车辆液压储能传动能量转化元件的匹配分析.pdf

第 l O期 2 0 1 1 年 1 0月 机 械 设计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 9 3 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 0 0 1 9 3 - 0 3 车辆液压储能传动能量转化元件的匹配分析 水 张银彩郭京波韩彦军 石家庄铁道大学 机械工程学院， 石家庄 0 5 0 0 4 3 Re s e ar c h o n ma t c h i n g o f e n er g y c on v e r s i o n c omp o n e n t s o f h y d r a u l i c a c c u m u l a t i n g t r a n s mi s s i o n f or v e h i c l e Z HA N G Y i n - c a i ， G U O J i n g b o ， HA N Y a n - j u n D e p a r t m e n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n i v e r s i t y ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3 ， C h i n a 【 摘要】 针对具有特殊运行工况的城市公交车辆， 研究一制动能量回收与再利用系统， 以期改善 车辆的燃油与环保性能，该装置采用高、 低压蓄能器、 二通插装法、 可逆变量泵一 马达等部件。 介绍了车辆 液压储能传动的组成和工作原理。 分析 了系统中关键元件之一能量转化元件一 变量泵／ 马达排量的确定 方法 ， 推导了确定变量泵／ 马达排量的计算公式， 并以某型公共汽车为例 ， 通过分析计算得 出了系统的能 量回收率与变量泵／ 马达排量的关系， 为车辆液压储能传动 系统合理 匹配变量泵／ 马达提供 了依据。 关键词 液压蓄能器 ； 变量泵／ 马达排量 ； 能量回收； 节能 【 A b s t r a c t 】 ／ n o r d e r t o im p r o v e e l e c o n o m y a n d r e d u c e e m is s i o n ofc it y b u s e s w i t h s p e c i a l d r iv i n g s i t u a - t i o n ， a b r a k i n g ’ e n e r g y r e c l a i m a n d r e g e n e r a t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e d ， wh i c h a d o p t s c o m p o n e n t s s u c h a s h i g h an d l o wp r e s s u r e a c c u mu l a t o r s ． t wo - wa yc a r t r i d g e i n s e r t e dv a l v e w e l l 船 r e v e r s i b l e v ari a b l e p u m p ／ mo t o r s a n ds oo r b T h e c o m p o s i t i o n and w o r k i n g p r i n c ip l e o fh y d r a u l i c e n e r gy- a c c u mu l ati n g t r a n s mi s s i o n i s i n t r o d uce d fir s L T h e n m e t h o d s t o d e t e r mi ne t h e e mi s s i o n s ofk e y c o m p o n e n t s i n t h e s y s t e m- e n e r gy c o n v e r s i o n c o m p o nen t s - - v ari a b l e p u m p ／ b t o t o r are d i s c uss e d ， b ase d o n w h i c h t h e c o m p u t ati o n f o r m u l a f o r v ari a b l e p u m p ／ mo t o r h a s b e e n d e d u c e d B y t a k