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我們以最普遍的客車制動和起步情況做研究對象
主要計算離合器部分的效率(此處效率最低,為關(guān)鍵部分)
假設(shè)公交車質(zhì)量m=10.6t以V0=20km/h的車速靠近站牌,并勻減速至0,制動行程S=50m
設(shè)離合器提供扭矩為T,飛輪轉(zhuǎn)動慣量為J,飛輪起始轉(zhuǎn)速為N0,車速與離合器一端的比值為R(此為傳動機構(gòu)決定的常量),車輪半徑0.935m,主減速器傳動比4.333
假設(shè)制動過程分為倆部分:1以飛輪吸能減速;2剎車制動
則
以下是在滿足之前假設(shè)的前提下為實現(xiàn)吸收最多制動能力所做的計算
t2=2×s/V0=18s,V0/R=20/3.6/R,L1的斜率為V0/6.28R/18=0.05/R,n1=v0/6.28/R=20/3.6/6.28/R=0.885/R
為吸收較多能量并簡化操作機構(gòu),令t1之前離合器承當(dāng)全部減速阻力
則T=m×(V0/t2)×R=3271.6R
L2斜率為α=T/J/6.28
t1=(0.885/R-N0)/(0.05/R+T/J/6.28)
則飛輪吸收的能量為W=(N0+(18-t1)×0.05/R)×t1/2*6.28*T
由圖可知L2的斜率越小吸收的能量越多,即J盡可能大,但增加J會大幅增加飛輪的成本
先取用稿件中的飛輪J=3.06 kg?m2
則L2的斜率為170.25R
t1=(0.885/R-N0)/(0.05/R+170.25R)
由簡化可得W/6.28/T=v0/R×t1-(0.05/R+85.125R)×t1^2
=(0.885/R)^2/4/(0.05/R+85.125R)-(0.05/R+85.125R)[t1-0.885/R/2/(0.05/R+85.125R)]^2
故當(dāng)t1= 0.885/R/2/(0.05/R+85.125R)時
W有最大值(0.885/R)^2/4/(0.05/R+85.125R)*6.28*3271.6R
此是關(guān)于R的單調(diào)減函數(shù)
故R值越小越好,但R的值受到飛輪轉(zhuǎn)速范圍的限制 (0~6000r/min)
N2=[18-0.885/R/2/(0.05/R+85.125R)]×0.05/R <100
得R>0.00464
取R=0.00474
則T=15.5N*m
此時t1= 8.7163s
W=79205J
N0=87.73r/s=5264r/min
此中定義的R=r/i1/i2 (車輪半徑/主減速器傳動比/行星輪系傳動比)
故行星輪系傳動比i2=r/i1/R=45.5244可以取45
汽車制動時失去總能量為m*V0^2/2=163580J
故效率為η1=79205/163580=48.42%(此效率為理想狀況下,未考慮傳動機構(gòu)的效率,汽車的行駛阻力)
接下來計算起步過程中汽車從飛輪吸收的能量
由之前決定的不可變數(shù)值為 i2=45.5244即R=0.00474
N2=[18-0.885/R/2/(0.05/R+34.125R)]×0.05/R=5686r/min=94.765r/s
為了避免發(fā)動機在起步初工作,并使飛輪釋放最多能量,假設(shè)飛輪提供起步初所有動力,待離合器同步后由發(fā)動機提供動力,則有下圖:
L1的斜率為T2/J/6.28×60=T2/19.2×60
L2的斜率為T2×60/m/R^2/6.28=T2/1.4956×60
故t3=N1/(T2/19.2+T2/1.4956)= 131.4882/T2
N2=t3*T2/1.4956= 87.9167(N2>N1)
此時車速V1=N2×6.28×R= 2.6170m/s
能量為W=m/2*V1^2=36298J
效率為η2=36298/79205=45.83%
為簡化機構(gòu)可以使T2=T=15.5N*m`
則t3=8.5s
綜上所訴:
在所給數(shù)據(jù)下選擇行星輪系傳動比為45時,可以取得較高效率
? 考慮到制動時的摩擦力,傳動機構(gòu)的能量損耗總效率為,20%左右。
? 以溫州公交車為例,每輛車每天平均行駛240公里,百公里油耗為18升,有69%消耗于制動,考慮到起步階段燃油利用率低,那么采用此系統(tǒng)的客車每年省油超過2500升
? 此系統(tǒng)可以避免發(fā)動機低效工作,大量減少有害氣體排放
如果飛輪起始轉(zhuǎn)速為零則離合器端的主從動件的轉(zhuǎn)速如下圖:
其效率的理論上限為25%,放能過程效率的理論上限也為25%總效率會低于6.25%(實在太低,不予考慮)
為了獲得更高效率可以將升速機構(gòu)分為多檔,以三檔為例繼續(xù)計算
離合器端的主從動件的轉(zhuǎn)速如下圖:
為了獲得較高效率令各檔的持續(xù)時間比值為4:2:1:1(空檔)各檔的傳動比的比值為1:4:16
則三檔的效率為1/8*75%+2/8*87%+4/8*98%=80%
考慮到變速器的效率比較低,摩擦力做功,其他傳動機構(gòu)的能量損耗其效率大概為70%
在起步過程中由于飛輪從動摩擦片從零開始加速效率會略低大概為65%則其總效率為45%
? 同樣以溫州公交車為例,每輛車每天平均行駛240公里,百公里油耗為18升,有69%消耗于制動,考慮到起步階段燃油利用率低,那么采用此系統(tǒng)的客車每年省油超過5625升
此系統(tǒng)同樣可以更好的避免發(fā)動機低效工作,大量減少有害氣體排放