namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»nami-101Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTИмитационное моделирование движения, статистический расчёт и сравнение характеристик транспортной машины, оснащённой двигателем внутреннего сгорания и комбинированной энергетической установкой с маховичным аккумулятором энергииSimulation modeling of motion, statistical calculation and comparison of the characteristics of a transport vehicle equipped with an internal combustion engine and a combined power unit with a flywheel energy accumulatorКорсунскийВ. А.KorsunskiyV. A.

канд. техн. наук, доцент кафедры «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы»

г. Москва 105005

PhD (Eng), associate professor of Department “Multi-purpose tracked machines and mobile robots”

Moscow 105005

vakormgtu@mail.ruФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation201913072020024553Copyright © Корсунский В.А., 20202020Корсунский В.А.Korsunskiy V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/101Введение

Введение. Транспортную машину с механической трансмиссией предлагается оснащать комбинированной энергетической установкой (КЭУ), состоящей из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и вспомогательного источника энергии – маховичного аккумулятора с бесступенчатым регулируемым приводом.

Целью настоящего исследования является оценка динамических качеств и эффективности транспортной машины большой грузоподъёмности, оснащённой механической трансмиссией при использовании КЭУ; установление допустимого уровня снижения мощности основного ДВС; определение диапазона установочной мощности привода МАЭ и его среднего значения КПД, а также расчёт уровня потребной энергоёмкости маховика при движении по различным типам местности.

Методология и методы

Методология и методы. Разработана универсальная методика имитационного статистического моделирования внешних возмущений, действующих на транспортную машину, оснащённую ступенчатой механической трансмиссией и обычным двигателем, или комбинированной энергетической установкой, содержащей ДВС и маховичный аккумулятор энергии с бесступенчатым приводом регулирования его передаточного числа.

Результаты и научная новизна. С помощью разработанной методики проведено сравнение характеристик транспортных машин по критерию средней скорости при движении по случайным трассам и произведена оценка эффективности использования КЭУ. Выполнена оценка влияния энергоёмкости МАЭ и математического ожидания КПД бесступенчатого привода, входящего в состав КЭУ, а также величины установочной мощности привода на среднюю скорость транспортной машины, оснащённой механической трансмиссией. Показано влияние статистических характеристик случайной дороги – математического ожидания и дисперсии коэффициента сопротивления прямолинейному движению машины – на прирост средней скорости движения транспортной машины с КЭУ и на скорость движения машины, оснащённой обычным ДВС. Для различных типов случайных трасс установлено влияние факторов, ограничивающих скорость движения транспортной машины, на эффективность применения маховичного аккумулятора энергии, используемого в составе КЭУ.

Практическая значимость

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют выполнять сравнительный анализ машин, оснащённых обычной или комбинированной энергетической установкой, при случайном внешнем воздействии со стороны дороги, а также оптимизировать параметры обычной и комбинированной энергетической установки.

Introduction

Introduction. It is proposed to equip the vehicle with a mechanical transmission with a combined power unit (CPU) consisting of an internal combustion engine (ICE) and an auxiliary power source – a flywheel accumulator with a continuously variable adjustable drive.

The purpose of this study was: to assess the dynamic qualities and efficiency of a heavy-duty transport vehicle equipped with a mechanical transmission using the CPU; to determine the allowable level of power reduction for the main ICE; to calculate the range of the installation power of the flywheel energy accumulator (FEA) with a continuously variable adjustable drive and its average efficiency, as well as the required flywheel energy consumption during vehicle motion in different types of terrain.

Methodology and research methods. A universal method of simulation has been developed which took into account the statistical modeling of external disturbances acting on a transport vehicle equipped with a stepped gearbox and a conventional engine, or with a CPU containing an ICE and a FEA with a continuously variable drive for adjusting its gear ratio.

Scientific novelty and results. The characteristics of transport vehicles were compared with the help of the developed methodology according to the criterion of the average speed in motion along random routes. As a result, the efficiency of using the CPU was estimated. The influence of FEA on the energy consumption was estimated as well and the mathematical expectation of the continuously variable drive efficiency as part of CPU was determined. Also the magnitude of the original drive power on the average speed of the transport vehicle equipped with a mechanical transmission was established. The influence of the statistical characteristics of a random road (the expectation and dispersion of the resistance coefficient to the straight-line movement of the machine) was shown on the average speed increase of both the transport vehicle with CPU and the vehicle equipped with a conventional ICE. The influence of factors which limited the speed of a transport vehicle on the efficiency of using a FEA as part of CPU was established for various types of random runs.

Practical significance

Practical significance. The results obtained made it possible to compare and analyze the motion of machines equipped both with a conventional or CPU along random roads and externally influenced by the roads as well as to optimize the parameters of a conventional and combined power unit.

