英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
再生制动系统的设计和实现
Debasish Adhikary Muhammad Ziaur Rahman Md Minal Nahin
孟加拉国工程技术大学机械工程系，达卡，孟加拉国
Muhammed Soyeb Bin Abdullah
新泽西理工学院，NJ，美国
摘要:在汽车制动期间，所有的动能都以制动、克服空气阻力、克服滚动阻力的形式而被消耗掉。在本文中，已经开发了用于回收能量的方法。为此使用了飞轮机构。回收的能量用于驱动气动制动系统中的空气压缩机而不是使汽车加速。通过使用SOLIDWORKS的仿真研究了能量回收过程和能量的使用情况。该系统已应用于一些可用的循环工况，如NEDC循环工况，Artemis循环工况，FTP-75循环工况，10-15模式日本循环工况，WLTC循环工况，我们已找出开发系统的最合适的循环工况，相应的结果已经提出并且是相当合理的。我们发现在典型车辆中消耗的约12％的总能量是用于驱动压缩机的。因此，通过使用这种飞轮机构，可以节省能量并且可以提高燃料效率。
引言
在汽车制动期间，由于固定部件和运动部件之间的摩擦，整体动能以热量的形式损失。然后汽车将消耗燃料以达到其先前的状态。但现在是一个追求以减少燃油消耗而确保最少的能源使用的时代，因此制动能量回收系统是非常重要的。由于人们已经很早的感觉到了能源危机，它也将慢慢演变成最坏的情况，因此在70年代初，人们已经进行研究搭载制动能量回收系统以达到最小化燃料消耗和提高汽车的性能的作用[5,6,7]。由于空气污染和温室气体很大一部分来源于燃料的燃烧，因此减少的燃油消耗将减少空气污染和全球变暖[8,9,10]。
所以，制动能量回收系统应该应用于汽车当中，并且此系统应该有一些必要的属性。要求如下：尺寸小的能量存储器重量不得超过预期水平，短时间内回收能量的时间等于制动时间、避免出现过度复杂的系统、需要保持平稳的能量传递等[1]。再生制动系统的优点可以表示为减少燃料消耗和排放控制、减少制动器磨损等，因为摩擦制动器不在这里使用[12]。
制动能量回收系统的概念首先被引入到电气化铁路，其中电动机在制动时用作发电机。发电机存储的能量后期被用于加速列车。电子元件和控制电路的发明对能量回收制动系统的提升起了很大的作用 [13,14]。该想法再次被用于混合动力车辆，其中制动能量在发电机的辅助下被回收并且被保存在电池中，然后在需要时，存储的能量将通过逆变器流到发电机并将其转换为电机使汽车加速。但问题是，由于使用这么多的部件，不仅会增加车辆的重量，也会增加成本[2,3,4]。另一种使用液压蓄能器的系统也面临着同样的问题，因为没有有效的可变位移排量泵。但研究仍然将设计高效率原型来减少部分问题[15]。
KERS（动能回收系统）是回收失去的制动能量的另一种系统。通过该系统，回收的制动能量存储在飞轮中，该能量可为电池充电或直接用于加速车辆[17]。这里的主要问题是复杂的传动系统。基于飞轮的再生制动系统是由沃尔沃开发，它被广泛认为将减少25％的燃料消耗[81]。
然而，在本文中记录了再生制动器的优点，已经提出了一种系统，并且已经进行了不同的观察以减少前面所提出的那些问题。 这里使用的主要部件是CVT（无级变速器），飞轮和离合器。 回收的能量存储在飞轮中，并且随后用于运行现有的压缩机，以在制动期间补充使用的压缩空气。 基于一些分析进行调查，以找出根据其重量、制动后获得的初始速度和最终速度以及制动期间的位移能回收最大或最小制动能量。然后比较理论和实验结果来确定精度。再次，不同的驾驶循环工况已经被研究并应用于实验汽车。汽车显示不同量的能量回收，因此燃料消耗的百分比降低。
名称
标志 解释
特征摩擦表面积
阻力系数
滚动阻力系数
F 力
阻力
滚动摩擦力
a 加速度