i n g s o m e t y p e ofb u s 珊 a n e x a m p l e ． t h e r e l a t i o n s h ip b e t w e e n e n e r gy a c c u m u l ati n g s y s t e m a n d e m i s s i o ns of v ari a b l e p u m p m o t o r h a s b e e n w o r k e d o u t t h r o u g h a n a l y z i n g a n d c alc u l a t i n g w h i c h p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r m t i o n al m a t c h i n g b e t w e e n h y d r aul i c e ner g y r e c o v e r i n g t r a n s mi s s i o n o f v e h i c l e and t h e v ari abl e p u m p ／ m o t o r ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c a c c u mu l a t o r ； Va r i a b l e d i s p l a c e me n t p u mp - mo t o r ； En e r g y r e g e n e r a t i o n； Ene r g y s a v i n g 中图分类号 T H1 6 ， U 4 6 3 ． 2 文献标识码 A 1引言 变量泵／ 马达是液压储能传动系统的能量转化元件 ，其负责 把车辆动能转化为液压能或把储存在液压蓄能器中的液压能转 化为动能， 变量泵／ 马达为液压储能传动系统的关键元件， 对系统 性能起着至关重要的作用。变量泵／ 马达排量越大， 成本越高， 蓄 泵／ 马达排量越小， 蓄能器体积越大， 附重增加 ， 液压储能传动系 统合理匹配变量泵／ 马达非常重要。将对车用液压储能传动作一 些有益的探讨 ， 并着重分析变量泵／ 马达排量的确定方法。 2车用液压储能传动系统组成及工作原理 车用液压储能传动系统的原理简图_ l1 ， 如图 1 所示。该系统 能器最低工作压力越小， 吸收相同能量时蓄能器体积越小； 变量 主要由高低压蓄能器、 二通插装阀、 可逆变量泵／ 马达、 控制器、 同 ★ 来稿日期 2 0 1 0 1 2 1 0 ★ 基金项目 河北省教育厅 2 0 o 7 l 4 1 ， 科研启动费 8 1 1 0 0 7 4 程。根据上述工艺路线内容及工序排序优化问题， 可建立如下面 向绿色制造的工艺路线优化决策模型 一 c ㈤ 8 5结论 通过分析提出了绿色制造工艺种类选择的模糊评判方法并 提出了选择的原则，对工艺参数的优化也进行了一定的研究， 对 其进行了模块设计并建立了数学模型，并利用 D e l p h i 编程实现 了工艺种类选择模糊评判和工艺参数优化的软件I生 操作， 最终实 现了绿色工艺规划工艺参数优化的最优方案选择。 参考文献 [ 1 ] 郑华林． 面 向绿色制造 的集成工艺优化模型研究[ J ] ．西南石油大学学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 3 1 4 2 1 4 5 ． [ 2 ] 徐莹 ， 曹华军， 刘飞． 面向绿色制造的工艺参数优化数学模型[ J ] ． 工具 技术 ， 2 0 0 0 ， 3 5 4 l 4 _ 1 6 ． [ 3 ] 李刚， 廖兰， 曹华军， 等． 面向绿色制造的工艺种类选择方法研究[ J ] ． 机械工艺师 ， 2 0 0 1 6 3 2 3 4 ． [ 4 ] 何彦， 刘飞， 曹华军， 张华． 面向绿色制造的工艺规划支持系统及应用 [ J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 5 ， 1 1 7 9 7 5 9 8 0 ． 1 5 j T a nX i a n c h u n ， L i uF e i ．Ad e c i s i o n - ma k i n g m o d e l o f g e a r p r o c e s s f o r g r e e n ma n u f a c t u r i n g [ J ] J o u r n a l o f C h o n g q i n g Un i v e r s i t y - E n g ， 2 0 0 3 2 ． [ 6 ] 岳文辉， 张华， 刘德顺， 等．