Universitatea Transilvania din Brasov

Transcription

1 Investeşte în oameni! FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane Axa prioritară 1 Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie 1.5. Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării Titlul proiectului: Studii doctorale pentru dezvoltare durabilă (SD-DD) Numărul de identificare al contractului: POSDRU/6/1.5/S/6 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Universitatea Transilvania din Brasov Scoala Doctorala Interdisciplinara Centrul de cercetare: Produse high-tech pentru autovehicule Ing. Aron-Adrian PETRIC Imbunatatirea performantelor energetice si ecologice ale autovehiculelor prin utilizarea propulsiei hibrid hidraulice Improving energy and environmental performance of vehicles using hydraulic hybrid propulsion Conducător ştiinţific Prof. univ. dr. ing. Gheorghe Alexandru RADU BRASOV, 2011

2 MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, , TEL , FAX RECTORAT D-lui (D-nei)... COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov Nr din PREŞEDINTE: CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: REFERENŢI: - Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU DECAN Facultatea de Inginerie Mecanică Universitatea Transilvania din Braşov - Prof. univ. dr.ing. Gheorghe Alexandru RADU Universitatea Transilvania din Braşov - Prof. univ. em.dr. ing. Ioan I. POP Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca - Prof. univ. dr. ing. Ioan TABACU Universitatea din Piteşti - Prof. univ. dr. ing. Horia ABĂITĂNCEI Universitatea Transilvania din Braşov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: , ora 10, sala U I 6 a aulei Universitătii Transivania din Brasov, B-dul Iuliu Maniu 41 A Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util, pe adresa Facultăţii de Inginerie Mecanică, str. Politehnicii nr.1, tel/fax: , sau pe adresa de petricadrian@gmail.com Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat. Vă mulţumim.

3 CUVANT INAINTE Lucrarea de fata urmareste, prin aspectele de cercetare abordate, metodele de imbunatatire a performantelor energetice si ecologice ale autovehiculelor prin utilizarea propulsiei hibrid-hidraulice. În prezent, principalele cerinţe impuse sistemelor de propulsie pentru autovehicule sunt legate de reducerea emisiilor care contribuie la încălzirea globală şi utilizarea altor resurse energetice decât cele petroliere, deoarece acestea sunt limitate, iar necesarul de consum este în continuă creştere. Pentru a rezolva problematica resurselor limitate şi a poluării, s-au dezvoltat o serie de soluţii tehnice care înseamnă schimbări radicale ale sistemelor de propulsie. Pilele de combustibil utilizează hidrogenul şi emit doar vapori de apă. Biocombustibilii utilizează ca materie primă plantele. Autovehiculele electrice utilizează baterii reîncărcabile, iar soluţiile hibride se bazează pe o combinaţie a motorului convenţional cu o sursă alternativă (de exemplu electrică sau hidraulică). Constructia autovehiculului cu sistem de propulsie hibrid hidraulica fost realizatã in laboratorul de sonicitate si hidraulica din cadrul Centrului de Cercetare D02 Produse High-tech pentru Autovehicule al Universitã.ii Transilvania din Brasov. Simulările în mediu virtual au fost făcute la centrul de cercetare D02 Produse High-tech pentru Autovehicule al Universității Transilvania din Brașov, centru ce dispune de toate facilitățile necesare simulărilor în mediu virtual, având licențe pentru mai multe softuri de simulare de ultimă generație. Cercetarea experimentalã a fost realizatã în laboratoarele laboratorul de sonicitate si hidraulica din cadrul Centrului de Cercetare D02 Produse High-tech pentru Autovehicule al Universitãtii Transilvania din Brasov. Testele realizate pe autovehicul s-au realizat utilizând aparaturã de ultimã generatie pentru a asigura o precizie ridicatã de mãsurare. Adresez, cu deosebit respect, cele mai sincere mul.umiri domnului prof. dr. ing. Prof.dr.ing., dr. h. c. RADU Gheorghe Alexandru, în calitate de conducãtor stiintinfic, pentru îndrumãrile si recomandãrile fãcute cu înalt profesionalism si tot sprijinul acordat de-a lungul acestei perioade de elaborare a lucrãrii si încrederea avutã în reusitã. În mod deosebit doresc sã le multumesc domnului prof. dr. ing. Horia Abaitancei si sef lucr. ing. Radu Sebastian si intregii echipe din laboratorul LIAC si sala INA pentru intreg sprijinul acordat pe intreaga etapa de proiectare si constructie a autovehiculului hibrid-hidraulic si pentru tot sprijinul acordat de-a lungul acestei perioade de elaborare a lucrãrii si încrederea avutã în reusitã. Doresc sa multumesc intregului colectiv Centrului de Cercetare D02 Produse High-tech pentru Autovehicule al Universitãtii Transilvania din Brasov. Multumesc familiei mele pentru sprijinul, rãbdarea si încrederea acordata. Brașov, Septembrie 2011 Aron-Adrian PETRIC

4 CUPRINS Pg. Pg. teza rezumat 1. INTRODUCERE STUDIU CRITIC PRIVIND CONSTRUCTIA SI FUNCTIONAREA AUTOVEHICULELOR CU SISTEM DE PROPULSIE HIBRID Autovehicule hibride Autovehicule hibrid electrice Toyota Prius Hybrid Synergy Drive Ce este Toyota Hybrid Synergy Drive? Opel Ampera Autovehicule hibrid-hidraulice Avantaje autovehiculelor hibrid-hidraulice Concluzii asupra soluţiilor existente Soluţii ale propulsiei hidraulice aplicate la diferite vehicule Sistemul Eaton HLA Aspecte funcţionale Avantaje Artemis Intelligent Power Ltd Particularităţi constructive şi funcţionale Valentin Technology Particularităţi constructive şi funcţionale Autovehiculul hibrid hidraulic experimental realizat la Universitatea Transilvania din BRASOV Concepţia generală şi caracteristici ale autovehiculului STUDIUL CONVERTORULUI HIDRAULIC APLICAT LA PROPULSIA AUTOVEHICULULUI Principiul convertorului sonic Convertorul mecanic Convertorul hidraulic Convertorul sonic Simularea sistemului de propulsie bazat pe convertor sonic Obiectivul simulărilor

5 3.2.2 Programul simulărilor Modelul de simulare Rezultatele simulărilor Influenta turației de antrenare Influenta lungimii bratului de actionare Influenta Diametrului cilindrului generator Influenta Diametrului cilindrului de actionare REALIZAREA AUTOVEHICULULUI EXPERIMENTAL CU PROPULSIE HIBRID-HIDRAULICA, CU CONVERTOR SONIC Principiul de funcționare al modelului experimental Modul de simulare a sistemului de propulsie Studiul CAD al convertorului Calculul organologic al elementelor principale ale convertorului folosind metoda elementelor finite Principalele modificări aduse autovehiculului pentru montarea transmisiei hibrid-hidraulice Înlocuirea motorului Montarea ambielajului şi modul de antrenare a acestuia Montarea cilindrilor de acționare Montarea cuplajelor unisens INA HFL Montarea circuitului hidraulic PRINCIPALII PARAMETRI AI AUTOVEHICULULUI STUDIAT Principalele caracteristici tehnice ale autovehiculului Calculul rezistenţelor la înaintare Calculul rezistențelor la înaintare în regim staționar Rezistenţa la trecerea peste obstacole Caracteristicile de tracțiune Concluzii legate de valoarea rezistenței la rulare STRATEGIA, APARATURA SI METODICA CERCETĂRII EXPERIMENTALE Obiectivele cercetărilor experimentale Metodologia cercetării experimentale Aparatura folosită pentru cercetarea experimentală Laptop Amplificatorul de semnal pentru vibraţii

6 6.3.3 Accelerometre Placa de achiziţie Software-ul de achiziţie date Wave Scan Manometrul de tip DMM Tahometrul digital tip: EBRO-DT 1236L REZULTATELE CERCETĂRII EXPERIMENTALE Influenta turației de antrenare a motorului asupra turației rotii motoare Influenta lungimii brațului de acționare a motorului asupra turației rotii motoare ANALIZA ÎMBUNĂTĂȚIRII CALITĂȚILOR ENERGETICE SI ECOLOGICE AL AUTOVEHICULULUI HIBRID HIDRAULIC Aprecierea calităților energetice ale sistemului de propulsie cu convertor sono hidraulic : Aprecierea calităților energetice pe baza bilanțului vitezelor : Aprecierea calităților energetice pe baza bilanțului oscilațiilor maselor aflate în translație Aprecierea calităților ecologice Aprecierea calităților ecologice cu efect asupra emisiilor privind gazele de seră CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE, DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE BIBLIOGRAFIE Scurt Rezumat (romana/engleza) CV

7 CUPRINS Pg. Pg. teza rezumat 1.INTRODUCTION CRITICAL STUDY OF MOTOR VEHICLES WITH HYBRID 4 PROPULSION SYSTEM Hybrid vehicles Electric hybrid vehicles Toyota Prius Hybrid Synergy Drive What is the Toyota Hybrid Synergy Drive? Opel Ampera hydraulic hybrid vehicles Advantages hydraulic-hybrid vehicles Conclusions on existing solutions Hydraulic propulsion solutions applied to different vehicles Eaton HLA System operational aspects Advantages Artemis Intelligent Power Ltd Features constructive and functional Technology Valentin Features constructive and functional Experimental Hydraulic-hybrid vehicle of Transilvania University of Brasov General concept and characteristics of vehicle STUDY APPLIED TO HYDRAULIC PROPULSION VEHICLE CONVERTER Sonic converter Mechanical converter Hydraulic converter Sonic converter Simulation-based propulsion system sonic converter The objective of the simulations The simulation program 32 17

8 3.2.3 Simulation Model Simulation Results Influence speed drive Influence of drive arm length Influence of generator cylinder diameter Influence of drive cylinders diameter EXPERIMENTAL HYBRID-HYDRAULIC VEHICLE HYBRID- HYDRAULIC, WITH SONIC CONVERTER Working principle of the experimental model The simulation of the propulsion system Study of the converter CAD Calculation of the main elements of the converter organologic using finite element method The main changes to the vehicle'sto mount hydraulic hybrid transmission Replacement of engine Mounting crankshaft and how it drive Mounting the drive cylinders Mounting the valve couplings INA HFL Mounting the hydraulic circuit MAIN VEHICLE PARAMETERS STUDIED The main technical characteristics of the vehicle Calculation of resistance to advance Calculation of steady resistance to advance in Resistance to passage over obstacles Characteristics of traction Conclusions about the value of rolling resistance STRATEGY, APPARATUS AND METHOD OF EXPERIMENTAL RESEARCH Objectives of experimental research Experimental research methodology Equipment used for experimental research Laptop Amplifier for vibration signal Accelerometers Purchase Card Data acquisition software Wave Scan DMM gauge type

