中型載貨汽車(5+1)變速器三維設計（直接操縱 鎖環(huán)式同步器 全同步器換擋）【含UG三維圖紙模型、說明書文檔】

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Zhuravljov “RUSELPROM-ElectricDrive” Ltd., Moscow, Russia Copyright . 2011 SAE International 摘要 城市公交車LIAZ 5292XX是RUSELPROM公司和Likino客車廠團隊合作的結果。在2008年俄羅斯莫斯科國際汽車論壇的結果上，LIAZ 5292XX被認為是當年俄羅斯最好的城市客車。LIAZ 5292XX混合動力客車提供以下值：汽車總長12m；最大（峰值）牽引力功率大概為250kW；可以運動在20%（12°）坡度的路面上?？蛙嚁y帶有ICE，牽引電力控制IM，發(fā)動機IM，緩沖超級電容器。這個城市客車牽引電子設備組(TEES)的參數(shù)和方塊圖將在文章中將提到。控制能量流動的算法提供考慮主要燃油經(jīng)濟性，標準檢查程序測試的結果也給出了。特殊服務軟件——牽引電子控制設備（TEES）工作變量的服務計算系統(tǒng)可視化參數(shù)，圖形信息的結果和過程，在圖形中下載、保存和視圖，與表格形式的緊急日志文件。 簡介 分析世界運輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢顯示，技術的發(fā)展方向轉(zhuǎn)向了能源和資源經(jīng)濟，創(chuàng)造的汽車帶有生態(tài)安全參數(shù)。純生態(tài)應用的重要性，節(jié)能車輛在俄羅斯的metabolizes是顯而易見的。國外制造商傳統(tǒng)的汽車和混合動力汽車的競爭力比較成為創(chuàng)造新的國內(nèi)汽車技術的基本準則。從分析一整套設備變化的規(guī)律如下，當今創(chuàng)造一臺純生態(tài)的（或者，至少是環(huán)保的）和有競爭力的汽車是結合混合動力系統(tǒng)在內(nèi)燃機，發(fā)電機，帶有緩沖存儲的牽引電力驅(qū)動的基本應用是真有可能的。在混合動力系統(tǒng)可以結合積極性質(zhì)的獨立電源：高比能量的能量來源和高比功率的功率源緩沖區(qū)。優(yōu)先設計的是混合動力系統(tǒng)與內(nèi)燃發(fā)動機，而長遠來看是基于燃料電池上的混合動力系統(tǒng)。如果在標準路面上重復加速和制動的汽車經(jīng)常是周期性的，混合動力系統(tǒng)應用在緩沖存儲器上的效率基本上是很高的。典型的例子，車輛運動重復的加速和制動是一個城市穿梭公交車的特點，運動的客車在城市中停車不僅是交通信號燈亮了，而且還是乘客的下車和上車。 混合動力系統(tǒng)（HPT）的應用效率是由以下造成：運動（所需要功率比是1:5或更高）所需要的平均功率和峰值功率的最大差距；可利用能源的確定價值與裝載在車輛上的電力能源的最大不同。 降低燃料消耗的重要因素是收復制動所產(chǎn)生的能量代替讓它以熱的形式散發(fā)掉，考慮到減少ICE有毒物質(zhì)的排放價值，ICE的運作在一個固定的高效燃料模式中。城市公交運行中大量停車給制動能量的消耗提供了完美的條件。公交車基本上是被用在低速和經(jīng)常加速，那幾乎是立刻制動和停車。在通常的客車上，動能在根本上是轉(zhuǎn)化成不能應用的熱能，而混合動力客車在停車后加速所消耗的僅僅是再生的來自存儲制動能量產(chǎn)生的電能。高達45%城市公交車運行時間是緩慢停車的，此時自動啟停系統(tǒng)幫助節(jié)約寶貴的燃料。 混合動力驅(qū)動的城市客車主要預期優(yōu)勢： 減少高達十倍的排放標準，特別是在城市路況（Euro-V 標準）； 柴油發(fā)動機工作在燃油經(jīng)濟性和排放的最佳模式； 節(jié)省25-50%的燃料； 可以通過存儲的能量啟動柴油發(fā)動機而不需要單獨的驅(qū)動電機啟動； 可以產(chǎn)生和回收電能； 在保證相同的車輪轉(zhuǎn)矩下可以降低柴油機功率的25-30%； 提高汽車的舒適性（噪聲，振動，轉(zhuǎn)向效應）； 提高汽車的可靠性和運行壽命； 對乘坐的大部分乘客友好（緩慢的啟動和制動），因為缺少中斷功率從功率傳動系統(tǒng)到車輪的動力切換裝置。 