статистический расчёткомбинированная энергетическая установкамаховичный аккумулятор энергиибесступенчатый приводмеханическая трансмиссияограничение скорости движениятранспортная машинаstatistical calculationcombined power unitflywheel energy accumulatorcontinuously variable drivemanual transmissionspeed limittransport vehicleReferencesДжента Д. Накопители кинетической энергии. Теория и практика современных маховичных систем. – М.: Мир, 1988. – 430 с.Dzhenta D. [Kinetic energy storage. Theory and practice of modern flywheel systems]. Moscow, Mir Publ., 1988. 430 p. (In Russian)Гулиа Н.В. Инерционные аккумуляторы энергии. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1973. – 240 с.Gulia N.V. [Inertia energy batteries]. Voronezh, VGU Publ., 1973. 240 p. (In Russian)Hansen J., O’Kain D. An Assessment of Flywheel High Power Energy Storage Technology for Hybrid Vehicles. Reports.December 2011, ORNL/TM-2010-280. URL: https://www.compositesworld.com/cdn/cms/ORNL%20Flywheel%20Assessment%20for%20Hybrid%20Vehicles%202011.pdf (дата обращения: 25.03.2019).Hansen J., O’Kain D. An Assessment of Flywheel High Power Energy Storage Technology for Hybrid Vehicles. Reports.December 2011, ORNL/TM-2010-280. Available at: https://www.compositesworld.com/cdn/cms/ORNL%20Flywheel%20Assessment%20for%20Hybrid%20Vehicles%202011.pdf (accessed 25 March 2019).Thoolen F. Development of an advanced high speed flywheel energy storage system. Eindhoven Technische Universiteit, Eindhoven, 1993. DOI: 10.6100/IR406829.Thoolen F. Development of an advanced high speed flywheel energy storage system. Eindhoven Technische Universiteit, Eindhoven, 1993. DOI: 10.6100/IR406829.Hedlund M., Lundin J., Santiago J., Abrahamsson J., Bernhof H. Flywheel Energy Storage for Automotive Applications // Energies. – 2015. – No. 8. – P. 1063610663. DOI: 10.3390/en81010636.Hedlund M., Lundin J., Santiago J., Abrahamsson J., Bernhoff H. Flywheel Energy Storage for Automotive Applications. Energies, 2015, no. 8, pp. 10636–10663. DOI: 10.3390/en81010636.Dhand A., Pullen K. Review of flywheel based internal combustion engine hybrid vehicles // International Journal of Automotive Technology. – 2013. – No. 10. Vol. 14. – Issue 5. – P. 797–804.Dhand A., Pullen K. Review of flywheel based internal combustion engine hybrid vehicles. International Journal of Automotive Technology, 2013, no. 10, vol. 14, issue 5, pp. 797–804.Breakthrough in Ricardo Kinergy ‘second generation’ high-speed flywheel technology. 21.08.2011. URL: https://ricardo.com/news-and-media/press-releases/breakthrough-in-ricardo-kinergy-‘second-generation (дата обращения: 25.03.2019).Breakthrough in Ricardo Kinergy ‘second generation’ high-speed flywheel technology. 21.08.2011. Available at: https://ricardo.com/news-and-media/press-releases/breakthrough-in-ricardo-kinergy-‘second-generation (accessed 25 March 2019).Hearn C., Flynn M., Lewis M., Thompson R.C., Longoria R.G. Low Cost Flywheel Energy Storage for a Fuel Cell Powered Transit Bus / Vehicle Power and Propulsion Conference, Sept. 9 – 12, 2007. VPPC 2007. IEEE. DOI: 10.1109/VPPC.2007.4544239.Hearn C., Flynn M., Lewis M., Thompson R.C., Longoria R.G. Low Cost Flywheel Energy Storage for a Fuel Cell Powered Transit Bus / Vehicle Power and Propulsion Conference, Sept. 9 – 12, 2007. VPPC 2007. IEEE. DOI: 10.1109/VPPC.2007.4544239.Hebner R., Beno J., Walls W. Flywheel batteries come around again // IEEE Spectrum. – 2002. – Vol. 39. No. 4. – P. 46–51.Hebner R., Beno J., Walls W. Flywheel batteries come around again. IEEE Spectrum, 2002, vol. 39, no. 4, pp. 46–51.Корсунский В.А. Методика статистического расчёта параметров транспортной машины с комбинированной энергетической установкой и маховичным аккумулятором энергии // Труды НАМИ. – 2018. – № 1 (272). – С. 78–88.Korsunskiy V.A. [The method of statistical parameters calculation of a transport vehicle with a combined power unit and a flywheel energy storage]. Trudy NAMI, 2018, no. 1 (272), pp. 78–88. (In Russian)Савочкин В.А., Дмитриев А.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин. – М.: Машиностроение, 1993. – 320 с.Savochkin V.A., Dmitriev A.A. [Statistical dynamics of transport and traction tracked vehicles]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1993. 320 p. (In Russian)Корсунский В.А. Математическая модель гидрообъёмно-механического привода маховичного аккумулятора энергии // Труды НАМИ. – 2017. – № 4 (271). С. 38–45.Korsunskiy V.A. [Mathematical model of hydrostatic-mechanical drive for the flywheel energy storage]. Trudy NAMI, 2017, no. 4 (271), pp. 38–45. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.