9 6.3.7 Digital Tachometer Type: EBRO 1236L-DT EXPERIMENTAL RESEARCH RESULTS The influence of the motor speed on the speed of the drive wheel The influence of arm length on the speed of the drive wheel ANALYSIS OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL IMPROVEMENT QUALITIES OF HYDRAULIC HYBRID VEHICLE Assessment of energy qualities of propulsion system based onconverter sono hydraulic Assessment of energy qualities on balance velocities Assessment of energy qualities based on mass balance fluctuations in translation Assessment of environmental quality Assessment of environmental quality on emissions of greenhouse gases FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS. DISSEMINATION OF RESULTS. FUTURE RESEARCH DIRECTIONS REFERENCES 56 Scurt Rezumat (romana/engleza) CV

10 1.INTRODUCERE În prezent, principalele cerinţe impuse sistemelor de propulsie pentru autovehicule sunt legate de reducerea emisiilor care contribuie la încălzirea globală şi utilizarea altor resurse energetice decât cele petroliere, deoarece acestea sunt limitate, iar necesarul de consum este în continuă creştere. Pentru a rezolva problematica resurselor limitate şi a poluării, s-au dezvoltat o serie de soluţii tehnice care înseamnă schimbări radicale ale sistemelor de propulsie. Pilele de combustibil utilizează hidrogenul şi emit doar vapori de apă. Biocombustibilii utilizează ca materie primă plantele. Autovehiculele electrice utilizează baterii reîncărcabile, iar soluţiile hibride se bazează pe o combinaţie a motorului convenţional cu o sursă alternativă (de exemplu electrică sau hidraulică). [22, 23, 24,25,26,31] Spre deosebire de autovehiculul hibrid-electric care utilizează baterii potenţial poluante şi grele (densitate de energie redusă), autovehiculul hibrid hidraulic utilizează materiale uşoare şi lichide ecologice pentru a propulsa autovehiculul la turaţii reduse. Deşi autovehiculele hibrid-electrice au dovedit că pot reduce la jumătate consumul utilizând energia de frânare, totuşi este utilizată numai 30% din energia de frânare. [126] Aceste condiţii au stat la baza motivaţiei cercetărilor Agenţiei de Mediu a SUA pentru sistemul de propulsie hibrid-hidraulic, care utilizează pentru stocarea energiei un sistem hidraulic. În momentul frânării, roţile antrenează o pompă care comprimă azotul, un gaz ieftin şi inert. În momentul accelerării, gazul comprimat antrenează în condiţii reversibile pompa, sprijinind propulsia autovehiculului. O astfel de soluţie, se estimează de către specialiştii EPA, are un potenţial de a recupera 70-80% din energia de frânare, ceea ce duce la o reducere cu 70% a consumului şi cu 40% a emisiilor. Evaluând aceste performanţe, responsabilul EPA pentru proiectul hibrid hidraulic, Charles Gray, a afirmat Aceasta va fi cea mai mare revoluţie în istoria automobilului, mai mare decât linia de montaj. Pe lângă avantajele arătate, sistemul hibrid-hidraulic este mai compact şi mai ieftin decât hibrizii convenţionali. Beneficiile potenţiale ale sistemelor hidrostatice ce stau la baza hibridului -hidraulic au condus la formarea de consorţii pentru promovarea acestor soluţii tehnice. O astfel de iniţiativă este condusă de EPA, având ca parteneri firme de renume din domeniul hidraulicii şi construcţiei de autovehicule. O altă iniţiativă este constituirea grupului de lucru pentru autovehicule hibrid-hidraulice al organizaţiei Next Energy, destinată promovării industriale a alternativelor în domeniul energiei în statul Michigan, SUA. Grupul de lucru este format din firme de renume, sintetizate în figura 1.1. Fig.1.1: Grupul de lucru al Next Energy pentru autovehicule hibrid- - hidraulice Autovehiculele hibrid-hidraulice sunt considerate şi de analiştii Fundaţiei guvernamentale britanice pentru promovarea energiei ecologice, Energy Saving Trust, ca soluţia de succes pentru anul Asupra beneficiilor sistemelor hidraulice şi-au exprimat părerea şi o serie de personalităţi implicate în dezvoltarea sistemelor hibrid-hidraulice figura

11 Această tehnologie economică nu are sens doar pentru mediu şi securitatea noastră energetică, dar şi pentru portofelele noastre, deoarece sistemul hibrid-hidraulic aplicat la acest autovehicul UPS este incredibil de avantajos. Astăzi vedem că soluţii inovative în domeniul energiei, precum hibridul-hidraulic, pot dinamiza economia naţională şi susţine succesul nostru în privinţa protecţiei mediului...america este prea dependentă de ţiţeiul importat şi cea mai bună cale de a evita acest tăvălug este prin tehnologii inovative precum cea pe care o vedem astăzi. Adminsitrator EPA Steve Johnson Eaton este mândră să colaboreze cu EPA şi partenerii industriali în a aduce o tehnologie de graniţă pe piaţă. Tehnologii inovative precum autoutilitara hibrid-hidraulică reprezintă ţinta Eaton privind mangementul energetic, produse de vârf pe piaţă şi responsabilitate pentru mediu. Alexander M. Cutler, CEO Eaton Corporation Fig. 1.2: Opinii ale diferitelor personalităţi asupra sistemului hibrid hidraulic Rezultatele anterioare obținute in laboratorul de sonicitate si hidraulica si cercetările prezentate in teza de doctorat: Cercetări privind recuperarea energiei de frânare şi din amortizoare la autovehiculul hibrid hidraulic, precum si rezultatele raportate in literatura de specialitate arata o limitare a performantelor datorita pierderilor hidraulice. Din acest motiv s-a adoptat ca metoda de imbunatatirea a performantelor energetice si ecologice ale sistemului hidraulic de propulsie, o soluție bazata pe deplasarea alternativa a lichidului in momentul realizării cuplului de tracțiune. Deplasarea alternativa se realizează la viteze medii mai reduse fiind preconizate pierderi hidraulice mai reduse care au ca efect imbunatatirea performantelor energetice si ecologice. In consecința in teza se studiază o soluție alternativa de transmisie hidraulica bazata pe deplasarea alternativa a lichidului adoptata după soluțiile tehnice prezentate de Gogu Constantinescu si profesor Ioan I. Pop. Lucrarea a fost structurata in 9 capitole In capitolul 1: Introducere se precizează locul autovehiculelor hibride în contextul dezvoltării automobilelor economice şi cu poluare redusă şi în mod special se aduc argumente pentru dezvoltarea autovehiculului hibrid-hidraulic. Se prezintă succint obiectivele tezei de doctorat şi structura acesteia. In capitolul 2: Studiu analitic privind constructia si funcționarea sistemelor hibride de propulsie se face o analiză critică a sistemelor de propulsie hibrid, pe baza schemelor de principiu, a soluţiilor tehnice şi a rezultatelor obţinute de diverse firme. Se prezintă concluziile studiului de care se va ţine seama în dezvoltarea modelului propus în teză. In capitolul 3: Analiza convertoarelor hidraulice utilizate in propulsia hibrid-hidraulica este prezentata o analiza a convertoarelor hidraulice utilizate in propulsia hibrid-hidraulica si se prezintă modelele realizate folosind programul AMESIM pentru sistemul de propulsie hibridhidraulic.se analizează o serie de influenţe pentru a identifica factorii semnificativi care influenţează performanţele sistemului de propulsie conceput. 2

12 In capitolul 4: Realizarea autovehiculului experimental cu propulsie hibrid-hidraulica sunt descrise soluţiile constructive adoptate pentru sistemul de propulsie hibrid-hidraulic şi principalii parametri ai autovehiculului şi ai subsistemelor sale. In capitolul 5: Calculul dinamic al autovehiculului experimental se face o validare a rezultatelor obţinute din simulare. Acestea sunt axate pe validarea modelelor teoretice, si identificarea calităţilor de sistem de propulsie pentru autovehicul. In capitolul 6: Strategia, aparatura si metodica cercetarii experimentale se prezintă programul şi metodologia cercetărilor experimentale, aparatura de măsurare şi metodica cercetarii experimentale In capitolul 7: Rezultatele cercetarii experimentale se face o validare a rezultatelor obţinute din simulare cu cele măsurate. Acestea sunt axate pe validarea modelelor teoretice, identificarea calităţilor de sistem de propulsie pentru autovehicul, măsurarea parametrilor hidraulici pentru diferite condiţii de funcţionare şi structuri ale sistemului de propulsie. In capitolul 8: Analiza îmbunătățirii calităților energetice si ecologice al autovehiculului hibrid-hidraulic. Obiectivul analizei prezentate în acest capitol este realizarea unei sinteze asupra rezultatelor teoretice și experimentale realizate în cadrul cercetărilor. Analiza soluției tehnice pornește de la analiza structurii sistemului de propulsie hibrid hidraulic convențional și bazat pe convertorul hidraulic. In capitolul 9: Concluzii şi contribuţii personale se prezintă sinteza rezultatelor obţinute, metodele dezvoltate în timpul elaborării lucrării şi contribuţiile personale. 2. STUDIU CRITIC PRIVIND CONSTRUCTIA SI FUNCTIONAREA AUTOVEHICULELOR CU SISTEM DE PROPULSIE HIBRID 2.1 Autovehicule hibride Un automobil este considerat hibrid daca acesta este propulsat de cel puțin doua surse diferite de energie dintre care una non-poluanta. Aceste surse non-poluante pot fi: acumulatorii de tip rechargeable energy storage system sau RESS, hidrogenul, aerul comprimat, vântul, interacțiunea umana, gazul natural lichefiat sau energia solara. In prezent, cele mai răspândite surse alternative de energie sunt: hidrogenul, acumulatorii. Autovehiculele hibride (pe benzina, dar prevăzute si cu un dinam/motor electric si acumulator) si cele pe motorina au devenit noile ținte ale consumatorilor americani cu destul de mult timp in urma, acum atrăgând atenția si celor din Europa cat si din întreaga lume. Sursa de energie electrica, care atât cit exista motorul clasic, pe benzina, este de neepuizat, rulează mașina in anumite condiții, cu viteze mici. Motorul hibridului este extrem de silențios, la frânarea autovehiculului incarcindu-se motorul electric cu energie atât de valoroasa, fara nici o cheltuiala, pe care automobilul o va folosi, economisind din consumul de benzina al motorului clasic. [21,22] 2.2 Autovehicule hibrid electrice Toyota Prius Hybrid Synergy Drive [136] Noul sistem hibrid, care a echipat pentru prima data modelul Toyota Prius, este primul care va fi in concordanta cu un concept revoluționar numit Synergy Drive. Sistemele din 3