g 重力加速度
m 质量
s 位移
u 初始速度
v 末速度
液体密度
方法
制动能量分析:
实际制动能量和理论制动能量之间的比较
在再生制动系统的设计开始时，进行计算以比较制动系统的理论值和实际值大小。并且发现理论值和实际值之间的差异非常小。因此，这里使用的理论分析是相当合理的。表1显示了理论制动能量和实际制动能量的比较。
|
u (m/s) |
V (m/s) |
S(m) |
理论制动能量（J） |
制动蹄上的力（N） |
实际制动能量（J） |
|
9.72 |
0 |
9.85 |
185694.7388 |
18532 |
182540.2 |
|
6.1 |
0 |
3.86 |
73765.85567 |
18532 |
71533.52 |
表1实际制动能量和理论
制动能量之间的比较
详细计算在参考文献[21]中提供。
在不同种类型车辆中制动能量的比较
汽车的制动能量取决于其质量、前部面积、制动期间的位移、初始速度、制动后的最终速度等。图1是制动能量与一些重要参数（例如车辆的初速度、最终速度和制动位移）的关系的图形表示。
图1在恒定制动位移情况下制动能量
和初始速度的关系（20m）
图1反映了制动能量与车辆初始速度的关系。对于所有类型的车辆制动位移都是一样的。从这两个图可以看出，对于轻型，中型和重型车辆，制动能量随着初始速度的增加而增加。但是，在重型车辆的情况下，与轻型和中型车辆相比，其增大幅度更多。
图2在恒定初速度情况下制动能量
和制动位移的关系（20m）
图3在恒定初速度情况下制动能量
百分数和制动位移的关系（20m）
图2和图3是随着制动位移的增加，制动能量以及制动能量百分数（相对于动能损失）之间的关系。在这里，我们可以看到，对于所有类型的车辆，即轻型、中型和重型，随着制动位移的减小，制动能量和制动能量百分数都在增长。但是假定初始速度对都是是20m，在重型车辆的情况下，制动能量的值和制动能量百分数增长幅度大于其它两种类型的车辆。
图4在恒定初始速度（20m/s）和恒定位移（5m）情况下制动能量和末速度的关系
图5核定初始速度（20m/s）和恒定位移（5m）情况下制动能量百分数和末速度的关系
图4和图5示出了制动能量以及制动能量百分数（相对于动能损失）与末速度的关系。随着末速度的降低，对于所有类型的车辆，制动能量和制动能量百分点户都有所增加。但是，对于所有类型的车辆，当初始速度和制动位移一定的情况下，对于重型车辆，其增加幅度是最大的。
因此，结论是，在具有高初始速度和低的模式速度以及小的感应位移的情况下的重型车辆，制动能量的量和其相对于制动期间损失的动能的百分比将是最大的。这是得出的结论是：在重型车辆发生艰难制动的情况下，需要最大制动能量。
建议的再生系统
在气动制动器的情况下，压缩空气是执行制动效果的先决条件。该压缩空气由从发动机获得动力的压缩机产生。压缩空气在制动期间使用。压缩机需要补充空气用于进一步的制动操作。在这种情况下，压缩机消耗增加了燃料消耗的功率。因此，如果可以通过使用回收的制动能量产生压缩空气，则可以减少燃料消耗。当再次满足压缩机的需要之后，额外的回收能量可以节省在飞轮中，进一步用于加速车辆。
对于所提出的系统，已经做出一些布置以简化操作并获得更好的性能。为此，已经使用了不同的离合器和CVT（无级变速器）。 使用CVT，使得可以获得不同传动比的动力。 它使系统能够拥有持续流动的动力。可变直径皮带轮和皮带是CVT的主要部分。 在CVT的两侧中的每一侧中有两个锥形滑轮，并且皮带装在这里。因为带的长度是恒定的，当锥体紧密定位时，皮带的最大直径和同时在另一侧锥体远离，反之亦然。这样，当一侧的直径增加或减小时，其在另一侧上将是相反的。 移动锥体所需的力可以通过液压压力、离心力或弹簧张力[19]来实现。
操作过程：
