液压式制动能量再生系统参数计算与仿真研究.pdf

1 8 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 9期 2 0 1 1 年 9月 文章 编号 1 O O l 一 3 9 9 7 2 0 1 1 0 9 0 0 1 8 0 2 液压式制动能量再生系统参数计算与仿真研究 胡晓明 陈明华 范钦 满 淮阴工学院 交通工程学院， 淮安 2 2 3 0 0 3 Pa r a me t e r c o mp u t a t i o n a n d s i mu l a t i o n f o r h y d r a u l i c b r a k i n g e n e r g y r e g e n e r a t i o n s y s t e m H U X i a o m i n g ， C HE N Mi n g h u a n ， F A N Q i n - ma n ’ H u a i y i n I n s t i t u t e o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ， H u a i ’ a n 2 2 3 0 0 3 ， C h i n a ； 【 摘 要】 同 其他几种能量储存方式的制动能量再生系统相比， 液压式储能具有最大的功率密 度，{ }适用于公交车的频繁制动、 启动情况， 在公交车液压式制动能量再生系统的设计中， 首先要确定蓄能 { ；器、 液压泵／ 马达排量和附加传动比这些参数。 对蓄能器的参数， 主要是以较少的容积储存较多的能量为 ； l约束进行计算。 液压泵／ 马达排量和附加传动比这两个参数通过仿真计算确定。 仿真表明所选的参数可 i }以将公交车在 5 ．2 s内制动停止， 平均减加速度为 1 ． 6 2 m ／ s ， 满足公交车的一般进站制动性能要求。 { ； ． 关键词 制动能量再生系统； 液压泵／ 马达； 液压蓄能器 { ； 【 A b s t r a c t 】 T h e H y d r a u l ic b r a k i n g e n e r g y r e g e n e r a t io n s y s t e m h a s t h e m a x i m u m p o w e r d e n s i ty c o m 一； } p a r e d w i t h s e v e r a l o t h e r e n e r g y s t o r a g e w a y s ， w h i c h is s u i t a b le f o r t h e s i t u a t io n o f t h e b u s f r e q u e n t l y b r akin g{ l a n d s t a r t i n g ．I n t h e 如s o f t h e b us h y d r a u l i c b r aki n g e n e r gy r e g e n e r at i v e s y s t e m ， t h e s e p ar a m e te r s s u c h f l； ；d e l iv e ry c a p a c i ty ofa c c u m u l at o r ， h y d r a u l i c p u m p ／ m o t o r ， a n d a d d i t io n a l t r an s m is s i o n r at i o s h o u l d b e c o n fi r m e d{ fi r s t ly ．Wi t h th e c o nst r a i n t ofd e p o s i t i n g m ,o r e e n e r gy i n l e s s c a p a c i t y ， t h e p ara m e t e r of acc u m u l at o r is c o m p u t 一 { }e d ， w h i l e t h e p ar a m e t e r s s u c h a s d e l iv e r y c a p a c i ty ofh y d r a u l i c p u m p m o t o r ， a n d a d d i t i o n al t r a n s m is s io n r at io； ；is de t e r m i n e d b y s i m u l at i o n ． T h e s i m u l at i o n r e s u lt s h o w s t h at t h e s e l e c t e d p ar a m e t e r s C an m a k e b us b r a k e i n； ；5 ．2 s ， w h i c h a v e r a g e dec e le r at i o n a n d ac c e l e r at i o n is 1 ．6 2 m ／ s 2 , and m e e t t h e b r a k e p e r e ofb us ． ； K e y w o r d s B r a k i n g e n e r g y r e g e n e r a t i v e s y s t e m； H y d r a u l i c p u m p ／ m o t o r ； H y d r a ul i c a c c u m ul a t o r； 中图分类号 T H1 2 2 ， U 4 6 3 ． 