13 generația actuala se bazează pe un motor pe benzina, utilizat pentru a obține performante de vârf, si pe un motor electric auxiliar. Sistemul Hibrid Synergy Drive oferă motorului electric un rol mai important, sporindu-i performantele. Noul model Prius, prevăzut cu tehnologia " Sistem Hibrid Synergy Drive ", are performante de vârf, consum scăzut de combustibil si conduce detașat la capitolul autovehicule nepoluante. Fig.2.1 Toyota Prius Ce este Toyota Hybrid Synergy D rive? Un motor pe benzina, mai puternic, de 1.5-litri funcționează alături de un motor electric mai mic si mai eficient, pentru a obține performante care fac din modelul Prius un adversar serios la Segmentul D. Intr-adevăr, motorul electric este mai puternic decât cele mai multe motoare cu combustie interna de 1.0 pana la 1.2-litri. La 400 Nm de la rpm, cuplul modelului Prius este mai mare decât al motorului V6 diesel. Ca rezultat, poate obține o accelerare de la 0 la 100 km/h sub 11 secunde, cu 3 secunde mai puțin decât modelul actual si comparabil cu un autovehicul cu motor convențional diesel de 2.0-litri. Deoarece sistemul avansat de control hibrid folosește motorul electric ca sursa principala de putere, acesta asigura o ținuta de drum excepționala. Accelerarea este mare, dar liniara, mai ales de la 50 la 80 km/h, in timp ce zgomotele si vibrațiile sunt minime. Hybrid Synergy Drive oferă performanta cu un impact minim asupra mediului înconjurător: - Accelerare km/h in 10,9 sec, la un consum combinat de 4.3 l/100km - Motorul electric este cel mai puternic din lume, raportat la greutatea si marimea lui - Motorul pe benzina folosind ciclul Atkinson este cel mai eficient sistem pe benzina aflat in producție - Sistemul inteligent de frânare economisește combustibil, folosind energia cinetica a autovehiculului - Motorul pe benzina este oprit automat când Prius este oprit in trafic Opel Ampera Motorul electric Voltec aproape complet silenţios dezvoltă un cuplu instantaneu de 370 Nm şi o viteză maximă de 160 km/h. Tehnologia revoluţionară Opel utilizează electricitatea ca principală sursă de energie şi benzina ca pe o sursă secundară pentru a genera energia electrică. Principalele componente ale sistemului de propulsie electrică Voltec sunt pachetul de baterii de forma literei T, un motor electric (111 kw) şi un motor-generator de electricitate.[137] Tipul vehiculului: 5 uşi, 4 locuri, tracţiune faţă Baterie: 16 kwh, litiu-ion, răcire cu lichid, reîncărcabilă Autonomie baterie: până la 60 de kilometri1 Timp încărcare baterie: mai puţin de 3 ore1 4

14 Autonomie totală: mai mult de 500 km (folosind generatorul de la bord)1 Generator: funcţionează la un nivel constant de rpm Emisie CO2 pentru primii 60 de km: 0 g/100 km1 Viteza maximă: 161 km/h1 Putere furnizată: 111 kw/150 cp1 Cuplu: 370 Nm1 - cuplu instantaneu Fig. 2.2 Imagine Opel Ampera Opel Ampera reprezintă o nouă categorie de autovehicule electrice. În cazul modelelor hibride convenţionale propulsia este asigurată de un motor pe benzină, de un motor electric sau de ambele. În practică, autovehiculele hibride au nevoie de ambele surse de energie de motor şi baterie pentru a asigura capacitatea maximă de performanţă a autovehiculului. Un autovehicul electric cu autonomie extinsă (E-REV) este diferit de un model hibrid sau de un hibrid plug-in prin faptul că propulsia este întotdeauna asigurată de o unitate electrică. Modelul Opel Ampera nu are nevoie de carburant pentru a parcurge cei 60 km asiguraţi de autonomia bateriei. Fig. 2.3 Tehnologia Voltec Modelul Opel Ampera poate fi conectat la orice priză de 230 V din locuinţă, pentru a fi încărcat. Energia este stocată într-un pachet de baterii litiu-ion de 16 kwh, în forma literei T. Pachetul de baterii furnizează energie motorului electric, care poate permite autovehiculului să atingă viteza maximă şi să obţină performanţe cu privire la acceleraţie pe o distanţă de până la 60 km. 5

15 Şi beneficiul financiar este următorul: Opel Ampera te va costa în jur de 0.02 cenţi pe kilometru. Atunci când bateria este încărcată complet, poţi călători cu Volt până la 60 de kilometri. Aceştia reprezintă 60 de kilometri extremi de eficienţi din punct de vedere financiar.3 Calculând costurile pe un an, utilizarea unui Volt nu costă mai mult decât utilizarea unui aparat electrocasnic 2.3 Autovehicule hibrid-hidraulice Vehiculele hibride folosesc două surse de putere pentru sistemul de propulsiei. Într-un vehicul hibrid-hidraulic (HHV) un motor cu ardere internă şi un motor hidraulic sunt folosite pentru a transmite puterea la roţi. [13, 14, 15, 31] Există două tipuri de sisteme hibrid-hidraulice: paralel şi serie. În sistemul hibridhidraulic paralel atât motorul şi sistemul de transmisie hidraulic sunt cuplate mecanic la roţi.pompa hidraulica cu motorul este apoi legata la arborele cardanic sau diferenţial. Sistemul hibrid-hidraulic in serie se bazează în întregime pe presiunea hidraulică pentru antrenarea rotilor, ceea ce înseamnă că motorul nu furnizează direct energie mecanică a roţilor. Într-o configuraţie hibrid-hidraulic in serie un motor se ataşează la o pompa/motor hidraulic pentru a asigura presiune suplimentara la pompa de tracţiune / motor atunci când este necesar. Fig.2.4 Sistem hidraulic de propulsie Sistemele hidraulice aplicate la autovehicule au arătat ca este o soluţie destul de fiabilă. Economia de combustibil obţinută este de 70% şi reducerea de CO 2 de 40%.Iar tehnologia unică de recuperare a energiei întimpul frânarii reduce uzura frânelor cu 75% reducând costurile de mentenanţă Avantaje autovehiculelor hibrid-hidraulice La autovehiculele hibrid-hidraulice creste semnificativ economia de combustibil şi se reduc emisiile de noxe la un cost suplimentar foarte redus. Tehnologia hidraulica este de asemenea incredibil de puternic şi eficient pentru operaţiuni care necesită cantităţi uriaşe de energie. Simplitate - Aceasta tehnologie a fost dezvoltat în SUA de către EPA şi partenerii săi din industria. Tehnologia nu are nevoie de progrese pentru a fi rentabile sau care urmează să fie fabricate, şi pot fi produse cu competenţele şi baza de fabricaţie deja disponibila Mediu - Acesta sa dovedit a reduce emisiile cu pana la 40 la sută. Eficienta transmisia hibrid hidraulica in serie creste in mod dramatic eficienţa consumului de combustibil de la 60 la sută la peste 100 de procente. 6

16 Cost-eficienta - Deoarece aceasta tehnologie este atât de eficientă şi nu se bazează pe materiale complicate sau costisitoare, aceasta are potenţialul de a avea o perioadă de rambursare de mai puţin de trei ani de la economiile de combustibil numai atunci când fabricate în volum ridicat. Economii suplimentare provin din reducerea costurilor de întreţinere ale sistemului de franare Concluzii asupra soluţiilor existente Cercetările efectuate pe plan mondial şi soluţiile dezvoltate pentru sistemele de propulsie hibridhidraulice permit formularea următoarelor concluzii: Economicitate semnificativă (70%) faţă de soluţiile clasice, în ciclu urban; Reducerea emisiilor chimice poluante cu 40%; Recuperarea investiţiilor în 2-3 ani; Potenţial semnificativ de reducere a costurilor de exploatare; Compactitate prin comandă electronică; Tehnologii convenţionale; Aplicabilitate la o gamă largă de autovehicule. Configuraţia hidraulică optimă este: hibrid-hidraulic serie cu antrenarea directă a roţilor motoare, cu strategie de comandă de decuplare a motorului cu ardere internă; Aplicabilitate la cele mai diverse categorii de autovehicule 2.4 Soluţii ale propulsiei hidraulice aplicate la diferite vehicule Sistemul Eaton HLA[127] Eaton HLA este un hibrid-hidraulic paralel cu sistem hidraulic de frânare regenerativa. Sistemul HLA recuperează in mare măsura energia pierduta sub forma de căldura în timpul frânării şi o foloseşte pentru a suplimenta puterea motorului în timpul accelerării. Sistemul HLA oferă cele mai mari beneficii atunci când ciclul de funcționare al vehiculului implică cicluri de functionare cu multe opriri Aspecte funcţionale (fig. 2.6) În timpul frânarii, energia cinetică a autovehiculului este transmisa unităţii hidraulice pompa / motor, care funcționează ca pompă; astfel se realizează transferul de lichid hidraulic din rezervorul de joasă presiune intr-un acumulator de înaltă presiune. Fluid comprimă azotul din acumulator şi creaza presiune in sistem. În timpul accelerării, lichidul de înaltă presiune aflat in în acumulatorul hidraulic este distribuit, pompei / motorului care funcționează ca si motor. Sistemul propulsează vehiculul prin transmiterea cuplului la arborele cardanic al autovehiculului. Fig. 2.6 Principiul de funcționare al sistemului Eaton HLA [127] 7

