УДК 629.1 Техника наземных и водных средств транспорта
Обоснована актуальность повышения эффек-тивности лесовозного автомобиля, путем ис-пользования в конструкции его подвески рекуперативных амортизаторов. Выполнен анализ научных работ зарубежных авторов, занимающихся исследованием в области рекуперации различных видов энергии в амортизаторах подвесок транспортных средств. Описаны возможные варианты появление возмущающей силы и деформации в гидравлических амортизаторах и упругих элементах подвески лесовозного автомобиля при его движении по недостаточно обустроенной лесовозной дороге. Представлено математическое описание процессов, происходящих в системе подрессоривания лесовозного автомобиля, оснащенного гидравлическими амортизаторами и рессорной подвеской. Приведены зависимости изменения мощности, рас-сеиваемой гидравлическим амортизатором в различных диапазонах частот. Предложена перспективная схема линейного электромагнитного генератора, устанавливаемого в подвеске лесовозного автомобиля. Описано его устройство, принцип работы, а также преимущества. Сформулированы задачи, решение которых позволит опытный образец доработанной конструкции рекуперативного амортизатора запустить в серийное производство.
РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ, ПОДВЕСКА, АМОРТИЗАТОР, ЛЕСОВОЗНЫЙ АВТОМОБИЛЬ, ДЕМПФИРОВАНИЕ, ЛЕСОВОЗНАЯ ДОРОГА, ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР, ЭФ-ФЕКТИВНОСТЬ, РАСХОД ТОПЛИВА.
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Известно, что только около 20 % энергии топлива лесовозного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания используется и преобразуется в механическую энергию для движения. Остальные 80 % энергии, запасенной в топливе, расходуется при движении лесовозного автомобиля на трение в трансмиссии, сопротивление воздуха, сопротивление при преодолении неровностей лесовозной дороги и другие непроизводительные потери. В этой связи, снижение потерь энергии лесовозным автомобилем, имеет большую важность для повышения его энергоэффективности. Кроме этого, в современных лесовозных автомобилях все чаще используются относительно небольшие по мощности, но многочисленные встроенные электронные приборы и системы, такие как аудиоаппаратура, обогреватели салона, маломощные вентиляторы и кондиционеры и т.п. Для эффективной работы этих устройств требуется дополнительный к производимой бортовой системой электроснабжения лесовозного автомобиля источник питания. Учитывая ограниченность бортовых источников энергии, обеспечиваемых аккумуляторными батареями, ученые вынуждены исследовать альтернативные технологии возобновляемой энергии для транспортных машин [1, 2].
Подвеска является одним из важнейших узлов современного лесовозного автомобиля, от которой зависит его безопасность движения в процессе вывозки лесоматериалов, комфортность при езде, маневренность, а также управляемость. Процесс вывозки лесоматериалов по недостаточно обустроенной лесовозной дороге сопровождается частыми троганиями, ускорениями, торможениями, преодолением затяжных спусков, крутых подъемов, поворотов малого радиуса. Это приводит к возникновению между подрессоренными и неподрессоренными массами лесовозного автомобиля динамических нагрузок, которые за счет демпфирования и сглаживания преобразуются с помощью гидравлических амортизаторов и рессор из кинетической энергии в тепловую, непроизводительно рассеиваемую жидкостью внутри гидравлического амортизатора или рессорами в окружающее пространство. Однако, энергию, которая рассеивается в подвеске лесовозного автомобиля целесообразно использовать путем преобразования рекуперативными устройствами в полезную электрическую энергию текущего потребления приборов и систем автомобилей или хранения в аккумуляторных батареях для последующего использования. Это позволит увеличить пробег лесовозного автомобиля за счет сокращения расхода топлива, снизить вредные выбросы в окружающую среду, а также улучшить ходовые качества и комфорт при движении по недостаточно обустроенной лесовозной дороге [3, 4].
В настоящее время исследования в области рекуперации энергии в подвесках автомобилей являются актуальными. На протяжении последних двух десятилетий большое число российских и зарубежных авторов исследовали различные перспективные конструкции рекуперативных устройств, используемых в амортизаторах и упругих элементах подвесок транспортных средств [3-24].
