Дипломная (вкр): Двухколесное транспортное средство с гибридным приводом

 - масса ниппелей (36 штук), =0,035 кг;

 - масса спиц (36 штук), =0,171 кг;

 - радиус обода, =0,254 м.

 - момент инерции втулки переднего колеса:

 (17)

где:  - масса втулки переднего колеса,  = 0,150 кг;

 - радиус втулки переднего колеса,  = 0,015 м.

Момент инерции заднего колеса:

, (18)

где:  - момент инерции втулки заднего колеса:

, (19)

где:  - масса втулки заднего колеса,  = 0,258 кг;

 - радиус втулки заднего колеса,  = 0,028 м.

Тогда, формула расчета энергии, необходимой для разгона велосипеда до скорости V, будет иметь вид:

 (20)

Подставив значения формул (13) - (19) в формулу (20), получим итоговый вид уравнения:

Е (21)

.5 Потери при движении велосипедиста

.5.1 Сопротивление воздуха

Общее выражение сопротивления, оказываемого воздухом движущемуся телу, может быть представлено в следующем виде:

, (22)

где: F - лобовая площадь тела; F=0,5 ;- скорость движения;- коэффициент обтекаемости, зависящий в основном от формы тела и характера его поверхности. k=0,06.

2.5.2 Сопротивление качению колес

, (23)

.5.3 Внутренние потери механизмов

При езде на велосипеде, внутренние потери происходят в следующих механизмах (в % от общего количества затрачиваемой энергии):

передняя втулка - 0,17%;

задняя втулка - 0,3%;

цепная передача - 4,5%;

Суммарные внутренние потери составляют 4,97% от общего количества затрачиваемой энергии.

.6 Расчет необходимого количества энергии

С учетом вышеописанных пунктов, выполним расчет. В таблице,  - количество энергии, необходимое для разгона системы велосипед-велосипедист до скорости V, с учетом имеющихся погрешностей и сопротивлений.

Таблица 2. Расчет необходимого количества энергии

На основании данных таблицы построим график зависимости необходимого количества энергии от выбранной скорости.

Рис. 6 График зависимости необходимого количества энергии от выбранной скорости.

Для дальнейших расчетов примем необходимую скорость V=10 км/ч=2,78 м/с, энергию необходимую для разгона велосипеда Eсумм =500 Дж.

3. Конструирование и расчет аккумулятора

.1 Расчет плоской спиральной пружины

Начальные данные:

необходимый запас энергии - 500 Дж;

КПД плоской спиральной пружины при смазке касторовым маслом с графитом = 70,4% [4];

число рабочих оборотов n=20;

материал пружины - сталь У8А;

- модуль упругости Е=2* кгс·.

С учетом КПД пружины, а также КПД механизма, передающего момент от колеса на пружину возьмем количество энергии необходимое для запасения в пружине равным Е=1000 Дж. Работа, совершаемая пружиной[6]:

А=М·φ,      (24)

где: А - работа, совершаемая пружиной, А=Е=1000 Дж;

М - средний момент пружины;

φ - число рабочих оборотов пружины.

Тогда:

А=1000 Дж = 8,33 Н·м·120 рад.      (25)

Момент будем считать в кгс/мм:

М=8,33Н·м=849,41кгс·мм. (26)

Минимальный момент спуска =М=849, 41 кгс·мм.  кгс·мм. Отношение моментов спуска  = 1,648. Число рабочих оборотов =20. Найдем разность между числом витков в тугозаведенном и в свободном состояниях:

-. (27)

Задаваясь отношением m=15 найдем по графику (рис 3.1.1) =58, , .

Рис. 7 Номограмма для проектирования нормальной заводской пружины

Найдем толщину ленты h:

 (28)

где: К - коэффициент качества, в соответствии с пунктом 3.2, при креплении с промежуточной пластиной К=0,9 (Табл. 3.1);- ширина ленты, b=80мм.

Табл. 3 Коэффициент К качества пружины, в зависимости от типа крепления внутреннего края пружины.