17 Avantaje Economia de combustibil: Sistemul HLA asigură o economie de combustibil de 17-28% în aplicaţiile pentru masinile cu cicluri de oprire scurte si dese (autospeciale pentru gunoi, autovehicule pentru transport in comun, etc.). Reducerea poluării: Reduce emisiile de NOx, particule, şi de CO2. Performanţă: Ofera un cuplu mai mare pentru o accelerare mai rapidă şi cicluri de accelerare mai scurte. Intreţinere: Creşte foarte mult viaţa sistemului de frânare şi extinde intervalele de service pentru motor si transmisie. Fig. 2.8 Sasiu Peterbilt 320. [127] Greutate de 28.5 tone Motorizare CAT C-10 cu o putere de 315 CP, transmisie automată Allison 4560 cu 5 trepte 30 de metri intre opriri. Tabel 2. Mod economic Mod performantă Imbunnatatirea consumului de combustibil 28% 17% Accelerarea vehiculului +2% +26% Productivitate (imbunatatirea ciclului timp) Indisponibil 11,5% Durata de viata >2x >2x Artemis Intelligent Power Ltd [132] Digital Displacement Hybrid Transmissions Artemis Intelligent Power Ltd a aratat publicului un nou tip de automobil hibrid de transport. Autovehiculul prototip, un BMW 530i echipat cu Digital Displacement Hybrid Transmissions a realizat o injumatatire a consumului de combustibil pentru aglomerările urbane, comparativ cu aceeaşi maşină echipată cu o transmisie manuală. 8

18 Fig. 2.9 Schema autovehiculului dezvoltat de către firma Artemis Particularităţi constructive şi funcţionale: Acest tip de autovehicul funcţionează la doua regimuri caracteristice:motorul cu ardere interna funcţionează la turaţie constantă, iar accelerarea autovehiculului se realizează prin intermediul pompei hidraulice cu volum variabil. În acest caz, se poate recupera energia de frânare. Este utilizat în mediul urban. 1) Pentru accelerări bruşte, se accelerează motorul cu ardere interna ca şi când ar exista transmisia tradiţională. Este utilizat în afara localităţilor, unde viteza de rulare este ridicată Valentin Technology [134] Autovehiculul hibrid-hidraulic INGOCAR fabricat de Valentin Technology este un autoturism de dimensiune medie cu 5 locuri, pus in mișcare de un sistem de propulsie hidrostatic nou, cu stocare a energiei. Se conduce ca un autovehicul convențional cu o transmisie automată, dar sistemul de propulsie este cu mult mai eficient, mai puternic şi mai uşor. Acest lucru nu numai că îmbunătăţeşte consumul de combustibil, emisiile şi condiţiile de siguranţă, dar si performanţele de conducere şi confortul s-au îmbunătăţit. Șasiul autovehiculului este format de acumulatorul de înaltă presiune aşa cum este prezentat în figura 2.10: 9

19 Fig Șasiul autovehiculului INGOCAR Lichidul hidraulic sub presiune acționează motoarele hidraulice care sunt poziționate câte unul în fiecare roată. Puterea lor este continuu variabilă de la zero la viteza maximă. Motoarele hidraulice care acționează rotile autovehiculului sunt inversate în timpul frânării şi devin pompe. Ele sunt suficient de puternice pentru a opri autovehiculul la fel ca si in cazul frânelor pe disc, în timp ce se recuperează întreaga energie de frânare. Energia este stocată intr-un acumulator şi utilizata din nou pentru propulsia autovehiculului Particularităţi constructive şi funcţionale: În figura 2.11 este prezentat modul de funcţionare a sistemului hidraulic dezvoltat de această firmă. Pistonul liber este pus în mişcare de către forţa gazelor din camera de ardere, care comprimă lichidul hidraulic de sub piston şi care este împins în acumulatorul de înaltă presiune. De aici, distribuirea cantităţii necesare de lichid la cele 4 motoare se realizează electronic. Fig Schema de funcţionare a sistemului Această soluţie are drept scop două obiective: Consum de combustibil redus prin reducerea masei autovehiculului cu 30%, recuperarea întregii energii de frânare sau utilizarea unui motor cu ardere interna mic. Emisii poluante reduse prin utilizarea unui motor Diesel cu amestec omogen (HCCI) Autovehiculul hibrid hidraulic experimental realizat la Universitatea Transilvania din BRASOV Concepţia generală şi caracteristici ale autovehiculului [31] Analiza sistemelor hidraulice existente atât pentru autovehicule grele cât şi pentru autoturisme şi autovehicule utilitare, a dus la formularea următorului concept studiat: autovehicul deschis cu şasiu de autoturism de gabarit mare prevăzut cu structură metalică de susţinere, sistem de direcţie şi suspensie, aceasta fiind o structură simplă care permite amplasarea liberă a componentelor hidraulice, identificarea conexiunilor hidraulice şi un contact vizual permanent asupra modului de funcţionare. Imagini ale autovehiculului în ansamblu sunt prezentate în figura

20 Fig Imagini de ansamblu ale autovehiculului studiat [31] Caracteristicile geometrice, masice şi capacitatea de transport sunt prezentate în tabelul 3. Tabelul 3 -ampatament 2580 mm -ecartament 1335 mm -lungime totala 3590 mm -lăţime totala 1590 mm -înălţime totala 1675 mm -garda la sol fata 136 mm -garda la sol spate 137 mm -greutate proprie (G0) 5000 N -greutate totala (Ga) 7000 N -greutate utila (Gu) 2000 N -greutate autovehicul + o persoană 6000 N - nr. persoane Sistemul de propulsie hibrid-hidraulic conceput Structura sistemului de propulsie are următoarele caracteristici hibrid hidraulic serie; circuit hidraulic deschis; motoare hidrostatice cuplate direct la roţile motoare ale autovehiculului; motoare hidraulice cuplate în paralel pentru obţinerea efectului de diferenţial; motoare hidraulice plasate pe puntea spate; pompă şi motoare hidraulice de volum constant; motoare hidraulice reversibile ca sens (pentru mers înainte înapoi); motoare hidraulice reversibile ca destinaţie (pentru propulsie şi recuperare energie de frânare); grup motor prevăzut cu cutie de viteze în patru trepte şi reductor; integrarea recuperării hidraulice a energiei de frânare; integrarea recuperării hidraulice a energiei disipate în amortizoarele autovehiculului. 11

21 3. STUDIUL CONVERTORULUI HIDRAULIC APLICAT LA PROPULSIA AUTOVEHICULULUI 3.1. Principiul convertorului sonic [41 42,43] Convertorul este un sistem care permite transformarea (conversia) parametrilor mecanici între sursa primară de propulsie şi elementele de execuţie. Matematic, principiul enunţat, valabil pentru toate transmisiile, se descrie prin ecuaţia: (3.1) unde notaţiile cu indice 1 se referă la arborele de ieşire, iar notaţiile fără indice la arborele primar. Principiul convertorului, inventată de inventatorul român Gogu Constantinescu, constă în descompunerea unei mişcări oscilatorii provenite de la arborele primar în două mişcări, având aceeaşi frecvență. Una din componentele mişcării oscilatorii este destinată punerii în mişcare oscilatorie a cel puţin unei mase în jurul unei poziţii de echilibru, fără a fi absorbită energie, iar cealaltă componentă antrenează cel puţin două mecanisme unisens, plasate pe un arbore, determinând rotaţia acestuia. Schema de principiu este ilustrată în figura 3.1. Fig.3.1: Schema de principiu a convertorului Sistemul este format aşadar dintr-o masă oscilantă legată de arborele primar. Centrul de greutate al masei oscilante se află la o anumită distanţă de punctul de contact cu alementul de antrenare. De elementul oscilant sunt legate şi pârghiile care acţionează cele două mecanisme unisens plasate pe arborele de ieșire. Astfel două impulsuri provenite de la arborele primar sunt transformate în două impulsuri succesive transmise arborelui secundar. Principiul convertorului se poate materializa în mai multe variante constructive: 12

22 Denumirea convertorului Convertorul mecanic Convertorul hidraulic Convertorul sonic Particularităţi Mecanismul de transfromare este format din elemente mecanice. Mecanismul de transfromare se bazează pe lichid în mişcare peste care se suprapun oscilații induse lichidului. Mecanismul de transformae se bazează pe transmiterea energiei prin oscilaţii propagate în lichide Convertorul mecanic Exemple de materializare a convertorului mecanic sunt ilustrate în figura 3.2 [44, 45] La variantele a) şi b), masele oscilante sunt legate de arborele primar şi la fel şi braţele de acţionare ale mecanismelor unisens. Diferă punctul de legare al arborelui primar de masa oscilantă. Varianta c) presupune o pârghie intermediară pentru acţionarea braţelor mecanismului unisens. La soluţiile schematizate la poziţiile d), e) şi f) se identifică particular înlocuirea masei oscilante cu volanţi oscilanţi, acţionaţi excentric. Principalele elemente: 2 parghie de antrenare; 5 brat cu masa oscilanta; 4,8 sistem de parghii; 20cuplaj unisens Fig.3.2: Exemple de realizare a convertorului mecanic Convertorul mecanic se distinge, conform prin caracteristici de cuplu favorabile pentru tracţiune. Acesta poate funcţiona în două regimuri: a) moment constant la arborele primar; b) turaţie constantă la arborele primar. 13

23 Caractersitica de tracţiune este ilustrată în figura 3.5 pentru cazul a) şi în figura 3.6 pentru cazul b) Convertorul hidraulic Convertorul hidraulic este o pompă hidraulică bazată pe deplasarea lichidului prin intermediul unor pistoane aflată în mişcare oscilantă. Particularitatea convertorului hidraulic constă în contactul coloanei de lichid cu mase oscilante. Oscilaţia maselor influenţează regimul dinamic al pompei, respectiv calităţile de pompare. Particularitatea menţionată face ca să rezulte un debit variabil pentru curse constante ale pistoanelor. [41, 42, 43] Soluţia tehnică, conform figurii 3.7 se bzează pe un piston cu dublă acţiune sau pe două pistonae independente acţionate simultan şi dispuse opus (la 180º). Prin deplasarea psitoanelor se absoarbe prin supapele unisens h şi l lcihidul în faţa pistonului, iar prin supapele o,p se refulează spre orificiul de ieşire 24. Fig.3.7: Schema de principiu a pompei hidraulice cu piston cu dublă acţiune Efectul inerţial la această soluţie se realizează prin plasarea unei conducte care elagă spaţiile de lucru ale celor doi cilindri opuşi, coloana de lichid cuprinsă în conductă fiind deplasată în timpul funcţionării în mişcare alternativă, mişcare cu efecte inerţiale. [50, 51, 52] Pentru a introduce efectul inerţial folosind o masă concentrată, pompa schematizată în figura 3.7, se completează cu un ansamblu de doi cilindrii în care lucrează pistoane, care antrenează în mişcare oscilatorie o masă. Spaţiul de lucur al cilindrilor pompei şi ai cilindrilor de acţionare ai masei osiclante sunt conectaţi, conform figurii 3.8. Prin intermediul cilindrilor auxiliari, coloana de lichid principală a pompei, este conectată cu masa oscilantă. 14