В статье Ammar A. Aldair и Weiji J. Wang предложено с целью улучшения эксплуатационных характеристик автомобиля и снижения расхода топлива при функционировании его подвески, электромагнитное устройство. Оно позволяет при работе в режиме генератора за счет вращения устройства преобразовывать энергию вибрации автомобиля при преодолении им неровностей опорной поверхности дороги в электрическую энергию с последующим накоплением этой энергии в аккумуляторной батарее и полезным использованием при запуске электрического насоса гидропривода, создающего соответствующее демпфирующее усилие для повышения управляемости и улучшения комфортности при движении [5].
Cannizzaro L. и др. в своей работе исследовали перспективную конструкцию электромагнитного рекуперативного амортизатора, позволяющую за счет аккумулирования энергии, рассеиваемой в традиционных амортизаторах уменьшить источники потерь энергии при движении автомобиля. Основное отличие конструкции амортизатора, состоящего из линейного генератора с постоянными магнитами, заключается в расположении катушек, оси которых перпендикулярны оси демпфера, а также магнитов, уложенных обратной осью намагничивания. На основании математического моделирования установлено, что коэффициент демпфирования значительно зависит от величины сопротивления внешней нагрузки [6].
В работе Guoliang Hu и др. предложен магнитореологический амортизатор подвески автомобиля с возможностью рекуперации энергии, основанный на принципе электромагнитной индукции. Устройство работает при подаче внешнего возбуждения как линейный генератор энергии. На основе конечно-элементных моделей были выявлены зависимости распределения магнитного потока, плотности магнитного потока и эффективности выработки электроэнергии. Установлено, что предлагаемый магнитореологический амортизатор может создавать демпфирующие силы 750 Н при токе 0,6 А, а устройство сбора энергии может генерировать напряжение постоянного тока 1 В при возбуждении 0,06 м · с–1 [7].
Shakeel N. Avadhany в своей работе исследовал рекуперацию энергии в подвеске автомобиля через рекуперативные поворотные гидравлические амортизаторы, преобразующие вертикальное движение во вращательное, посредством гидравлического двигателя. Установлено влияние вязкости жидкости в амортизаторе на изменение мощности от потока жидкости к вращательному движению гидравлического двигателя. Оптимальное значение вязкости для исследуемой системы составило 132 сСт. Выявлено, что наличие пузырьков воздуха в системе приводит к неравномерному изменению демпфирующих характеристик амортизатора [8].
В работе M.A. Abdallah и др. рассмотрена система подвески автомобиля с рекуперацией энергии, функционирующая за счет возвратно-поступательного элемента системы, смещение между обмотками катушки и магнитом которой производит ток. При движении автомобиля по неровностям дороги, рекуперативная система преобразует кинетическую энергию вибрации в электрический ток. Исследовано влияние неровностей дороги и стиля вождения на значение рекуперируемой мощности. Установлено, что максимальное выходное напряжение 5,6 В достигается при 530 витках, в процессе преодоления автомобилем наибольшего по высоте препятствия. Агрессивный стиль вождения также дает более высокое значение напряжения по сравнению с обычным стилем вождения. При резком торможении автомобиля наблюдается более высокое напряжение, поскольку вертикальное движение системы подвески больше, чем прямолинейное. Кроме этого, на выходное напряжение оказывает влияние различное количество обмоток и диаметр катушки [9].
1. Никонов, В. О. Современное состояние, проблемы и пути повышения эффективности лесовозного автомобильного транспорта / В. О. Никонов ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2021. – 202 с. – Библиогр. : с. 181-202 (196 назв.).
2. Nikonov, V. O. Results of computer modeling of a modular independent tubular suspension of a logging truck / V. O. Nikonov, V. I. Posmetev, V. V. Posmetev // IOP Conf. Series : Earth and Environmental Science 875 (2021) 012031, Forestry-2021, 12 p. – Bibliogr. : pp. 12 (11 titles). – DOI 10.1088/1755-1315/875/1/012031.
3. Рябов, И. М. Повышение эксплуатационных качеств АТС на основе синтеза амортизаторов, пневмогидравлических рессор и колес с улучшенными эксплуатационными свойствами : 05.22.10 «Эксплуатация автомобильного транспорта» : дис. … д-ра техн. наук / И. М. Рябов ; «Волгоградский государственный технический университет», Волгоград, 1999. – 401 с. – Библиогр. : с. 273-317 (484 назв.).