Тогда:

 (29)

Затем найдем:  - радиус внутреннего рабочего витка пружины, =m·h=15·0,76=11,4 мм;- радиус барабана, R=102·h=102·0,76=77,52 мм;- рабочая длина пружины, l=12600·h=12600·0,76=9576мм;

Длину отожженных концевых участков находим по следующим соотношениям:

 (30)

          (31)

Рис. 8 Нормальная заводная пружина: а - в спущенном; б - в заведенном состояниях

Следовательно, длина заготовки для пружины:

 (32)

Найдем радиус валика:

 (33)

Число оборотов при заводе определим по формуле:

  (34)

Число холостых оборотов:

.2 Крепление пружины

В месте соединения наружного края пружины и корпуса, мною было выбрано крепление с промежуточной пластиной (рис. 9).

Рис. 9 Схема крепления наружного края пружины

Такое крепление наиболее близко к «идеальному» и обуславливает практически концентричное распускание витков.

Крепление внутреннего конца пружины не оказывает такого сильного влияния на работу пружины, как крепление наружного конца. Конструкция крепления внутреннего конца пружины должна лишь обеспечивать надежную передачу момента от пружины к заводному валику. При неправильной конструкции крепления увеличивается вероятность поломки внутреннего конца пружины, так как в этом месте пружина наиболее сильно деформируется при изготовлении. Внутренний конец пружины отжигается, и ему примерно на длине одного витка придается форма, плотно облегающая заводской валик. Во избежание поломки пружины вследствие концентрации напряжений переход от отожженного участка к закаленному должен быть постепенным. Мной выбрано наиболее качественное крепление - с подкладками (рис 10).

Рис. 10 Крепление внутреннего конца заводской пружины

.3 Расчет энергоемкости пружины

Масса пружины будет равна:

=ρ·V,     (36)

где:  - масса пружины;

ρ - плотность материала пружины, ρ=0,0078 гр/м;- объем пружины.

Получим:

 = 9737·0,76·80·0,0078=4617,67гр= 4,6 кг. (37)

Энергоемкость пружины будет равна:

 = 1000/4,6=217,4 Дж/кг.  (38)

.4 Компоновка конструкции

На рисунке 11 изображена общая схема компоновки и расположения механического аккумулятора энергии на основе плоской спиральной пружины.

Подставка-упор 1 устанавливается над передним колесом, крепится одним болтом к передней вилке, а также опорами устанавливается во втулку переднего колеса, где крепится двумя гайками. На подставку-упор устанавливается корпус плоской спиральной пружины 2. Корпус 2 крепится к подставке 1 четырьмя болтами по углам основания. На нижний ярус подставки 1 устанавливается корпус троса включения привода 4. Рекомендуемый метод крепежа - сварка. В корпус троса включения привода 4 устанавливается привод аккумулятора 3. Метод крепления - шпоночный. От корпуса троса включения привода 4, отходит трос включения привода, одним краем закрепленный в приводе аккумулятора, другим краем - на рукояти управления.

Рис. 11 Общая схема компоновки аккумулятора.

3.5 Принцип работы

Во время движения, велосипедист нажимает правую рукоять управления приводом. Благодаря этому, трос управления приводом прижимает привод к шестерне аккумулятора и колесу. В результате этого, крутящий момент через привод передается с колеса на шестерню аккумулятора, а оттуда на пружину. Пружина закручивается. В момент полной остановки велосипеда, велосипедист зажимает левую рукоять управления приводом (на рис. 11 она не прорисована, с целью незагромождения схемы), не отпуская при этом правую. Это делается с целью полной блокировки колеса и пружины. При необходимости начала движения, велосипедист отпускает правую рукоять управления приводом, и пружина, раскручиваясь, передает запасенную энергию на колесо.

Заключение

В результате проделанной работы был разработан гибридный привод велосипеда с использованием механического аккумулятора энергии на основе плоской спиральной пружины. Плоская спиральная пружина была выбрана в результате анализа различных аккумуляторов энергии, ввиду малых габаритных размеров, невысоких эксплуатационных требований, а также достаточно высокой энергоемкости (более 200 Дж\кг).