24 Fig.3.8: Schema de principiu a pompei hidraulice cu piston cu dublă acţiune cu masă oscialantă conectată în parale (convertor hidraulic) Masa oscilantă v, în figura 3.8 utilizată la convertorul hidraulic permite modificarea presiunii, fără a fi influenţată turaţia de antrenare. Constructiv, masa oscilantă poate fi configurată sub formă de pendul sau volant antrenat excentric. Presupunând supapele de aspiraţie conectate la un rezervor de lichid, prin deplasarea pistonului antrenat de arborele primar, se obţine o antrenare a masei oscilante, indiferent de frecevenţa generatoare. În această configuraţie, coloana de lichid acţionează ca un element de transmitere flexibil. Odată cu creşterea turaţiei, masa oscilantă va genera o reactanţă faţă de mişcarea primită, ceea ce duce la creşterea presiunii în cilindrul pompei. Nivelul presiunii va oscila funcţie de frecvenţa de generare a oscilaţiilor, în schimb cursa sistemului de antrenare al masei oscilante va fi similar cu cel al pistonoanelor pompei. Pe fiecare cursă de asorbţie al pistonului pompei, va avea loc o cădere a presiunii de partea corepsunzătoare a pistonului. Dispozitivul inerţial, nu va putea să urmărească imediat coloana de lichid, astfel că supapa de aspiraţie de acea parte se va deschide. Pe cursa de presiune a pistonului pompei, presiunea generată nu va putea deplasa pistonul masei inerţiale imediat şi astefle se va debita o anumită cantitate de lichid spre elementul de execuţie Convertorul sonic Principiul de lucru al convertorului sonic se bazează pe deplasarea oscilatorie a lichidului, fără să apară o curgere propriu-zisă. Deplasarea alternativă a psitoanelor, face să fie generate coloane de lichid în mişcare alternativă pe cele două conducte care pleacă de la convertor. Prinicipiul este ilustrat în figura 3.9. Cuplarea masei oscilante se face intercalând un volant conform figurii [46, 47, 49,48, 51] 15

25 Fig.3.9: Principiul convertorului sonic Fig.3.10: Convertorul sonic cu volant oscilant Cuplarea masei oscilante se face intercalând un volant conform figurii O soluţie specială dezvoltată de Gogu Constantienscu, este utilizarea unui convertor mecanic cu cuplaje unisens pentru preluarea energiei de la convertorul sonic şi antrenarea arborelui final. Soluţia este prezentată în figura Fig.3.11: Convertorul sonic cuplat cu convertor mecanic cu cuplaj unisens Pentru conversia energie sonice în energie mecanică de rotaţie, respectiv a mişcării de translaţie în mişcare de rotaţie continuă, Gogu Constantinescu a imaginat şi brevetat o serie de mecanisme unisens, 3.2 Simularea sistemului de propulsie bazat pe convertor sonic Obiectivul simulărilor Obiectivul simulărilor este identificarea modului in care influențează parametrii constructivi si funcționali modul de funcționare. Pentru aceasta s-a realizat un model muți-domeniu, care permite cuplarea mai multor componente care lucrează după principii fizice diferite pentru a surprindem modul de funcționare in comun al sistemelor mecanice de antrenare a convertorului, componente hidraulice si din nou mecanice pentru antrenarea roților 16

26 3.2.2 Programul simulărilor Conform obiectivului de simulare au fost concepute următoarele modele care permit identificarea următoarelor influente Modelul de simulare al soluției experimentale Modelul de baza al convertorului Influenta turației de antrenare Influenta diametrului pistonului generator Influenta diametrului cilindrului receptor Influenta lungimii brațului Modelul de simulare Pentru simulare s-a utilizat programul AMESIM care permite simularea mai multor subsisteme având la baza principii fizice diferite. Modelul de simulare este prezentat în figura: 3.9 şi este realizat cu ajutorul programului AMEsim. Fig. 3.9 Modelul de simulare a sistemului de propulsie sonic Semnificația simbolurilor asociate modelului sunt sintetizate în tabelul 3.1 Tabelul 3.1 Simbolul Semnificația Parametri semnificativi 1 generator de semnal sinusoidal frecvență, amplitudine 2 cilindru hidraulic generator diametrul cilindrului cursa maximă a pistonului rigiditatea arcului 3 motor sonic - cilindru hidrulic recpetor 4 motor sonic brațul cilindree pe rotație 5 motor sonic cuplajul unisens 6 autovehiculul 17

27 3.4 Rezultatele simulărilor Modelul de simulare al soluției experimentale. Pentru validarea modelului teoretic s-a realizat un model de simulare a cărui parametri corespund soluției experimentale Parametrii de simulare sunt indicați in tabelul 3.2 Tabelul 3.2 Turația de antrenare Diametrul pistonului generator Diametrul pistonului receptor Lungimea brațului 1/min [mm] [mm] [mm] Rezultatele simulărilor sunt prezentate in figurile de mai jos. Fig Debitul generat de cilindrul hidraulic generator Fig Presiunea generata de cilindru hidraulic generator Fig Debit cilindru hidraulic receptor Fig Presiune cilindru hidraulic receptor 18

28 Fig Viteza autovehicul Fig Accelerația autovehiculului 3.4.1Influenta turației de antrenare Turatia pentru care s-au facut simularile este: 900, 1500, 2100, 2700 rot/min Influenta lungimii bratului de actionare Rezultatele simulărilor sunt prezentate in figura Influenta Diametrului cilindrului generator. Datele simularii sunt prezentate in figura iar rezultatele simulărilor sunt prezentate in figura Fig. Diametrele simulate ale cilindrului generator 19

29 Fig. Viteza simulata a autovehiculului Influenta Diametrului cilindrului de actionare. Rezultatele simulărilor sunt prezentate in figura 20

30 4. REALIZAREA AUTOVEHICULULUI EXPERIMENTAL CU PROPULSIE HIBRID- HIDRAULICA, CU CONVERTOR SONIC Pentru a identifica modul de utilizare al sistemului de propulsie sonic, s-a adoptat o soluţie tot-teren, care trebuie să ruleze în condiţii de drum amenajat, în condiţii de teren accidentat, pe diferite rampe şi cu diferite încărcări. Astfel s-a adoptat autovehiculul tip ATV (All Terain Vehicle). Imaginea autovehiculului studiat este redată în figura 4.1 Fig. 4.1 Imagine a autovehiculului studiat ATV Principalele caracteristici tehnice ale autovehiculului sunt sintetizate în tabelul 4.1. Dimensiuni exterioare Lungime totală 1500 mm Lăţime totală 1215 mm Înălţime totală 1120 mm Gardă minimă la sol 150 mm Tabelul 4.1 Masele autovehiculului Masa proprie a autovehiculului: Masa totală : 160 kg 150 kg 4.2 Principiul de funcționare al modelului experimental Pentru a pune în evidență principiul funcțional al convertorului sonic, s-a realizat un model experimental conform schemei de principiu reprezentată în figura

31 Fig. 4.2 Schema de principiu a sistemului de propulsie sonic studiat Mecanismul bielă manivelă 1 antrenează tija pistonului cu dublu efect 2. Deplasarea sa, antrenează lichidul hidraulic, care prin conducte ajunge la cilindrii 3, împingând pistoanele acestora pentru antrenarea mecanismelor unisens 4, dispuse pe arborele motor 5. Revenirea pistoanelor se face datorită arcurilor din interiorul cilindrilor de lucru 3. Convertorul hidraulic presupune existența unei mase oscilante antrenate de lichidul de lucru. [30] Pentru motorul sonic s-au adoptat următoarele soluții constructive, sintetizate în tabelul 4.2 Tabelul Sistemul Motorul antrenarea cilindrului generator Sistemul generatorul cilindrul receptor Parametri caracteristici Motor cu 4 cilindri in linie, 4 timpi răcit cu apa, 798 cm 3 30 kw/5500 1/min 70Nm/5000 1/min cu curea Parametri caracteristici Cursa: 50 mm Diametru piston 55 mm Diametru tijă piston: 35 mm Diametru echivalent: 49 mm Volumul dislocuit pe cursă: 93 cm 3 Diametrul pistonului: 30 mm 4.3 Modul de simulare a sistemului de propulsie Modelul de simulare este prezentat în figura: 4.3 şi este realizat cu ajutorul programului AMEsim.[32, 33] 22

32 Fig. 4.3 Modelul de simulare a sistemului de propulsie sonic Semnificația simbolurilor asociate modelului sunt sintetizate în tabelul 4.3 Simbolul Semnificația Parametri semnificativi 1 generator de semnal sinusoidal frecvență, amplitudine 2 cilindru hidraulic generator diametrul cilindrului cursa maximă a pistonului rigiditatea arcului 3 motor sonic - cilindru hidrulic recpetor 4 motor sonic brațul cilindree pe rotație 5 motor sonic cuplajul unisens 6 autovehiculul Tabelul Modelul constructiv al convertorului Studiul CAD al convertorului Studiul constructiv al convertorului s-a realizat folosind programul CATIA. Imaginile aferente modelării CAD a convertorului şi a ambielajului de acţionare a pistonului sunt redate în figura 4.4. Fig 4.4 Schiţa convertorului hidraulic cu principalele dimensiuni 23

33 Fig Imaginea CAD a convertorului hidraulic Fig. 4.6 Imaginea CAD a ambielajului de acţionare a convertorului hidraulic În vederea elaborării soluţiilor constructive s-a analizat elementul principal al transmisiei sono-hidraulice, respectiv celei sonice, pompa cu piston. Verificarea solicitărilor pentru diferite condiţiile de funcţionare limită, se realizează folosind metoda elementelor finite. Programul utilizat pentru analiza pompei sono-hidraulice folosind metoda elementelor finite este pachetul Patran/Nastran. Principalele etape ale analizei sunt: 1. Preluarea geometriei din programul CATIA în programul Patran 2. Realizarea modelului cu elemente finite pentru carcasă şi piston 3. Definirea materialului 4. Definirea constrângerilor şi sarcinilor 5. Rularea analizei 6. Preluarea rezultatelor analizei 7. Reprezentarea rezultatelor analizei. Se prezintă în continuare imagini aferente analizei prin metoda elementelor finite. 24