4. Новиков, В. В. Повышение виброзащитных свойств подвесок АТС за счет изменения структуры и характеристик пневмогидравлических рессор и амортизаторов : 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины» : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / В. В. Новиков ; «Волгоградский государственный технический университет», Волгоград, 2005. – 32 с.
5. Ammar A. Aldair The Energy Regeneration of Electromagnetic Energy Saving Active Suspension in Full Vehicle with Neurofuzzy Controller / Ammar A. Aldair, Weiji J. Wang // International Journal of Artificial Intelligence Applications (IJAIA), Vol. 2, № 2, 2011, pp. 32-43. – Bibliogr. : pp. 42-43 (20 titles). – DOI 10.5121/ijaia.2011.2203.
6. Cannizzaro L. Design of an Electromagnetic Regenerative Damper and Energy Harvesting Assessment / Cannizzaro L., Virzi Mariotti G., Giallanza A., Porretto M., Marannano G. // Journal of Electromagnetics, Vol. 1, 2016, pp. 5-11. – Bibliogr. : pp. 10-11 (25 titles).
7. Guoliang Hu Performance Analysis of a Magnetorheological Damper with Energy Harvesting Ability / Guoliang Hu, Yun Lu, Shuaishuai Sun, Weihua Li // Hindawi Publishing Corporation Shock and Vibration, Volume 2016, Article ID 2959763, 10 p. – Bibliogr. : pp. 9-10 (27 titles). – DOI 10.1155/2016/2959763.
8. Shakeel N. Avadhany Analysis of Hydraulic Power Transduction in Regenerative Rotary Shock Absorbers as Function of Working Fluid Kinematic Viscosity / Shakeel N. // S. B. Materials Science & Engineering Massachusetts Institute of Technology, 2009. 29 p. – Bibliogr. : pp. 29 (7 titles).
9. M. A. Abdullah Energy regenerative suspension test for EEV and hybrid vehicle / M. A. Abdullah, J. F. Jamil1 and N. S. Muhammad // Materials Science and Engineering 100 (2015) 012018. 7 p. – Bibliogr. : pp. 7 (12 titles). – DOI 10.1088/1757-899X/100/1/012018.
10. Yu Ji An Analytical and Numerical Study of Magnetic Spring Suspension with Energy Recovery Capabilities / Yu Ji, Shasha Li, Yu Shi // Energies 2018, 11, 3126. 15 p. – Bibliogr. : pp. 14-15 (35 titles). – DOI 10.3390/en11113126.
11. Ruichen Wang Modelling, Testing and Analysis of a Regenerative Hydraulic Shock Absorber System / Ruichen Wang, Fengshou Gu, Robert Cattley, Andrew D. Ball // Energies 2016, 9, 386. 24 p. – Bibliogr. : pp. 22-24 (40 titles). – DOI 10.3390/en9050386.
12. Zhanwen Wang A high-efficiency regenerative shock absorber considering twin ball screws transmissions for application in range-extended electric vehicles / Zhanwen Wang, Tianming Zhang, Zutao Zhang, Yanping Yuan, Yujie Liu // Energy and Built Environment 1 (2020) 36-49. – Bibliogr. : pp. 48-49 (42 titles). – DOI 10.1016/j.enbenv.2019.09.004.
13. Lincoln Bowen Design and Potential Power Recovery of Two Types of Energy Harvesting Shock Absorbers / Lincoln Bowen, Jordi Vinolas, José Luis // Energies 2019, 12, 471019 p. – Bibliogr. : pp. 17-19 (42 titles). – DOI 10.3390/en12244710.
14. Xueying L. Research Review of a Vehicle Energy-Regenerative Suspension System / Xueying L., Yanju Ji, Huanyu Zhao, Jiabao Zhang, Guanyu Zhang, Liu Zhang // Energies 2020, 13, 441. 14 p. – Bibliogr. : pp. 11-14 (68 titles). – DOI 10.3390/en13020441.
15. Saleh Alhumaid A Noncontact Magneto-Piezo Harvester-Based Vehicle Regenerative Suspension System : An Experimental Study / Saleh Alhumaid, Daniel Hess and Rasim Guldiken // Energies 2022, 15, 4476.17 p. – Bibliogr. : pp. 15-17 (46 titles). – DOI 10.3390/en15124476.
