Przykładowe układy napędowe

Transkrypt

1 Przykładowe układy napędowe Silnik Sprzęgło Skrzynia biegów Półoś Koło napędzane Silnik Mechanizm różnicowy Sprzęgło hydrokinetyczne Skrzynia biegów Półoś Koło napędzane Mechanizm różnicowy Silnik Przekładnia hydrokinetyczna Mechanizm różnicowy Półoś Koło napędzane Silnik Przekładnia hydrostatyczna Mechanizm różnicowy Półoś Koło napędzane Silnik Gąsienica Przekładnia hydrostatyczna Samochód osobowy Samochód osobowy Pojazd przemysłowy Pojazd przemysłowy Pojazd przemysłowy Przykład: Źródło mocy Układ przeniesienia napędu Element jezdny 1

2 Zakres tematyczny wykładu 1. Wytwarzanie energii elektrycznej a) Sposoby wytwarzania energii elektrycznej 2. Magazynowanie energii a) Sposoby magazynowania energii b) Sposoby wykorzystania istniejących źródeł energii c) Ogniwa paliwowe 3. Praca źródła mocy a) Silniki spalinowe b) Silniki elektryczne c) Układy hybrydowe 4. Przeniesienie napędu a) Sprzęgła, hamulce b) Przekładnie c) Mechanizmy różnicowe d) Zwolnice 5. Przeniesienie energii przez element jezdny do podłoża 2

3 Energia słoneczna Ogniwo fotowoltaiczne to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Ogniwo fotowoltaiczne wykorzystuje półprzewodnikowe złącze typu p-n. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura, następnie przesuwane są przez pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika (elektrony do n, dziury do p). W wyniku przemieszczenia ładunków elektrycznych powstaje różnica potencjałów - elektryczne. napięcie 3

4 2. Magazynowanie energii Baterie elektrochemiczne Kondensatory Superkonesatory Układy mechaniczne Układy hydrauliczne/ pneumatyczne Związki chemiczne Ogniwa pierwotne Ogniwa wtórne (akumulatory) Koła zamachowe Sprężyny Akumulatory hydrauliczne Akumulatory pneumatyczne Wodór Produkty petrochemiczne* Alkaliczne Ołowiowe Benzyna Leclanchégo Niklowo-kadmowy Niklowometalowowodorkowy * - Są to nieodnawialne źródła energii, co za tym idzie nie można mówić o magazynowaniu energii, a jedynie o wykorzystywaniu źródeł o dużej wartości energetycznej. Zostały ujęte w zestawieniu, gdyż są głównym źródłem energii pojazdów. Olej napędowy Gaz ziemny Litowo-jonowy Propan-butan Litowopolimerowy 4

5 Baterie elektrochemiczne Pojemność baterii jest definiowana jako liczba amperogodzin otrzymanych z baterii (akumulatora) podczas jego rozładowywania ze stanu pełnego naładowania (SOC=100%) do napięcia odcięcia. Zauważ: pojemność baterii maleje wraz ze wzrostem prądu rozładowania. Charakterystyka rozładowania baterii ołowiowych 5

6 Porównanie kondensatorów i baterii elektrochemicznych 6

7 Kondensatory/Superkondensatory Zalety: Bardzo duża szybkość ładowania/rozładowania (w porównaniu do baterii i akumulatorów) Duża sprawność, nawet 95% Niewielka degradacja właściwości przy wielokrotnym rozładowaniu i ładowaniu (nawet do miliona cykli) Szeroki zakres temperatury pracy Niski koszt na jednostkę pojemności Bezobsługowe Niskie koszty eksploatacyjne Możliwość pełnego rozładowania bez szkody dla kondensatora Nisko toksyczne Wady: Niska gęstość energii w porównaniu do ogniw elektrochemicznych; Konieczność stosowania skomplikowanych układów elektronicznych w związku ze znacznymi zmianami napięci przy rozładowywaniu Niskie napięcie pracy 2-3 V Szybsze samorozładowanie. Zastosowanie w pojazdach: głównie w połączeniu z innymi źródłami energii w celu dostarczenia dużej, acz krótkotrwałej mocy dla jednostki napędowej, bądź urządzeń pomocniczych. 7