5 3 3 文献标识码 A 1引言 根据能量储存方式的不同， 公交车制动能量再生系统可分为 飞轮储能、 电化学储能和液压储能三种型式。 液压储能的能量密度 相比飞轮储能与电化学储能都小， 但液压储能方式在三者中具有最 大的功率密度， 能在车辆起步和加速时提供给车辆所需要的大扭 矩。 同时， 液压储能可较长时间储能旧。因此， 液压式制动能量再生 系统具有良好的发展前景。 液压式制动能量再生系统由液压蓄能 器、 液压泵冯达、 附加传动系统和控制系统等组成， 如图 1 所示。 液压泵， 马达 图 1液压式制动能量再生系统结构图 2制动能量再生系统参数计算 以南京某厂生产的 N J G 6 1 0 3 H D K公交车为研究对象 ， 其主 要参数有汽车总质量 m 1 0 8 0 0 k g ， 主减速比 6 ． 5 ， 车轮半径 r 0 ． 4 6 m。由于城区运行的公交车速度一般在 2 0 - - 4 0 k m ／ h ， 所以这 里初始制动速度选 v o 3 0 k m ／ h 。 2 ． 1蓄能器参数的计算 选择蓄能器时， 应在保证其安全可靠的前提下， 以较少的容积 储存较多的能量。根据气体定律有P 。 c 1 式中 p 。 、 P ． t 9 、 P 一液压蓄能器的充气压力、 最低工作压力、 最高 工作压力和任意状态压力 ； V 。 、 V 、 V 2 、 应容积； 后 一多 变指数 ， 能量回收储存时按绝热过程考虑 ， k 1 ． 4 。 液压蓄能器所能存储的能量E为 E 一l p d V 2 由式 1 可知 p ， 3 将 式 3 代 入 式 2 整 理 可 得 l 一 l l 蓄能器最高工作压力受最大公称压力和安全性等因素限 制， 通常为 2 o ～ 3 0 MP a 。从式 4 可知在最高工作压力P 为定值 情况下， 不同的工作压力使蓄能器的存储能力不同。 令 d E al p F0 ， 整理可得 p P 2 5 按上式确定的最低工作压力P ， 可使蓄能器在容积和最高工 作压力P 2 为定值的情况下所能存储的能量最大。将式 5 代人式 善 4 可得蓄能器所能存储的最大能量E 一为 E 。 P 2 V ， 6 蓄能器的容积取决于车辆的制动能量 E ， 在不考虑能量回 收损失的情况下 ， 有 P ， V 7 其中， E 由下式确定 E _1 8 ， 聊 8 式中 占 一旋转质量换算系数 ， 取 1 ． 0 4 。 将上式代人式 7 ， 可得 V 1 3 ．2 5 3 m v o 1 2 p 9 } 2 由 式 1 和 9 可 知 蓄 能 器 的 体 积 为 V o 1 一3 2 5 8 m v 0 1 0 ★来稿 日期 2 0 1 0 - 1 1 - 2 4★基金项 目 淮安市科技支撑计划 工业 指导项 目 H AG Z 2 0 1 0 0 0 4 第9 期 胡晓明等 液压式制动能量再生系统参数计算与仿真研究 1 9 上式中的充气压力P o 和最低工作压力P ． 的关系一般为P 。 s 0 ．6 o ． 8 5 。 这里取 0 ．印 。 取蓄能器最高工作压力p 3 0 MP a ， 将公交车的参数分别代入 5 、 8 、 9 和 1 o N得P ． -- 9 ． 2 4 M P a ， 取 P 1 0 M P a ； p o 8 MP a ； E v 3 ． 8 9 x 1 0 5 J ； V 1 4 2 ． 2 L ； v o 4 9 ．5 L 。 根据计 算的参数可以选取欧标的B A S - 5 0 ／ 3 3 0 - G型号蓄能器。 2 - 2液压泵／ 马达排量计算 车辆制动或减速时， 传动轴在惯性作用下带动液压泵／ 马达， 把车辆制动能量存储在蓄能器中。 存储的能量E ， 为 E f 。 氅 d ￡ 1 1 1 o 2 “ r r r l f 式 中 p 一液压泵／ 马达 出口压力 ， 不计能量损失则为蓄能器压力 ； q 一液压泵／ 马达排量 ； i 一在传动轴和泵／ 马达之间的附加传 动比； 一车辆速度； 叼 一系统传动效率。 。 ／ { 蓄 能 器 压 力P 由 下 式 得p ． p 。 { l 由于蓄能器 中充入液压油 ， 则蓄能器体积 为 r V V l 一 △V V 1一I n q d t J 0 式中 ， r 泵 的转速 ， 由下式给出 n i i v l 2 “r r r 车辆的速度 为 l o a t 将式 1 1 一 1 5 代入式 1 2 得 1 2 1 3 1 4 1 5 ； 瑚 『 盟 式中 0 ． _ 一 车辆的减速度， 是一个动态量， 由下式给出 一 7 根据式 1 2 一 1 7 编程可求得液压泵／ 马达和系统的各个参 数， 其流程图， 如图2 所示。 图 2各参数的计算流程图 3仿真计算与结果分析 图 3回收的能量同附加传动比的关系 将公交车参数和计算的蓄能器参数值代人 MA T L A B程序， 进行以下仿真 1 回收的能量和附加传动比的关系， 对排量 q分 别为 1 0 7 、 1 2 5 、 1 6 0 m l 的液压泵／ 马达， 在不同的附加传动 比 下 进行仿真， 车辆制动停止后蓄能器回收的能量， 如图 3所示。 从 图 3中可以看出回收的能量同附加传动比成正向变化。 在安装空 间允许的情况下， 大的附加传动比可以提高能量的回收率。 但液 压泵／ 马达的转速有工作范围， 当车辆刚开始制动时液压泵／ 马达 1 ／ 转速最高， 因此附加传动比 要满足下式要求 ≤n 1 8 二 I I， 式中 『 _ _ 液压菊马达允许的最高转速， 般在 2 7 0 0 - 3 0 0 0 r ／ ra i n 。 这里取 n , 2 7 0 0 d m i n ， 将此代人上式可得 2 ．4 。 此时 3 种 排量的能量回收率分别为 7 3 ． 