34 Fig. 4.9 Distribuţia tensiunilor echivalente von Mises în cilindrul convertorului pentru presiunea de 350 bar Fig Distribuţia tensiunilor echivalente von Mises în ambielaj pentru solicitarea corespunzătoare a presiunii din cilindru 350 bar 25

35 Fig Imaginea CAD a rotorului mecanismului unisens Adoptarea cuplajului unisens Considerând calculele rezistențelor la înaintare, s-a adoptat un cuplaj INA HFL 3530, considerând cuplul maxim posibil de 121 Nm. Datele principale sunt sintetizate în figura 4.17, după catalogul firmei INA. Fig Cuplaj INA HFL 3530 Datele principale ale cuplajului unisens adoptat sunt prezentate in Tabelul 4.3 Tabelul 4.3 F w 35 mm D 42 mm C 30 mm Toleranţă -0,3 m 58 g Masa M d zul 121 Nm Moment de rotaţie admisibil n GW /min Limitarea turaţiei arborelui (valabil pentru grăsimi şi uleiuri de ungere) n GA /min Limitarea turaţiei inelului exterior (valabil pentru grăsimi şi uleiuri de ungere) C r N Sarcină dinamică, radială C 0r N Sarcină statică, radială C ur 2550 N Sarcina radială maxima admisă 26

36 Fig Distribuția tensiunilor în cuplajul unisens Se observă că toate componentele sunt solicitate la tensiuni sub valoarea tensiunilor admisibile, iar deformațiile în special la cilindrul convertorului se încadrează în toleranța de etanșare. 4.5 Principalele modificări aduse autovehiculului pentru montarea transmisiei hibrid-hidraulice Înlocuirea motorului Pentru funcționarea autovehiculului experimental a fost necesară montarea unui alt motor, deoarece motorul original al autovehiculului limitele funcţionării admisibile. Motorul montat pe autovehicul este un motor cu 4 cilindri in linie, 4 timpi răcit cu apa, 798 cm3 având o putere de 30 kw/5500 1/min. Pentru montarea acestui motor au fost necesare înlocuirea suportului motor şi modificări ale cadrului deoarece acest motor avea cote de gabarit mai mari faţă de motorul original. Fig Motorul autovehiculului cu propulsie hibrid-hidraulică Montarea ambielajului şi modul de antrenare a acestuia Antrenarea ambielajului de către motor se face prin curea,raportul de transmitere dintre motor şi ambielaj fiind de 2:1. Pentru funcționarea corectă fără șocuri si tensiuni suplimentare a ambielajului a trebuit să se ţină cont de alinierea acestuia faţă de cilindrul generator cât şi de alinierea dintre fulia de la motor şi cea de la ambielaj. 27

37 Fig.4.20 Modul de antrenare al Fig Fixarea ambielajului pe şasiul ambielajului autovehiculului Montarea cilindrului generator Pentru montarea cilindrului generator a fost realizat un cadru care a fost prins de şasiul autovehiculului; realizarea cadrului a fost necesară pentru alinierea cilindrului generator cu ambielajul. Cilindrul a fost fixat pe cadru cu ajutorul unor bride de prindere, iar pentru fixarea axiala a fost nevoie de realizarea unor lagăre de fixare. Cuplarea cilindrului la biela a fost realizata printr-o cupla de rotație. Fig.4.22 Fixarea cilindrului generator Fig.4.23 Modul de cuplare al cilindrului generator la ambielaj Montarea cilindrilor de acționare Montarea cilindrilor de acționare pe șasiul autovehiculului s-a realizat cu ajutorul unor cuple de rotație, pentru a le permite cilindrilor sa efectueze o mișcare de rotație in jurul axei de fixare. Pe brațul de acționare cilindrul a fost fixat cu ajutorul unei cuple sferice pentru a permite acționarea cuplajului unisens. 28

38 Fig.4.24 Fixarea cilindrilor de acționare pe Fig.4.25 Modul de cuplare al cilindrilor de cadrul autovehiculului acționare la brațul cuplajului unisens Montarea cuplajelor unisens INA HFL 3530 Aceste cuplaje au fost fixate pe planetarele autovehiculului cu ajutorul unor bucșe iar în partea exterioară au fost realizate de asemenea bucșe pentru a putea fixa cilindrul pe brațul de acționare al cuplajului unisens. Planetarele autovehiculului au fost fixate pe șasiul autovehiculului, în capătul în care se află cuplajele unisens, cu ajutorul unor rulmenți pentru a permite rotirea acestora. Brațele de acționare fixate pe cuplajele unisens sunt prevăzute cu găuri de fixare pentru cilindrul de acționare, pentru a putea modifica lungimea acestora. Fig Cuplajul unisens si brațul de acționare Fig Montarea cuplajelor unisens pe șasiul autovehiculului Fig Modul de legare al planetarelor la cuplajelor unisens Fig Modul de reglare al brațului de acționare a cuplajelor unisens 29

39 4.5.5 Montarea circuitului hidraulic. Legaturile hidraulice dintre cilindrul generator si cilindrii de lucru s-a facut cu ajutorul furtunelor hidraulice care au urmatoarele caracteristici: rezista la o presiune de 250 de bar si temperatura de 130 C o. Pentru a permite functionarea sistemului in gol a fost prevazut cu un circuit de by-pass care este inchis de un robinet. 5. PRINCIPALII PARAMETRI AI AUTOVEHICULULUI STUDIAT 5.1 Principalele caracteristici tehnice ale autovehiculului[23,17,16] rincipalele caracteristici tehnice ale autovehiculului sunt sintetizate în tabelul 5.1. Dimensiuni exterioare [mm] Lungime totală 1500 Lăţime totală 1215 Înălţime totală 1120 Gardă minimă la sol 150 Masele autovehiculului [kg] Masa proprie a autovehiculului: 160 Masa totală utila 150 Tabelul Calculul rezistenţelor la înaintare Pentru a determina nivelul forțelor, momentelor și vitezelor, respectiv turațiilor care trebuie realizate de autovehicul, se efectuează calculul rezistențelor la înaintare în următoarele condiții: regimul staționar; regimul de demaraj; regimul de trecere peste obstacole Calculul rezistențelor la înaintare în regim staționar În regim staționar, rezistenţele la înaintare sunt date de: rezistența la rulare; rezistența datorata rampei; rezistența aerodinamică. Pentru calculul însumat al celor trei categorii de rezistențe, se folosește formula: 1 R x 2 2 m g cos m g sin c A v (3.1) Pentru a identifica calitățile de demaraj ale autovehiculului, se consideră o putere constantă a sistemului de propulsie P c, care se împarte pentru învingerea rezistențelor la înaintare și pentru accelerarea autovehiculului. Se utilizează următoarele relații: Forța disponibilă a sistemului de propulsie de putere constantă: Forța disponibilă pentru accelerare: Accelerația teoretică a autovehiculului: P c Fc (3.2) va F a F R (3.3) c F a aa (3.4) mt 30

40 Variația de viteză disponibilă pentru accelerație dată: va aa ta (3.5) Categoriile de drum considerate pentru calcul sunt sintetizate în tabelul 3.3, iar în tabelul 3.4 sunt indicate rezultatele calculelor. Tabelul 5.3 Asfalt Macadam Fâneaţă Drum de umedă zăpadă µ Φ 0,9 M t [kg] 310 α [deg], [%] µ[-] asfalt/beton A [m2] c x [-] r g [m] Φ [-] P c [kw] 0, ,5 0,3 0,9 50 Tabelul Rezistenţa la trecerea peste obstacole Calculul rezistenței la trecerea peste obstacole se face folosind schema de calcul din figura Fig Schema de calcul pentru trecerea peste obstacole Pe baza schemei de calcul se deduce relația de calcul a forței rezistente la trecerea peste un obstacol: F p Gr tg 2G r h r r 0 2 r r h 0 h 0 (3.2) 31

41 Valorile forței determinate cu relația 3.2 sunt sintetizate în tabelul 3.5. Tabelul 3.5 Forța necesară trecerii Masa autovehicului obstacolului h o r r repartizată repartizată Totală F punte F roată pe punte pe roată Kg kg kg mm m [N] [N] , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Forța necesară trecerii Masa autovehicului obstacolului h o r r repartizată repartizată Totală F punte F roată pe punte pe roată , , , , , Reprezentarea grafică a datelor din tabelul 3.5 este ilustrată în figura 3.2.4, pentru situația în care obstacolul este depășit cu toată puntea curba 1, respectiv o singură roată depășește obstacolul curba 2. Sunt redate curbele pentru raza roții de 0,3 m (fig.3.4), respectiv 0,25 m (fig.3.5). 32

42 Fig : Dependența forței de depășire a ostacolului de înălțimea acestuia pentru raza roții 0,3 m Fig : Dependența forței de depășire a ostacolului de înălțimea acestuia pentru raza roții 0,25 m Caracteristicile de tracțiune În figura sunt reprezentate caracteristicile rezistențelor totale la înainatre (curba 1), forța disponibilă pentru accelerare (curba 2), forța disponibilă pentru o putere a sistemului de propulsie de 50 kw (curba 3) și limita de aderență (curba 4). 33

43 Fig : Caracteristica de tracțiune pentru rampă 0º Fig : Caracteristica de tracțiune pentru rampă 10º Pentru rularea pe drumuri cu înclinare de 10º, deplasarea autovehiculului este posibilă până la viteze de aproximativ 60 km/h. Limita de aderență nu este atinsă decât viteze reduse. Se constată că se pot obține perfromanțe de pornire de pe loc chiar și pe drumuri cu rampe semnificative, dacă se pot dezvolta cuplurile mari la pornire, necesitate care susține abordarea convertorului în una din formele sale constructive. Rularea la 41º se face la limita de aderență (fig.3.2.8), o rampă accentaută, care poate fi parcursă cu viteze de aproximativ 20 km/h, puterea motorului fiind suficientă. 34

44 Fig : Caracteristica de tracțiune la 41º Analiza rulării autovehicului pe asfalt pe rampe de la 0º la 41º considerând limitele de aderență (curba 2 pentru rulare pe drum plan), arată forțe maxime necesare de N. Fig : Caracteristica de tracțiune pe drum de asfalt La rularea pe drum de pământ, nivelul rezistenței la rulare la limita de aderență, se situează la valori mai reduse (8000 N) decât pentru condițiile de asfalt (fig ). 35