面向绿色制造的工艺种类选择模型及应用 [ J ] ． 湖南科技大学学报， 2 0 0 9 ， 2 4 3 3 7 3 O ． [ 7 ] 谭显春． 面向绿色制造的工艺规划中工艺要素及工艺过程优化方法研 究[ J ] ．重庆大学学报， 2 0 0 4 6 0 6 9 ． [ 8 ] 何鹏飞．D e l p h i 7 程序设计教程[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 3 ． 1 9 4 张银彩等 车辆液压储能传动能量转化元件的匹配分析 第 1 0期 步器等部件组成。在车辆制动时， 控制单元 2根据制动踏板 1的 制动强度要求， 打开二通插装阀 8 ， 使高压蓄能器 7与变量泵／ 马 达 1 2高压端接通，通过控制系统使变量泵／ 马达 1 2以泵方式工 作， 实现能量的回收转化。 在车辆起步或加速时， 控制系统使变量 泵／ 马达以马达方式工作， 二通插装阀8打开， 高压蓄能器 7中的 高压油驱动变量泵冯 达旋转 ， 辅助车辆起步。 7 6 图 I系统原理简图 1 _ 制动踏板 2 ． 电子控制单元 3 ． 发动机 4 ．传动系统 5 ． 驱动轮 6 ． 低压蓄能器 7 ． 高压蓄能器 8 ．二通插装阀 9 ．安全阀 1 0 ． 滤清器 1 1 ．排量控制油路 1 2 ． 变量泵／ 马达 1 3 ． 同步器 车辆制动时的原理简图⋯ ， 如图2 所示。在车辆制动时， 发动 机离合器分离， 车辆动能通过同步器齿轮带动泵旋转 ， 根据踏板 行程， 压力油按比例的储存在蓄能器中。 一 一 图 2车辆制动时 图3车辆起步时 l乍辆起步时的原理简图『1 1 ， 如图3 所示。车辆起步时， 蓄能器 单独工作， 车辆加速到某一速度时， 发动机与蓄能器共同工作。 车辆加速时的原理简图l jI ， 如图 4所示。车辆加速到 U l 1 O k m ／ h时发动机与蓄能器共同工作。让发动机在小油门并慢开 油门下加速， 可改善发动机加速工况， 避免油耗过多增加 。 图 4车辆加速时 问步器的作用是增大起步时的传动比，使车辆起步时蓄能 器能够单独驱动。起步与加速时， 变量泵与主传动的附加传动比 不同。 3变量泵／ 马达的理论排量 q 基本市 区循环工况表[3 1 ， 如表 1 所示。 由基本市 【x 二 循环工 况表 ，为提高蓄能器 的容积利用率 ， 取 0 ． 8 l n f f s ， 系统能提供的最大减速度越大， 蓄能器体积和重量 越大 ， 增 加附重 ． ． 由于在储能系统能量回收的初始阶段 ， 蓄能器压力最低 ， 排 量需调在最大位置q 。 考虑在蓄能器最低工作压力P 时， 系统能 提供制动减速度 ％。开始制动时变量泵冯 达 的排量 ‰ C 焉aA u2 I ⋯ 蓄能器单 独加 速到 U , 1 l O k m ／ h时 ，发动机与蓄能器共 同工 作。由表 1 取起步时加速度为 1 ． 0 4 m ／ s ， 系统能提供的最大加 速度越大， 泵排量越大， 价格越高， 系统成本增加。 表 1基本市区循环工况表 次序 状态 序号 加速度 m ／ s 速度 m l s 操作时间 s工况时间 S累计时间 s 起步过程变量泵， 马达的排量 略去风阻 为 一 6 m r p - - p i o ， 7 。 叼 蓄能器 的流量 S m a m ,ff u i 加速到“ 时蓄能器的内气体压力为P p。 f E dt f 2 J 3 4 加速到 。 时变量泵／ 马达的排量 ， _ rl_ 5 ” P 3 - p J i o 。 式 中 P 一蓄能器 的最低工作压 力 ； p ， 一回油压 力 ； q 变量泉／ 马达的理论排量； 一液压泵等效到车轮的制动力矩 一 汽车质量 ； “ 一开始制动 时的车速 ； A 一迎 风 面积 ； 艿 一质 量 换算系数 ； 0一 车轮的转动惯量； r 一车轮半径 ； 叼 一泵的机 械效率； 卵 一主传动的效率 ； 叼 一蓄能器的效率 ； 一 主传 动的传动比； 0 动时泵与主传动系的附加传动比； 厂 ～ 起步时泵与主传动系的附加传动比。 的值取得过大 ， 能量 回收时效率低 ， 设计 时应合 理选取 值 ， 初步设计时可先在 2 N 3 之间选取 ， 然后再根据结果调整 。 的值取得过小， P 值过高， 回收一定能量时会使蓄能器容 No ． 1 0 O c t ． 2 0 1 1 机 械 设 计 与 制 造 1 9 5 积较大。设计时应合理选取 值， 初步设计时可先在 5 ～ 6 之间 选取 ， 然后再根据结果调整。 变量泵冯 达的排量 q 太小， p 值增大，蓄能器的器容积较 大； 变量泵／ 马达的排量q 太大， 价格较高， 引起系统成本增加， 变 量泵／ 马达的排量可在 0 ． 