1 ％、 7 6 ． 6 ％和 7 8 ． 9 ％。 2 i F2 ． 4情况下 ， 制动距 离和减加速度 同时间关系 ， 3 种排 量液压泵／ 马达的制动距离和减加速度同时间关系， 如图 4 所示。 图 4制动距离和减加速度 同时间关系 ＼ ＼ ＼ ． 一 一 I ／／ ＼ 1 转速r／ s ＼ 慝 ／ 。’ ＼ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 s ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 。。7 S 图 5系统主要参数和回收能量变化 ∞ 如 加 m 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n uf a c t u r e 第 9期 2 0 1 1 年 9月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 9 0 0 2 0 0 3 微型齿轮箱五维装配 系统的结构设计 半 侯荣国 冯延森董 锋王士军 山东理工大学 机械工程学院 精密与特种加工省级重点实验室 ， 淄博 2 5 5 0 4 9 De s i g n f o r s t r u c t u r e o f f i v e - d i me n s i on a l a s s e mb l y s y s t e m o f mi c r o g e e r b o x H OU R o n g g u o ， F E N G r a n s e n ， D O N G F e n g ， WA N G S h i - j u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g Ke y L a b o f S h a n d o n g P r e c i s i o n Ma n u f a c t u r i n g a n d No n t r a d i t i o n a l Ma c h i n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z i b o 2 5 5 0 4 9 ， C h i n a 【 摘要】 为了解决目 前机械制造业中 装配部分所占的劳动与制造成本较高的问题， 通过对微型齿 轮箱的生产装配过程进行研 究， 而设计 了一套针对微型齿轮箱的五维装配系统。 该五维装配系统具有 、I ， 、 z三方向直线移动功能和两个绕 z向旋转功能， 并且可实现相互间准确的空间位置关系， 可精确 控制动作的位置和高度 ， 完成零件从一个位置抓取、 运送并准确装入到另一个待装位置进行装配。 主要 设计 了自动夹紧装配机构、 气动机械手机构和实现五维运动的传动结构等机械传动部分。 设计还对五 维装配系统的总体布局及其组成部分进行了详细设计， 并给出了五维装配系统结构的主要性能规格参 数。 该装配系统可大大降低生产成本和减轻装配工人的劳动力 关键词 微型齿轮箱 ； 五维装配系统； 柔性制造 【 A b s t r a c t 】 ／ t y o c u s e s o n t h e d e s i g n o f fiv e - d i m e n s i o n a a s s e m b l y s y s t e mf o r t h e mi c r o g e a r b o x s t r u c t u r e b y s t u d y i n g o f t h e a s s e mb l y p r o c e s s i n o r d e r t o s o l v e t h e h i g h c O S t o f l a b o r a n d ma n u f a c t u r e a v a i l abl e i n manu f a c t u r i n g a n d ass e mb l y i n d u s t r y ． h r s t l y i n t r o d u c e s t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d v a r i o u s c o m p o n e n t s Q 厂 t h e fi v e - d i m e n s i o n a l a s s e m b l y s y s t e m， w h i c h d e s c r i b e s t h e ．f o r m s o fmo v e m e n t ． T h e y are X， Y， Zt h r e e d i me n s i o n a l mo v e me n t s a n d t wo r o t a t i o n mo v e me n t s aro u n d Z a xi s ． T h e wo r k’ S a i m i s t o e n s u r e t h e a c c u r ac y p 0 i t i o t h e s p i a l l o c a t i o n a n d t 0， - e 以 Z e 0 r p e c e， n o r e ， n e n t f r o ， n o n e p o s i t i o n t o t h e o t h e r o f u Z 一 l l t h e a s s e m b l y t ask t h r o u g h c a p t u r i n g a