LIAZ 5292XX 混合動力客車 在世界上快速發(fā)展混合動力汽車和他們發(fā)展的各自觀點不繼續(xù)存在沒有俄羅斯專家在這個領域的關注。好幾個“RUSELPROM”公司的企業(yè)，同時發(fā)展和準備制造電機，開關和電控，合格試驗臺和質(zhì)量實驗的兩個組成部分和意圖在為各種車輛電氣傳動系統(tǒng)的牽引力電氣設備的所有設備：大型長途卡車，多聯(lián)動卡車，多輪軸式牽引車，農(nóng)用和工程所用的履帶輪式牽引車。在這列表外的另一個方向—混合動力客車—被添加了。在公司里面為了發(fā)展電氣驅(qū)動汽車的目標，“RUSELPROM-ElectricDrive”有限公司被組織成立。這是“RUSELPROM”公司的特殊分配，積極的研發(fā)、制造、測試和系列生產(chǎn)完整的混合動力牽引電氣設備組和在先進技術的項目和制造以及先進的開關和電控基礎上的車輛電氣驅(qū)動系統(tǒng)。作為一個測試基地的“NIPTIEM”科研機構是“RUSELPROM”公司的一部分。在2008年9月9-12號的莫斯科國際汽車論壇上，“GAZ-Group”展示了裝有混合動力系統(tǒng)的城市公交車LIAZ 5292XX（Fig.1）。在這個論壇的結果，這架城市公交車被認為是俄羅斯當年最好的客車。城市公交車LIAZ 5292XX是“RUSELPROM”公司和“Likino客車廠”的“GAZ-Group”團隊合作的結果。這個客車的牽引力電氣控制設備是由“RUSELPROM-電氣驅(qū)動”有限公司開發(fā)的。它是第一次俄羅斯客車帶有混合動力驅(qū)動，在國內(nèi)沒有第二個有類似產(chǎn)品的制造商。 Fig. 1. LIAZ 5292__ bus (prototype) with a hybrid drive train at International Automobile Forum (the KROKUS-EXPO epicenter, Moscow, September 9-12th,2008). 主要開發(fā)的任務是： 塑造LIAZ牌混合動力客車合理的骨架結構； LIAZ公司的混合動力客車企業(yè)制造組織保留必要的技術創(chuàng)新（有可能參加的歐洲合作伙伴）； 形成必要的工業(yè)合作，掌握檢查它的能力，定期的交付混合動力系統(tǒng)與它的修改； 預計混合動力系統(tǒng)基本的經(jīng)濟參數(shù)與組織生產(chǎn)所需花費； 創(chuàng)造工作模型，預生產(chǎn)中在城市工況下提供一個完整工作周期； 實踐檢驗和改善在開發(fā)過程中的基本技術決議，制造，探索，裝有混合動力系統(tǒng)客車的認可與預生產(chǎn)模型的工作實驗。 為了達到運動在城市（NAMI-Ⅱ路況循環(huán)）的要求特點，公交車的牽引設備必須提供以下數(shù)值（估計牽引動力模型）： 在城市運動中的平均功率為33kW；最大（峰值）功率大概為250kW；在高速運動（90km/h）提供的牽引力必須達到5000N，功率要求115kW；能以10km/h(13t.of mass,30sec.)運行在20%（12°）的坡路上，提供的牽引力為29000N，功率為80kW. 牽引電力設備組具有系列配置（Fig.2）。選擇系列驅(qū)動系統(tǒng)配置要基于國際經(jīng)驗，最少花費，限制指定設計時間，首次展示與項目花費的考慮。選擇所有電氣牽引設備組的部件實體在[1]中給出。LIAZ 5292XX客車的電氣牽引設備組的能源設備基本參數(shù)給出在表格Ⅰ。 很好奇，這公交車的電氣牽引設備組能源設備的參數(shù)，LIAZ 5292XX 作為斯堪尼亞和MAN Lion’s 城市的公交車，有相同規(guī)格的乘客容量，重量和尺寸幾乎一致。于是，我們應該標記牽引動力模型，動力形態(tài)的選擇，電氣牽引設備組動力設備基本性能的限定，在國外類似數(shù)據(jù)被刊登前“RUSELPROM”公司要完成LIAZ 5292XX客車的驅(qū)動系統(tǒng)設備的規(guī)劃和生產(chǎn)，當然，確認收到估計的客觀性。 