16. Suhail A. Wani Kinetic Energy Recovery System for Vehicle Suspension / Suhail A. Wani // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 9, Issue 05, 2020. 106-109. – Bibliogr. : pp. 109 (8 titles).
17. Fabio Tarantini Simulation of a Regenerative Electromagnetic Vehicle Suspension / Fabio Tarantini // Electronic Theses and Dissertations (2015) Electronic Theses and Dissertations. 5697. 126 p. – Bibliogr. : pp. 99-102 (41 titles). https://scholar.uwindsor.ca/etd/5697.
18. Zhongjie Li Energy-Harvesting Shock Absorber with a Mechanical Motion Rectifier / Zhongjie Li, Lei Zuo, Jian Kuang, George Luhrs // Smart Materials and Structures, 2012. 15 p. – Bibliogr. : pp. 14-15 (28 titles). – DOI 10.1088/0964-1726/22/2/025008.
19. Bart L. J. Efficiency of a regenerative direct-drive electromagnetic active suspension / Bart L. J. Gysen, Tom P .J. van der Sande, Johan J. H. Paulides, Elena A. Lomonova // IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 60, Issue 4, 2011. 6 p. – Bibliogr. : pp. 6 (11 titles). – DOI 10.1109/TVT.2011.2131160.
20. Mohammad R. Hajidavalloo Simultaneous Suspension Control and Energy Harvesting through Novel Design and Control of a New Nonlinear Energy Harvesting Shock Absorber / Mohammad R. Hajidavalloo, Joel Cosner, Zhaojian Li, Wei-Che Tai, Ziyou Song // IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 71, Issue 6, 2022. 15 p. – Bibliogr. : pp. 14-15 (44 titles). – DOI 10.1109/TVT.2022.3159734.
21. Magdy N. Awad Performance Evaluation and Damping Characteristics of Hydro-Pneumatic Regenerative Suspension System / Magdy N. Awad, Mohamed Ib. Sokar, Saber A. Rabbo, M. E. El-Arabi // International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 13, Number 7 (2018) pp. 5436-5442. – Bibliogr. : pp. 5441-5442 (18 titles).
22. Harus Laksana Guntur Analysis of the influence of hydraulic cylinder diameter to the total damping force and the generated electricity of regenerative shock absorber / Harus Laksana Guntur // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 11 № 2, 2016. pp. 873-878. – Bibliogr. : pp. 878 (10 titles).
23. Климов, А. В. Повышение энергоэффективности транспортных средств сельскохозяйственного назначения путём применения амортизаторов с рекуперативным эффектом : 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства» : дис. … канд. техн. наук / А. В. Климов ; «ФГБОУ ВО Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)». – Москва, 2019. – 206 с. – Библиогр. : с. 162-175 (128 назв.).
24. Посметьев, В. И. Результаты компьютерного моделирования движения лесовозного автопоезда с рекуперацией энергии в его подвеске / В. И. Посметьев, В. О. Никонов, В. В. Посметьев // Лесотехнический журнал. – 2018. – № 3. – С. 176-187. – Библиогр. : с. 185-187 (17 назв.). – DOI 10.12737/article_5b97a15dc46998.19876487.
25. Рейзина, Г. Н. Оценка мощности, затрачиваемой на колебания, при движении автомобиля / Г. Н. Рейзина, Е. В. Коробко // Грузовик, 2013, № 8. – С. 41-43. – Библиогр. : с. 43 (6 назв.).
26. Посметьев, В. И. Оценка эффективности применения системы рекуперации энергии в подвеске автомобиля / В. И. Посметьев, М. В. Драпалюк, В. А. Зеликов // Полиматический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2012. – № 76. – С. 559-573. – Библиогр. : с. 573 (8 назв.). http://ej.kubagro.ru/2012/02/pdf/41.pdf.
27. Никонов, В. О. Рекуперация гидравлической энергии в подвеске лесовозного автомобиля / В. О. Никонов, В. И. Посметьев // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе : материалы международной научно-практической конференции. – Ч. I. – Воронеж : ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», 2018. – С. 216-224. – Библиогр. : с. 224 (5 назв.).