45 Fig : Caracteristica de tracțiune pe drum de pământ Concluzii legate de valoarea rezistenței la rulare Analiza rezistențelor la înaintare din punct de vedere al rulării în regim staționar, dinamic sau la trecerea peste obstacole, permit formularea următoarelor concluzii: Pe drum de asfalt plan, limita de aderență permite forțe de N care pot fi dezvoltate de sistemul de propulsie, folosite doar pentru accelerarea autovehiculului care poate avea loc și la 100 km/h. Aceeași forță este necesară și pentru rularea pe rampa maximă de 41º (86%) pe drum de asfalt. Condițiile de rulare pe drum de asfalt sunt acoperitoare pentru condițiile de rulare pe pământ, condiții în care rularea este posibilă pe rampe mai reduse. Valori aplicate de N permit trecerea peste obstacole având înălțimea de 60 mm. Puterea disponibilă de 50 kw permite forțe de N, care asigură trecerea peste obstacole având înălțimea de 110 mm, ceea ce reprezintă o treime din raza roții. 6. STRATEGIA, APARATURA SI METODICA CERCETĂRII EXPERIMENTALE. 6.1 Obiectivele cercetărilor experimentale Efectuarea cercetărilor experimentale a avut următoarele obiective: - validarea modelelor de simulare; - identificarea modului în care sistemul de propulsie hibrid-hidraulic realizat experimental realizează funcţiile de tracţiune şi modul în care sunt integrate funcţional sistemele de recuperare; - stabilirea unei metodologii de pornire, acţionare şi verificarea a sistemului de propulsie hibrid-hidraulic; - identificarea experimentală a unor influenţe constructive şi funcţionale asupra sistemului de propulsie hibrid-hidraulic. 36

46 6.2. Metodologia cercetării experimentale În realizarea cercetărilor experimentale s-au parcurs următoarelor etape majore: 1. pregătirea autovehiculului pentru experimente; a. se alimentează autovehiculul cu combustibil (10 l.); b. se verifica nivelul şi calitatea fluidelor de lucru ale motorului (ulei, lichid de răcire) si ale cutiei de viteze (ulei); c. se verifica presiunea din pneuri (valoarea nominală 2,0 bar). 2. verificarea instalaţiei hidraulice; a. se verifică vizual existenţa scurgerilor; Nivel lichid hidraulic b. se alimentează şi verifică funcţionalitatea şi comanda distribuitorului hidraulic; c. se porneşte instalaţia hidraulică, autovehiculul fiind suspendat 3. setarea sistemului de achiziţii date şi prelucrarea datelor; Înaintea începerii măsurătorilor se calibrează manometrele electronice conform metodologiei indicate de producător, folosind sistemul de calibrare ilustrat în figura 6.2. Fig.6.2 Etalonarea manometrelor Pentru efectuarea măsurătorilor, se parcurg următoarele etape: a. se cuplează alimentarea electrică a traductorilor; b. se porneşte programul de achiziţii WaveScan; c. se setează parametrii achiziţiei conform descrierii din subcapitolul 6.3.5; d. se efectuează măsurătorile; e. se salvează datele înregistrate; f. datele obţinute se exportă pentru prelucrare şi vizualizare în programul MS Excel; g. validarea datelor experimentale. Relevanţa datelor experimentale se asigură prin comparaţia vitezelor autovehiculului determinate experimental şi viteza autovehiculului rezultată pornind de la debitul de lichid hidraulic măsurat, utilizând setul de relaţii din tabelul 6.1. În subcapitolul..,. sunt prezentate şi prelucrate doar seturile de măsurători la care nu este o diferenţă mai mare de 7% între valorile determinate prin cele două metode. 37

47 Relaţia Q N V N 30 v Tabelul 6.1 Unitatea de măsură rot/min rad/s 1 r d m/s v 3,6 v Km/h 6.3 Aparatura folosită pentru cercetarea experimentală Laptop În figura 6.3 este prezentat laptop-ul utilizat pentru vizualizarea, stocarea si analiza datelor achiziţionate. Acesta este produs de HP echipat cu un procesor AMD Turion II Dual-Core processor 2.4 GHz, memorie de 4 Gb RAM, hard disk de 320 Gb, CD-ROM, port USB. F i g F. 6.3 Laptop Amplificatorul de semnal pentru vibraţii Amplificatorul de semnal pentru vibraţii, de tip PCB-Piezotronics, este utilizat în special pentru analiza modalǎ, fiind prevăzut cu 12 canale de măsurare, fiecare fiind reglabil separat. Avantajul oferit de producător este acela cǎ, senzorul piezoelectric este alimentat de la o sursǎ de curent constant, suprimându-se astfel necesitatea utilizării unui cablu de impedanţǎ ridicatǎ. Se prezintă câteva din caracteristicile tehnice generale: număr de canale 12; domeniul de amplificare ; domeniul de reglare al amplificării - în trei trepte - 0.1, 1, 10; cu un factor 0-10; precizia amplificării 1 %; banda de frecvenţe 0.3 Hz ±0.015 % khz; tensiunea de ieşire ±10 V. Fig. 6.4 Amplificatorul de semnal pentru vibraţii, de tip PCB-Piezotronics 38

48 6.3.3 Accelerometre Accelerometrele utilizate sunt, de tip: PCB-Piezotronics-3050, cu caracteristicile: Sensibilitate: (± 10%) 10 mv / g (1,02 mv / (m / s ²)) Gama de măsurare: ± 500 g PK (± 4900 m / s ² pk) Bandă largă Rezolutie: ( Hz) g rms (0,05 m / s ² rms) Gama de Frecventa: (± 5%) Hz Greutate: 12,0 g Fig. 6.5 Accelerometru de tip PCB-Piezotronics Placa de achiziţie S-a utilizat o placă de achiziţie de tip Advantech 4716 cu următoarele caracteristici tehnice: - pe port USB; - 16 intrări analogice ; - 8 intrări digitale ; - frecvenţa maximă de eşantionare a dispozitivului este de 200kHz. Intrări analogice Canale 16 single-ended/ 8differential (SW programmable) Fig.6.6 Placa de achiziţie Rezoluţie 16 bits Rata maximă de transfer 200 ks/s max. (pentru USB 2.0) Mărime FIFO 1024 probe Ieşiri analogice Canale 2 Rezoluţie 16 bits Rata de ieşire Static update Acurateţe relativă: ±1 LSB Intrări digitale Canale 8 Compatibilitate 3.3 V/5 V/TTL Ieşiri digitale Canale 8 Compatibilitate 3.3 V/TTL Caracteristici generale Conexiune USB V2.0 39

49 Putere consumată Tipical ma Max.: ma Temperatură de lucru 0 ~ 60 C (32 ~ 158 F) Temperatură de stocare -20 ~ 85 C (-4 ~ 158 F) Software-ul de achiziţie date Wave Scan Advantech pune la dispoziţia utilizatorului un soft de management al plăcii de achiziţie şi softul de achiziţionare a datelor. În figura 6.7 se prezintă interfaţa programului, unde dreptunghiurile delimitate şi notate cu cifre au semnificaţia: Fig. 6.7 Interfaţă program de achiziţie 1. Imaginea graficului în momentul achiziţiei de date AI şi DI. 2. Pentru vizualizarea tuturor parametrilor, fiecare canal este reprezentat în grafic printr-o culoare. 3. History Playback reprezintă un grup de comenzi prin intermediul cărora se pot modifica parametrii de vizualizare a unei achiziţii de date care în prealabil a fost salvată. 4. Butonul de Start este utilizat pentru a începe şi a sfârşi o achiziţie de date. Butonul History Mode este utilizat pentru comutarea graficelor de pe achizita de date pe un grafic mai vechi deja salvat. 5. Grupul Device conţine un buton pentru deschiderea unei ferestre de configurare a parametrilor achiziţiei. De asemenea conţine opţiuni cu privire la modul de stocare pentru datele AI/ DI. 6. Grupul Signal este utilizat pentru a selecta sursa de date dintre AI, DI şi date deja salvate. 7. Pe imaginea unde se conturează graficul se poate selecta Mode mouse. 8. Grupul Graph conţine un buton pentru ajustarea rezoluţiei graficului şi un alt buton pentru configurarea graficului. 9. Butonul de Exit este utilizat pentru a ieşi afara din program Manometrul de tip DMM S-au utilizat şi manometre cu afişaj digital produse de firma AEP transducers s.r.l., (figura 6.13) ce utilizează mărci tensiometrice. Manometrele au o ieşire analogica prin care transmit presiunea convertita in tensiune, V, sau curent, ma. De asemenea Fig.6.13 Manometre cu afişaj digital 40

50 exista doua ieşiri de comanda acţionate la presiuni stabilite de către utilizator. Manometrele au o viteza maxima de conversie de 100 Hz. Aceste dispozitive se alimentează la o tensiune de 12 sau 24 Vcc. Manometrul DMM digital are o largă utilizare datorită faptului că are posibilitea de a fi conectat la diferite sisteme PLC, PC. Pe lângă posibilitatea de conectare externă, aparatul este echipat cu 2 SET POINT cu funcţii programabile pentru a anunţa creşterea sau scăderea presiunii, sau comandarea unei electro-supape. Date tehnice: Presiune relativă (R) bar bar bar Liniaritate si Histerezis ± 0.15 % Măsurători pe sec.. (0 filter) 62.5 (16ms). Temperatura de lucru -10/+70 C Sensibilitate programabilă 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 Tensiune alimentare 12Vdc or 24Vdc Intensitate maximă curent 120mA Tahometrul digital tip: EBRO-DT 1236L A fost utilizat pentru a măsura: Masurare prin contact: Turatie: - rezolutie Viteza periferica - rezolutie Masurare optica: Turatie: -rezolutie Precizie RPM 0.1 RPM (< 1000 RPM) 1 RPM (> 1000 RPM) m/min m/min (< 100 m/min) 0.1 m/min (> 100 m/min) RPM 0.1 RPM (< 1000 RPM) 1 RPM (> 1000 RPM) ± 0.05% ± 1 digit Fig Tahometru digital 41