Table 1 LIAZ 5292XX TEEC 的參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 發(fā)動機最大輸出功率 132.5kW 發(fā)電機軸最大轉(zhuǎn)矩（2200rpm） 575Nm 發(fā)電機軸最大旋轉(zhuǎn)速度 2200rpm 額定直流電壓 750V 牽引電機最大輸出功率 250kW 牽引電機連續(xù)輸出功率，達到 125kW 牽引電機軸上最大（開始）轉(zhuǎn)矩 1500Nm 牽引電機軸上最大（連續(xù)）轉(zhuǎn)矩 1000Nm 牽引電機最高旋轉(zhuǎn)速度（在車速90km/h） 4975rpm 存儲電容 電壓 存儲能量 放電電流 最大放電電流 重量 規(guī)格尺寸 21.0F 400-800V 1220Wh 300A 1500A 700kg 762x425x265mm Fig.2 LIAZ 5292XX客車TEEC的框架圖 LIAZ 5292XX客車的牽引設備 LIAZ 5292XX客車完整的電氣牽引設備包括： 異步電動機-發(fā)電機（AMG）； 異步牽引電機（AM）； AMG與AM之間能量轉(zhuǎn)換的微型處理器控制系統(tǒng)（mCont）； 基于電容器的緩沖存儲單元（U-cap）； 在駕駛員座艙能夠控制能量流動與控制轉(zhuǎn)向環(huán)和顯示信息的高級控制器（HLC）； 電氣牽引設備組和一個充電電池（DC/DC）的輔助供電系統(tǒng)。 AMG與AM的能量轉(zhuǎn)換是基于從SKAI到SEMIKRON的集成三相電壓轉(zhuǎn)換模塊。它們每相最大有效電流為300A（連續(xù)的），最大車載直流電壓為900V。帶有單向控制系統(tǒng)的控制處理器TMS320應用在變頻控制電機上。 牽引電機短期內(nèi)功率增加到250kW，這個超過了串行模擬柴油客車LIAZ 5292（180kW）標準柴油機功率，確保一個相應的動態(tài)加速度。AM的連續(xù)功率對應于AMG和ICE-125kW。減少的（與模擬的比較）用在混合動力客車（Cummins ISBe4+185,136kW,Euro-IV）上的柴油機功率是足夠運動在城市循環(huán)和以高達90km/h勻速運動，加速過程不足的功率由存儲電池補償。這時柴油機的功率減少率是燃油經(jīng)濟性的一部分。 燃油經(jīng)濟性的另外組成部分，可能是串聯(lián)式混合動力結構，是柴油機靜態(tài)模型的優(yōu)化。通過選擇牽引異步電機所要求的功率同等于ICE的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速保證它的最好燃油效率。能量分配是靠能量流動控制算法實現(xiàn)的，由流動因素保證主要的燃油經(jīng)濟性。 第一，AM所需要的功率是由快速變化和緩慢變化的部件分配的，首先由緩存提供，第二是由ICE分配的，提供ICE在一個模型中工作，接近于固定的（有毒氣體的排放因此也減少）。 第二，儲存器能夠收集制動過程中的再生能量，通常損失在機械制動中；對穿梭的車輛特別重要尤其是頻繁停止（城市公交車）。 控制能量流動是HLC的功能。也是實現(xiàn)交通控制，包括從駕駛室內(nèi)輸入信號的邏輯進程，傳感器，模擬信號的測量，控制客車運動工況，并處理與保存緊急情況的信息。HLC有四個獨立的CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，廣泛應用于工業(yè)電機。CAN的兩個接口在CANOpen協(xié)議下工作，以1兆位每秒的速度實現(xiàn)了電機-發(fā)動機控制器、牽引電機、存儲器和駕駛員踏板信息的鏈接。HLC通過它們收集所有必要的信息，并控制電力驅(qū)動系統(tǒng)部件。第三個CAN端口以250兆位每秒的速度在SAE J1939協(xié)議下工作。HLC被連接在客車常見的板狀網(wǎng)絡J1939上，可以收集ICE，ABS和ASR控制器工作情況下的所有信息。通過給定的交流通道HLC發(fā)送ICE機構的旋轉(zhuǎn)速度。緊要參數(shù)的控制和IEC的緊急情況是由HLC管理的。如果有一個參數(shù)超過了可接受的邊界值，或者有緊急情況，HLC會在駕駛員信息踏板上產(chǎn)生通知信號。HLC保存所有控制狀況，最終控制決定（執(zhí)行器），在每次確定的，相當短的時間間隔后軟件設定在內(nèi)存中。在維修站點工程師可以看到駕駛員操作的所有序列。