0 5 6 0 ． 1 4 0 L ／r 之间比较合适。 P 。 越低， 吸 收相同制动能量时， 蓄能器体积越小。经验决定最高工作压力P 的确定不能超过最低工作压力的三倍目 ， 即p 2 - 。先确定蓄能 器 的最低工作压力 P 。 ， 然后根据方程 1 ～ 5 可得到变量泵／ 马达 的理论排量 g g 州， q ⋯q 最好比较接近，取其中较大者作为变 量泵／ 马达的理论排量。 如果变量泵／ 马达的理论排量不合适， 可调 整P 。 值重新计算。 4能量回收率 进入蓄能器 的流量 Q 兰 6 ～ r d 』 山 7 一k 胛。f 1 一 8 能量 回收率 F f Q x P i d t 9 _ 圳 - y， 5 - m“ 式中 田 厂一 能量回收率 ； 气体多变指数， 对于快速充放油 k的 取值应靠近 1 ． 4 。 5算例 根据上面的计算方法，在 M a t l a b应用软件上编制仿真程序 进行仿真 。 已知， m 1 2 t ， i o 5 ．19 2 1 ， i p 3 ， i p j --5 ， A 5 ． 5 m 2 , c - -- o ． 7 ， ．8 1 m ／ s ， ％Fl |0 4m／ s 2 , ua 3 2k m／ h， Pl1 0 ． 8 xl O 。 开始制动时变量泵／ 马达的排量 q -- O ． 1 3 7 5 由起步过程的仿真分析得加速到 ， 1 0 k m ／ h时变量 马达 的排量 q -- - 0 ． 9 8 1J r 由 g g 州取变量泵／ 马达 的理论排量为 g ． 1 4 0 l d r 。 制动过程蓄能器内气体压力、 流量、 变量泵／ 马达排量的变化 曲线， 如图 5 ～ 图7所示。由图 5 、 图6可得到能量回收率。 制动减速度为 q 0 ． 8 1 m2 ／ s 时各参数的取值 ，如表 2所示。 由表 2可知， 蓄能器容积、 制动条件相同时， 变量泵／ 马达的排量 越大， 成本越高， 蓄能器的最低工作压力越低， 充气压力越低， 能 量回收率越高； 变量泵／ 马达的排量越小，蓄能器的最低工作压力P 。 越高， 吸收相同制动能量时．． 蓄能器的体积越大， 增加附重。 表 2减速度 0 ． 8 1 m ／ s 时各参数的取值 一 量 置 一 媛 变速箱输出转速 r ／ m i n 图5变速箱输出转速与蓄能器内气体压力的变化 变速箱输出转速 r ／ ra i n 图 6变速箱输 出转速与蓄能器流量的变化曲线 变速箱输出转速 r ／ m i n 图7变速箱输出转速与泵／ 马达排量的变化曲线 6结束语 通过对液压储能传动的分析， 在实际应用中 为系统匹配一合 适的变量泵冯 达需要综合考虑多方面的因素， 其中， 蓄能器最低工 作压力、 起步时泵与主传动系统附加传动比、 制动时泵与主传动系 统附加传动比是关键因素， 匹配时要综合考虑系统成本和能量回收 率， 通过计算得出了能量回收率与变量 马达排量的关系， 为车 辆液压储能传动系统合理匹配变量泵／ 马达提供了依据。 参考文献 [ 1 ] N o r i o N a k a z a w a ， Y o i c h i r o K o n o ， E i j i r o T a k a o ， N o b u a k i T a k e d D e v e l o p me n t o f a B r a k i n g E n e r R e g e n e r a t i o n S y s t e mf o r C i t y B u s e s [ J ] ．S A E 8 7 2 2 6 5 ， 1 9 8 7 5 1 0 5 0 - 1 0 6 0 ． [ 2 ] 陈华志． 车辆制动能量 回收与再利用系统及控制技术研究[ D ] ． 北京理 工大学学报 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法 G B ／ T 1 8 3 8 8 6 2 0 0 1 [ s ] ． 中华人 民共和国国家标准 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 余 志生． 汽车理论[ M] ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 唐玉蓉． 试析皮囊式蓄能器的热力学状态及其对工作参数选择的影响 [ J ] ． 电子机械工程 ， 1 9 9 9 6 9 - 1 2 ． [ 6 ] 张志涌． 掌握和精通 MA T L A B [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 1 9 9 7 ．