c o m p o nen t f r o m o n e p o s i t i o n , c o n v e y i n g i t and l o a d i n g i t C I C U r at e l y o n a s t a y p o s i t i o n t o b e ass e mb l e d ． T h e n t h e a u t o c l a m p i n g ass e mb l y m e c h a n i s m， p n e u m a t i c m a n u l ato r i s d e s i g n e d t o a c h i e v e ； v e d i m e n s i o n a l m o v e m e n t o f t h e d r i v e ． F u r t h e r mo r e 0 d e t a i f d e s i g n i n o v e r a l l l a y o u t o f t h e 5 r e d i me nsi o n a l ass e m b l y s y s t e m as w e l l as t h e i r c o m p o s i t i o n i s p r e s e n t e d ．i n w h i c h n p e rf o r ma , e and s p e c ific at i o n oft h e s y s t e m i s p r o v i d e d ． The ass e m b l y s y s t e m m a y r e d u c e g r e a t l yt h e c o s t of p r o d u c t i o n a n d l abo r o fass e mb l y w o r k e r s ． } Ke v wo r d s F i v e d i me n s i o n a l mo v e me n t a s s e mb l y s y s t e m； F l e x i b l e ma n u f a c t u r i n g ； Mi c r o g e e r b o x ⋯ ． 、 L ⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯～ ⋯ ～ i 、 i、 、 i 、 ， 舢t、 、 、 ■ 、 中图分类号 T HI 6 1引言 文献标识码 A 品的装配成本占总制造成本的5 O ％左右。因此发展柔性装配技术 据统计。 在机械制造生产中约有 4 0 ％的劳动用于装配作业 ， 产 已成为亟待解决的问题 。 柔陛装配系统单元 ★来稿 日期 2 0 1 0 一 l 1 _ 0 5 ★基金项 目 山东省 自然科学基金项 臼 Z R 2 0 0 9 F Q 0 2 6 3 2 ．4 ， q 1 6 0 m l 时， 系统主要参数变化。当选用排量为 1 6 0 m l 的液压泵／ 马达为系统能量的转换元件， 在附加传动比 2 ． 4时。 如图5 所示。从图 5中看出， 车辆完全在液压泵／ 马达的制 动下， 经过 5 ．2 s 运行 2 5 ． 3 m车辆停止， 蓄能器压力由 1 0 M P a 上升 到 2 7 ．7 MP a ， 存储的能量为 3 ． 0 7 x 1 0 s J 。在车辆起步加速初期可 以提供大 约 6 9 ～ 6 0 k w 的功牢 ， 减少 了发动 机在 起步阶段的功 率输 出， 减少 了燃油消耗。 4结 论 1 在液压式制动能量再生系统的设计 中， 蓄能器的选择需要 考虑多方面因素， 关键是要以较少的容积储存较多的能量， 以此为 条件约束对蓄能器的参数进行 r 计算。 2 附加传动比和液压 马 达的排量对系统的能量回收和制动都有很大的影响， 通过仿真确定 了附加传动比和排量，仿真表明所选的参数符合制动系统的要求。 3 从公交车的安装空间来考虑， 附加传动比和排量的选择应是一 个优化的过程，但只是从满足制动性能要求出发并没考虑优化问 题， 在以后的研究中可以用优化算法对这两个参数进行优化。 参考文献 『 1 ] 何 ．汽车制动能量再生方法的探讨 I J ] ．江苏大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 3． 2 4 6 1 4 ． 2 j I C o r b 0 ， F E C o r c i o n e ．E n e r , m a n a g e m e n t i n f u e l c e l l p o w e r t r a i n s ． [ J J ． E n e r g y c o n v e r s i o n a n d Ma n a g e me n t ， 2 0 0 6 ， 4 7 1 8 3 2 5 5 - 3 2 7 1 ． f 3 ] 万里翔 ， 柯坚， 许明恒． 汽车能量回收系统的研究[ n机床与液压， 2 0 0 3 ， 2 4 6 l 一 3 ． 4 ] 吴其伟 ， 吕林 ， 锁 圈涛城 市公交车发动机循环工况的试验研究与建立 [ J I _ 内燃机 T 程， 2 0 0 6 ， 2 7 3 7 3 7 6 ． 5 ] 张文春．汽车理论 M] ．北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 2 7 - 2 8 ． 6 Y 左武， 赵东标小型汽车制动能量冉生系统参数建模及仿真[ J ] _ 系统 仿真学报， 2 o o 8 ， 2 0 7 3 5 7 8 3 5 8 1 ．