如果AMG或者AM控制器發(fā)生緊急情況，在這些控制器的內(nèi)存中記錄相應的緊急情況日志；接著在緊急情況生成的信息通過CAN電路進入HLC的緊急代碼讀出并記錄。在緊急情況發(fā)生前，HLC也保存它自己的緊急情況日志。它允許有在緊急情況前幾秒所有TEES設備情況的完整圖像，并確定引起錯誤的原因。它們保存在內(nèi)存中緊急日志可以復制，在緊急情況前依靠SCS可以收集系統(tǒng)參數(shù)性能圖像。 簡單的診斷和服務，調(diào)試，設備參數(shù)的控制，“RUSELPROM-ElectricDrive”公司已開發(fā)了服務計算系統(tǒng)（SCS）-個人電腦外界特殊軟件。服務計算系統(tǒng)允許調(diào)試控制系統(tǒng)的進程，選擇性顯示變量電流值，用簡單操作格式保存和動態(tài)顯示它們，提供引導和HLC緊急日志的可視化（Fig.8）。 “RUSELPROM-ElectricDrive”公司的專家已經(jīng)為診斷與維修，設備參數(shù)的調(diào)試與控制開發(fā)了專門的軟件——服務計算系統(tǒng)（SCS）的目的是TEES工作變量參數(shù)的可視化，圖像信息的顯示和加工，HLC、AMG和AM緊急日志文件圖像和表格形式的下載、保存和顯示。它能安裝在任何個人計算機上（最低配置要求Windows XP,1.4主頻以上，內(nèi)存512 Mb,100Mb的硬盤，一個PIC-Express接口，兩個USB2.0接口）。SCS是用于TEES工作特點參數(shù)的可視化。 SCS的視圖展示給出在Fig.3. SCS允許極大的簡化調(diào)整和控制TEES，也允許分析加快搜索和修復錯誤的緊急日志。 LIAZ 5292XX客車的電力設備測試基準 在牽引電力設備組安裝在客車上之前，必須通過測量儀器在有可展開結構全尺寸測試工作臺上調(diào)整和綜合勘探。測試工作臺的框架圖見Fig.4。 Fig.4 TEEC測試工作臺的框架圖 一些選擇測試結果在圖中給出。在圖5給出通過測試結果的特點。測試結果由滿載車輛在每一次停止后完成的3個加速度區(qū)域（實現(xiàn)20,30和40km/h的連續(xù)速度）構成。被證明通過NAMI-Ⅱ測試循環(huán)見Fig.6（NAMI-Ⅱ是標準的俄羅斯城市測試周期）。這個周期包括當爬上2%坡度時在20秒內(nèi)加速到50km/h。從頂點的特征清楚看到參考運動速度（綠色線）是可達到的（黑色線代表實際速度），雖然AM峰值功率要求（底部特征）明顯高于ICE-AMG的功率效能。中部特征證明牽引異步電機的轉(zhuǎn)矩。因此，混合動力客車用更低的ICE額定功率提供必要的加速率，而沒有成為緊張的城市交通的障礙。 Fig 5通過測試圖顯示，由三個加速過程組成 Fig 6在NAMI-Ⅱ周期運動 實地測量LIAZ 5292XX客車的電子設備 在牽引電子設備組的測試基準已經(jīng)通過在俄羅斯的一個中心地區(qū)道路上實地測量后，裝有TEES的LIAZ 5292XX客車從“RUSELPROM”公司成功地通過一系列的道路測試?；旌蟿恿蛙囋谄教沟穆访嫔弦呀?jīng)達到預設定的最高速度90km/h。發(fā)現(xiàn)它的加速率比速度從0加速到60km/h的預設定值25秒更好。客車成功的執(zhí)行以10km/h爬行在20%的坡路上（空車），并在滿載狀況下以最高速度爬行在2%的坡路上。實際上，滿載的客車以相對高的大概60km/h的速度爬行在2.6%的坡路上走幾百米。 然而，主要的測試是混合動力客車燃油經(jīng)濟性的測試?？蛙囋谥本€坡度不高于1-2%的相對平坦路面上測試，設計師特別感興趣的是在典型城市行駛循環(huán)估計燃油經(jīng)濟性。為了此目的，使用一個NAMI-II城市循環(huán)被分割成短循環(huán)重復構成的樣式統(tǒng)一驅(qū)動，爬坡和滑行。燃油經(jīng)濟性的一系列測試曲線在29-34升每100km內(nèi)變化，而燃油經(jīng)濟性中間值約為30L/100km。為了參考，我們拿相同級別的現(xiàn)代最好的混合動力客車-Volvo 7700混合動力客車的燃油經(jīng)濟性。它的典型燃油經(jīng)濟性是26.7/100km，但應該指出的是，這個值是在預定的高（最佳）速度統(tǒng)一運動給出的。也應該考慮到，混合動力 LIAZ 5292XX是在一個相當寒冷天氣周圍溫度僅高于0°C幾度下測量的。