首先，应该有一个皮带轮装置来恢复制动能量并将能量传送到CVT。 CVT用于处理再次用于存储能量的飞轮的能量。
然而，该过程可以如下简要描述：
当驾驶员按压制动踏板时，来自储存器的压缩空气流动以使离合器1接合，离合器1用于驱动轴和CVT之间传递动力。同时，另一个压缩空气流移动到另一个离合器2，该离合器涉及接合或分离发动机和主压缩机。当主流到达离合器1时，其将接合，到离合器2的次级流将脱开离合器，以停止主压缩机的功率消耗。当主压缩机关闭时，不会消耗额外的燃料。
在离合器1接合时，驱动锥被分离并且从动锥被关闭。结果，在开始时，驱动器滑轮获得最大速度和功率，并且驱动器获得最小值速度和功率。该布置以这种方式设置，因为在开始时飞轮处于静止。随着时间的推移，驱动齿轮速度降低，从动齿轮速度增加。结果，飞轮在制动结束时获得最大速度。
由于压缩空气已用于执行制动操作，因此需要进行再生制动。在制动时，飞轮运行压缩机进行补偿[21]。并且存储在飞轮中的剩余能量用于进一步操作，例如加速汽车或给电池充电。
当驾驶员释放制动踏板时，压缩空气被释放到大气压力程度，并且CVT和带皮带轮之间的离合器分离。结果，汽车加速并且主压缩机准备好获得其先前的状态。图6示意出了系统的布置。
图6 再生制动系统示意图
飞轮的设计
现在需要适当的设计，使得飞轮可以在制动周期内存储制动能量。为此必须确保在制动操作期间获得最大功率。如果制动功率太大，那么惯性矩将很高，结果，消耗功率所需的时间将更长。并且如果惯性矩非常小，则存在获得超速的可能性，因此需要优化。尺寸应该使得其可以使用相同时间来获得最大制动功率。
图7显示了惯性矩和达到最大能量所需的时间之间的关系。
图7同速度下惯性力矩时间图
因此，如果惯性矩太大，则消耗功率所需的时间将很长，如果太小，则所需的时间将很短。因此，需要适当的转动惯量，使得存储制动能量所需的时间将近似于制动操作的时间。
从调查[21]，发现惯性矩的正确匹配为0.4。
制动能量回收
Solidworks建模
通过Solidworks进行仿真。在建模期间，CVT的效率和整个系统使用效率被设定为100％。 实验制动器操作时间为2秒，总制动能量为185694J [21]。该系统设计成飞轮消耗总制动能量的时间为2s。为了简化设计，整个车辆由大飞轮替代，内置有飞轮的电机，CVT的滑轮直径线性变化，总制动能量设置为电机替换飞轮运行车辆。然后，能量在制动操作时间（2s）期间流动到能量回收飞轮。
图8能量回收过程
图9显示了根据制动能量对时间的模拟获得的结果。
图9制动能量传输相对于时间的关系
再生制动系统的实施和驱动循环的能量分析
已经比较分析了不同的驾驶循环工况下加速和巡航所需的能量以及制动期间的能量损失。基于该分析，已经计算了在回收系统的帮助下燃料消耗的减少的情况。在计算期间，回收系统的效率是变化的。结果示于表2中。
加速时，
所以，因为加速所需要的能量=
在巡航加速度等于零的情况下。
所以由于巡航所需要的能量=
现在对于NEDC循环工况，
实验巴士运行所需的总能量=25307012J
假设以百分之百的回收效率来计算，最多可回收制动能量3882442J所以如果所有的制动能量可以用作加速或者巡航，那么将会减少等同能量的燃油消耗。故有100%回收效率的再生制动系统燃油减少量== =15.34%
|
回收比% |
100% |
90% |
80% |
70% |
|
循环工况 |
燃油减少百分比 |
|||
|
10-15模式循环工况 |
3 全文共7659字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[143027]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
|||
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