51 7. REZULTATELE CERCETĂRII EXPERIMENTALE In capitolul 7 se prezintă rezultatele cercetării experimentale, acestea sunt axate pe validarea modelelor teoretice, identificarea calităţilor de sistem de propulsie pentru autovehicul, măsurarea parametrilor hidraulici pentru diferite condiţii de funcţionare şi structuri ale sistemului de propulsie 7.1 Influenta turației de antrenare a motorului asupra turației rotii motoare Condițiile de experimentare la funcționare la cald si închidere completa a distribuitorului Nr. crt. Turația motorului Lungimea brațului Deschiderea distribuitorului Rigiditatea arcului Temperatura uleiului Temperatura mediului ambiant [1/min] [mm] [N/mm] [ ] [ ] Rezultatele experimentale Nr. crt. Turația motorului Turația ambielajului Turația rotii Viteza echivalenta a autovehiculului Presiunea de lucru Accelerațiile componentelor mecanice [1/min] [1/min] [1/min] [m/s] MPa (bar) ,63 10 Fig Fig Fig ,04 10 Fig Fig Fig Fig. 7.1 Accelerometru cilindru principal 7.2 Accelerometru cilindru de actionare stanga 42

52 Fig.7.3 Accelerometru cilindru de acționare dreapta Fig. 7.4 Accelerometru cilindru principal Fig. 7.5 Accelerometru cilindru de actionare stanga Fig.7.6 Accelerometru cilindru de acționare dreapta 7.2 Influenta lungimii brațului de acționare a motorului asupra turației rotii motoare Condițiile de experimentare la turatiela /min si distribuitor complet inchis. Nr. crt. Turația motorului Lungimea brațului Deschiderea distribuitorului Rigiditatea arcului Temperatura uleiului Temperatura mediului ambiant [1/min] [mm] [N/mm] [ ] [ ]

53 Rezultatele experimentale Nr. crt. Turația motorului Turația ambielajului Turația rotii Viteza echivalenta a autovehiculului Presiunea de lucru Accelerațiile componentelor mecanice [1/min] [1/min] [1/min] MPa (bar) Fig. 7.7 Fig. 7.8 Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Accelerometru cilindru principal Fig Accelerometru cilindru de actionare stanga Fig Accelerometru cilindru de actionare dreapta Fig Accelerometru cilindru principal 44

54 Fig Accelerometru cilindru de actionare stanga Fig Accelerometru cilindru de actionare dreapta Fig Accelerometru cilindru principal Fig Accelerometru cilindru de actionare stanga Fig Accelerometru cilindru de actionare dreapta Fig Accelerometru cilindru principal 45

55 Fig Accelerometru cilindru de actionare stanga Fig Accelerometru cilindru de actionare dreapta 8.Analiza îmbunătățirii calităților energetice si ecologice al autovehiculului hibrid hidraulic Obiectivul analizei prezentate în acest capitol este realizarea unei sinteze asupra rezultatelor teoretice și experimentale realizate în cadrul cercetărilor. Analiza soluției tehnice pornește de la analiza structurii sistemului de propulsie hibrid hidraulic convențional și bazat pe convertorul hidraulic. Schema celor două sisteme de propulsie este prezentată în figura 8.1 Fig. 8.1: Schema sistemului de propulsie hibrid hidraulic convențional și bazat pe convertorul sono - hidraulic 46

56 Constructiv se constată că pompa de circuit închis, formată din pompa principală și cea de alimentare sunt înlocuite printr-un cilindru hidraulic cu dublu efect. Motoarele hidrostatice sunt înlocuite cu cilindri hidraulici cu mecanisme unisens. Ambele componente au preț de cost semnificativ redus pentru cilindri hidraulici față de pompe. Raportul acestora, conform producătorilor actuali este: (8.1) La soluția bazată pe convertorul sono hidraulic lipsește practic rezervorul, ceea ce simplifică construcția și reduce semnificativ masa sistemului. Astfel un rezervor care conține 20 L ulei destinat propulsiei are o masă totală de aproximativ 42 kg, incluzând elementele filtrate și elementele de conectică hidraulică amplasat pe autovehiculul experimental cercetat în cadrul Laboratorului de Acționări Hidraulice și Sonicitate. Pentru dimensiunile ATV se adoptă o soluție având 30 kg, masă economistă prin adoptarea noii variante constructive. Reglajul turației autovehiculului se face realizează prin acționarea distribuitorului central, element care, prin demonstrațiile făcute pe autovehiculul experimental, demonstrează că practic poate juca rolul ambreiajului, ceea ce duce la o reducere suplimentară a masei autovehiculului, aproximată la 10 kg. Menținerea unei deschideri minimale a distribuitorului, face ca lichidul să poată circula între ramuri, ceea ce permite funcționarea independentă a celor două roți, și implicit obținerea rulării cu viteze diferite a roților, cum este cazul rulării în curbe. Această soluție, permite eliminarea diferențialului, element considerat a avea o masă de 5 kg. Tot elementul distribuitor, printr-o închidere completă permite separarea completă a acționării celor două roți, ceea ce face ca ele să ruleze cu aceeași turație, condiție necesară la rularea pe teren cu aderență mult diferită la nivelul celor două roți. Soluția constructivă studiată permite amplasarea la distanță a elementelor de execuție, conexiunea făcându-se prin conducte, spre deosebire de transmisia mecanică, la care transmisia se realizează prin element cardanic. Se apreciază un raport al maselor al elementelor de transmisie pe unitatea de lungime cardan / conductă = 12 / 1,2. Pentru formularea unor concluzii legate de bilanțul energetic se apreciază într-o primă variantă vitezele autovehiculului determinate teoretic și experimental, iar în a doua variantă, evoluția puterilor oscilațiilor elementelor mecanice acționate de sistem. Pentru aceasta s-a realizat un model multidomeniu (folosind programul AMESIM), reprezentat în figura 8.1 Fig. 8.1: Modelul multidomeniu al transmisiei bazată pe convertor sonic 47

57 Modelul de simulare este folosit pentru a identifica valorile de referința in calculul randamentului. In modelul de simulare sunt utilizate numai componente ideale: distribuitorul cu rol funcțional este prevăzut cu coeficient de debit 1, iar in cuplele de rotație nu sunt prevăzute momente de frecare. 8.1 Aprecierea calităților energetice ale sistemului de propulsie cu convertor sono hidraulic 8.2.2: Aprecierea calităților energetice pe baza bilanțului oscilațiilor maselor aflate în translație Măsurătorile efectuate pentru determinarea oscilațiilor componentelor mecanice se folosesc și pentru aprecierea unui bilanț energetic, folosind raționament matematic sintetizat în tabelul 8.2: Tabelul 8.2. Principiul I al mecanicii Determinare masă Determinare accelerație pentru frecvența principală Calculul randamentului folosind puterile maselor oscilante Suma forțelor exterioare determină modificarea stării de mișcare (accelerația a i ) a masei m Determinare experimentală Determinare experimentală Rezultatele obținute și prelucrate conform metodologiei din tabelul 8.2 sunt prezentate în tabelul 8.3. Tabelul 8.3 Acc1 Acc2 Acc3 lbrat n1 namb y x y x y x mm eta 2 1/min 1/min m/s^2 Hz m/s^2 Hz m/s^2 Hz ,1 8,5 21,6 8,5 21,9 8, , ,9 6,5 13,4 6,5 15,6 6, , ,5 7 14,6 7 18, , ,2 5,5 11 5,5 14,7 5, , ,1 5,5 7,7 5,5 7,7 5, , ,8 5,5 8,7 5,5 10,1 5,5 95 0,76 Valorile randamentelor indicate în tabelul 8.3, indică un potențial de 0,91, dar și o dependență de condițiile de funcționare, respectiv turația roții motoare. Valorile medii ale randamentului înregistrează o valoare superioară la turații mai ridicate ale motorului cu ardere internă Aprecierea calităților ecologice În prezent, calitățile ecologice se apreciază atât la nivelul compușilor nocivi ai gazelor de ardere: hidrocarburi nearse, oxizi de azot și monoxid de carbon, cât și la nivelul compușilor cu efect de seră, din care cel mai important este bioxidul de carbon. 48

58 Având în vedere că emisia se raportează la ciclurile de testare, s-a realizat un model de simulare multidomeniu, care permite aprecierea emisiilor și condițiilor de funcționare considerând rularea conform acestor cicluri. Pentru un anumit ciclu, se raportează emisia cumulată și raportează la distanța parcursă, rezultând emisia de gaze pe ciclu și km. În figura 8.4 este reprezentat ciclul NEDC simulat. Fig 8.4 Ciclul NEDC simulat. În timpul parcurgerii ciclului, motorul funcționează la turația intsnatanee reprezentată în figura 8.5 Fig 8.5 Turația intsnatanee 49

59 Consumul și emisiile instantanee pentru antrenare cu motor convențional și transmisie convențională sunt reprezentate în continuare: Fig 8.6 Consumul intsnataneu Fig 8.7 Emisiile instantanee 50

60 Consumul total pe durata ciclului NEDC este Fig 8.8 Consumul total pe durata ciclului NEDC iar în funcție de distanța parcursă, în figura:8.9 Fig 8.9 Consumul total pe durata ciclului NEDC Emisiile pentru ciclul NEDC sunt sintetizate în tabelul 8.4 Parametrii integrali ai cilului sunt: Turația medie a motorului Durata parcurgerii ciclului Lungimea parcursă [1/min] [s] [m]

61 Funcționarea sistemului la turație constantă, reprezentată în figura 8.10 Fig 8.10 Funcționarea sistemului la turație constantă Adoptată ca turația medie a ciclului NEDC parcurs cu transmisie convențională, duce la:conusmul total de combustibil este reprezentat în figura 8.11 Fig 8.11 Conusmul total de combustibil 52

62 Iar emisiile convenționale, în figura 8.12 Fig 8.12 Emisiile convenționale Rezultatele determinate se sintetizează în tabelul 8.4 Tabelul 8.4 CO HC NO consumul [g/km] [g/km] [g/km] [g/ ciclu] Transmisie convențională Emisia / consumul pe ciclu NEDC Emisia / consumul pe km Transmisie sono - hidraulic Emisia / consumul pe ciclu NEDC ,7 565 Emisia / consumul pe km ,3 513 Se observă că la funcționarea în regim constant a motorului, noxele convenționale înregistrează o reducere semnificativă. De asemenea consumul se reduce doar prin reducerea turației medii, fapt care necesită o dimensionare superioară dimensional a sistemului hidraulic Aprecierea calităților ecologice cu efect asupra emisiilor privind gazele de seră Conform normativelor actuale, sintetizate în tabelul 8.5, se apreciază efectul unor măsuri constructive asupra emisiilor cu efect de seră. Tabelul 8.5 Reducerea emisiei cu 1 g CO 2 a aplicând următoarele măsuri de reducere a: Rezistențele Masa ei cu Puterii produse Forțe de frecare aerodinamice 10 kg 0,02 N 30W 8 N 53