа Владимирович пришел к устройству, называемому супермаховик. Удельная энергия этого устройства может достигать 1 Мвт·ч/кг. Но, рабочие обороты такого маховика достигают 20 000 об/мин и выше, что создает сложности в передаче крутящего момента. Следовательно, для такого супермаховика требуется супервариатор. Гулиа Нурбей успешно решил и эту задачу. Однако, становится явно, что в конструировании велосипеда такие сложные и емкие механизмы не могут найти применения. Поэтому обратимся к другим способам аккумулирования энергии.

.2 Обзор аккумуляторов энергии

.2.1 Гравитационные механические накопители энергии

Определяются запасом кинетической энергии какого-либо предмета, поднятого на определенную высоту. Энергия запасается при подъеме предмета, и высвобождается при опускании. Расчет производится по следующей формуле:

=mgh, (1)

где: Е = потенциальная энергия;= масса тела;= ускорение свободного падения;= высота, на которую поднято тело.

Гравитационные механические накопители энергии могут быть жидкостные и твердотельные. Жидкостные гравитационные накопители энергии имеют ряд недостатков, такие как: испарение жидкости, необходимость нахождения рабочего тела именно в жидком агрегатном состоянии (а не в газообразном или твердом) и, самое главное, достаточно маленькую плотность рабочего тела, что, как одна из причин, ведет к увеличению размеров конструкции [2]. Именно из-за неудобства и больших размеров конструкции в данной работе этот вид накопителей энергии рассматриваться не будет.

Твердотельные гравитационные накопители энергии также имеют ряд преимуществ и недостатков. Среди преимуществ можно назвать простоту конструкции и низкую себестоимость агрегатов. Недостатками можно считать, достаточно большой вес аккумулятора, большие размеры. В принципе, данная конструкция может быть применима.

Рис. 2 Примером твердотельного гравитационного накопителя энергии может служить любой груз, находящийся выше уровня рассматриваемой поверхности

.2.2 Кинетические механические накопители

В колебательных накопителях кинетическая энергия накапливается в возвратно-поступательном (линейном или вращательном) движении груза за счёт резонанса. При этом энергия должна как подаваться, так и расходоваться порциями, попадая «в такт» с движением груза [2]. Это сразу усложняет механизм и делает его достаточно капризным в настройке. Используется во всех механических часах с пружинным или гравитационным маятником. По причине порционности и «капризности» более подробно данный механизм в дальнейшем нами рассматриваться не будет.

Рис. 3 Пружинный маятник в часах

Гироскопические накопители энергии

В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Последние разработки в этой области, позволяют запасать энергию до 2-3 ГДж/кг [7]. Однако, такие маховики очень дороги и сложны в изготовлении, кроме того, скорость вращения маховика достигает десятков тысяч оборотов в минуту, что подразумевает весьма сложную систему преобразования крутящего момента. По этой причине данный накопитель энергии исключается.

Рис. 4 Супермаховик Нурбея Гулиа

.2.3 Механические накопители энергии с использованием сил упругости

Пружины сжатия и растяжения

С точки зрения классической физики, пружины сжатия и растяжения накапливают потенциальную энергию путем изменения расстояния между атомами эластичного материала. Витые металлические пружины преобразуют деформацию сжатия/растяжения пружины в деформацию кручения материала, из которого она изготовлена, и наоборот, деформацию кручения пружины в деформацию растяжения и изгиба металла, многократно усиливая коэффициент упругости за счёт увеличения длины проволоки противостоящей внешнему воздействию.

.

Рис. 5 Пружина сжатия

велосипед аккумулятор накопитель пружина

Энергия, запасаемая в пружине сжатия/растяжения будет равна:

  (2)

где: x - рабочий ход пружины (на рисунке x=);- коэффициент жесткости.

Для запасания необходимого количества энергии, требуется пружина, сравнимая размерами, с пружинами, используемыми в автомобильной подвеске. Вкупе со сложностями перевода         поступательного перемещения пружины во вращательное движение колеса, это является достаточным поводом отказаться от использования данной пружины как аккумулятора энергии.

Плоские спиральные пружины

Плоские спиральные пружины, также называемые ракушечными, достаточно компактны, энергоемки, и кроме того, запасают именно крутящий момент, что и требуется в нашем случае. По этим причин остановим свой выбор на них.

2. Тягово-динамический расчет велосипеда

.1 Исходные данные

Велосипед - Stels Pilot 510;

Модель - 2009 года;

Тип - подростковый;

Область применения - дорожный, городской;

Масса велосипедиста - =80 кг;

Масса аккумулятора - =5 кг;

Диаметр колес - 20 дюймов;

Количество скоростей - 1;

Высота профиля шины - H= 0,035м.

.2 Расчет полной массы велосипеда

Масса велосипеда с велосипедистом и аккумулятором:

. (3)

.3 Расчет радиуса качения колеса

Рассчитываем радиус качения колеса с выбранной шиной:

 (4)

Где: rc - статический радиус, определяемый по формуле:

 (5)

где: d - диаметр обода колеса;

λш - коэффициент, учитывающий вертикальную деформацию шины. Для стандартных шин λш= 0,88…0,9;

Рассчитываем:

 (6)

=20·2,54=0,508 (м), λш= 0,9. Тогда:

. (7)

.4 Расчет работы затраченной на разгон

Работу, затраченную на разгон, можно представить как изменение кинетической энергии системы велосипед-велосипедист [3]. Тогда:

 (8)

Кинетическую энергию можно представить в виде суммы поступательной и вращательной энергии:

 (9)

Следовательно:

 (10)

Поступательная составляющая кинетической энергии будет иметь вид:

 (11)

где: V - скорость велосипедиста в текущий момент времени.

В свою очередь, вращательная энергия будет выглядеть следующим образом[4]:

 (12)

где:  - момент инерции переднего колеса;

 - момент инерции заднего колеса;

 - угловая скорость колес;  при условии отсутствия пробуксовки, поэтому заменим их =.

Рассмотрим составляющие моментов инерции колес [5]. Момент инерции переднего колеса:

 (13)

где:  - момент инерции шины:

,  (14)

где:  - масса шины. = 0,705 кг;

 - радиус шины.  = 0,279 м.

 - момент инерции камеры:

, (15)

где:  - масса камеры, =0,150 кг;

 - радиус камеры, =0,279 м.

 - момент инерции обода:

 (16)

где:  - масса обода, =0,355 кг;