這需要應用HVAC系統(tǒng)加熱模式，市區(qū)相當大的影響了燃油經(jīng)濟性。所以很明顯，混合動力客車已經(jīng)明顯改善了燃油消耗，相比于傳統(tǒng)模式的在城市工況燃油經(jīng)濟性在35-50 L/100km內(nèi)變化取決于汽車型號和駕駛周期。又一個應該記住的是，所提出的測量結果指的是原裝車。來自“RUSELPROM”的帶有第二代TEES混合動力客車的燃油經(jīng)濟性的預計值大概為25 L/100km（城市行駛）。第二代TEES已經(jīng)改善了部件和使用改善的控制算法。 其它城市公交的發(fā)展項目 RUSELPROM-ElectricDrive公司的專家已經(jīng)實現(xiàn)了動態(tài)牽引模型，估計由俄羅斯、烏克蘭和白俄羅斯企業(yè)生產(chǎn)的大量的各種城市公交車TEESes部件基本功率的性能表現(xiàn)： 9m級別——PAZ-3237（“GAZ-Group”），“Bogdan”； 12m級別——型號4202A（“Belcommunmash”）,MAZ-203(“Minsk Automobile Works”),“Bogdan”(Ukraine)； 15m級別——車型627006（“Volgabus”）； 18m級別——LiAZ-6292,MAZ-205。 來自BKM的12m客車，LIAZ的18m客車，Volgabus和Bogdan車型都實現(xiàn)了動態(tài)遷移仿真模式： -空載客車以7.5km/h的速度升降在20%的臺架上； -以最高速度80km/h運動； -以速度60km/h運動在1.75%的坡度上； -交通循環(huán)。 仿真允許定義： -TAM最大轉(zhuǎn)矩（峰值）； -TAM最高連續(xù)轉(zhuǎn)矩； -TAM最大功率（峰值）； -需要的最大ICE功率（連續(xù)的）。 通過計算被定義：TAM最大與連續(xù)轉(zhuǎn)矩，TAM最大功率和ICE最大功率。主要的結論是所有客車要求的TAM最大轉(zhuǎn)矩變化不大——在相同的旋轉(zhuǎn)頻率下——允許正常一個決定在發(fā)展統(tǒng)一的TAM。這相同的決定也可以用在AMG上。作為緩沖存儲系統(tǒng)的版本，它應該被標記，首先，RUSELPROM要制定出本國超級電容器的應用版本。例如，在表格2中，給出了來自ELTON（former ESMA）和Maxwell的18噸客車存儲器參數(shù)的比較。第二，RUSELPROM得研究應用離子電池作為緩存器。 Table 2 18x30EC406 7xBMOD0063-P125 工作電壓 V 810 875 電容量 F 16.3 9 內(nèi)阻 mΩ 162 119 體積 L 540 694 重量 kg 774 406 有效電阻 mΩ 194 139 工作周期電壓 V 810-535 875-459 充放電效率 % 93 95 放電過程熱能損失 kW 8.1 6.0 結論 RUSELPROM公司的專家已經(jīng)實施牽引電力設備所有部件的項目：電子機械，能源和控制電子，輔助動力系統(tǒng)和客車各種指定部件的冷卻等。公司的企業(yè)準備生產(chǎn)完整的TEESes。 因此，RUSELPROM公司準備開發(fā)，生產(chǎn)和交付各種城市公交車完整的牽引電力設備，交付符合客戶要求的整備客車。現(xiàn)有的發(fā)展不但要滿足實施獨立的創(chuàng)新項目，還是現(xiàn)代化由于車輛在各種要求和條件下應用明顯需要的。對比本國混合動力客車的TEESes的參數(shù)，結構和構成與國外類似產(chǎn)品，有很好的理由斷言，國內(nèi)制造商企業(yè)的運輸技術能夠在最短周期內(nèi)實現(xiàn)高水平的創(chuàng)造新一代現(xiàn)代公共市內(nèi)交通運輸工具，這里不行僅一個要求。引進混合動力運輸技術可能是運輸機械工業(yè)用創(chuàng)新方法走出危機邊緣的一個有價值的例子。至關重要的是，創(chuàng)造節(jié)能，環(huán)保型汽車是可以在商業(yè)基礎上的，盡管沒有投入提供創(chuàng)新支持手段，當然，國家當局財政和組織的幫助不會過高。 參考文獻 1. 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