8 Układy hydraulicznej akumulacji energii Akumulator hydrauliczny: Istotny element układu napędowego maszyn roboczych Umożliwia odzyskiwanie energii z nadwyżek przy hamowaniu (np. nadwoziem koparki czy wysięgnikiem ładowarki) 8

9 Wytwarzanie wodoru Wodór można otrzymywać m.in. przez: - rozkład termiczny metanu - reforming parowy - reakcję metanu z tlenem - elektrolizę. Elektroliza to proces odwrotny do zachodzącego w ogniwie galwanicznym. Jest to metoda laboratoryjna otrzymywania wodoru. Reforming parowy to proces produkcji wodoru z metanu i pary wodnej. Proces ten zachodzi w temperaturze ok C. Jest to metoda przemysłowa otrzymywania wodoru. 9

10 Paliwa petrochemiczne Paliwo Wodór (700 bar) Energia właściwa [MJ/kg] Gęstość energii [MJ/l] Metan Paliwa kopalne i pochodzące z nich produkty petrochemiczne są najczęściej wykorzystywanymi źródłami energii w pojazdach (ok. 98%). LNG Olej napędowy LPG Benzyna Olej roślinny Etanol Metanol

11 Ogniwa paliwowe Ogniwo paliwowe jest ogniwem, w którym energia chemiczna paliwa jest bezpośrednio przetwarzana na energię elektryczną w procesie elektrochemicznym. 11

12 Zasada działania ogniw paliwowych Funkcja Gibbsa =1.23 V (teoretycznie 1,48V) n liczba elektronów przemieszczonych w czasie reakcji, F = stała Faradaya w C/mol, Vr odwracalne napięcie ogniwa T temperatura absolutna 12

13 Sprawność ogniw paliwowych 13

14 Typy ogniw paliwowych 1. Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM); 2. Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC); 3. Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC); 4. Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC); 5. Ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (SOFC); 6. Odwracalne ogniwo paliwowe (RFC); 7. Bezpośrednie ogniwo metanolowe (DMFC). 14

15 Ogniwa paliwowe - podsumowanie 15

16 WTT+TTW=WTW Sprawność częściowa i całkowita poszczególnych typów pojazdów drogowych 16

17 Charakterystyki silników napędowych

18 Silniki spalinowe

19 Silniki spalinowe

20 Sprzęgła Sprzęgło to zespół służący do łączenia wałów i przeniesienia momentu obrotowego bez trwałem zmiany jego wartości i bez zmiany kierunku. Sprzęgła umożliwiają: wytwarzanie krótszych wałów, łagodzenie obciążeń dynamicznych, łączenie wałów, których wzajemne ułożenie współosiowe może być utrudnione, włączanie i wyłączanie napędu podczas pracy maszyny, przenoszenie momentu tylko w jednym kierunku, zabezpieczenie przed przeciążeniem. Sprzęgło można podzielić na 3 części: człon czynny człon bierny łącznik. Jeżeli funkcje łącznika spełnia ciecz, nazywamy je sprzęgłem hydrodynamicznym. Jeżeli funkcje łącznika spełniają siły pola elektromagnetycznego, nazywamy je sprzęgłem elektromagnetycznym. 20

21 Sprzęgła Sprzęgła Nierozłączne Sterowane Samoczynne Sztywne Mechaniczne Mechaniczne Samonastawne Hydrodynamiczne Hydrodynamiczne Podatne Elektromagnetyczne Elektromagnetyczne Inne (olejowoproszkowe) 21

22 Sprzęgła nierozłączne W układach przeniesienia napędu pojazdów najczęściej stosowane są sprzęgła nierozłączne przegubowe. Podstawą budowy sprzęgieł przegubowych jest przegub Cardana. tgφ 1 = tgφ 2 cosδ = ω 2max ω 2min ω 1 = (sin δ)2 cos δ Stopień niejednostajności prędkości kątowej 22

23 Przekładnie mechaniczne Głównym jej celem jest pokrycie pola podaży mocy silnika w taki sposób, aby umożliwiać płynne ruszanie i rozpędzanie pojazdu oraz efektywne korzystanie z dostępnej mocy silnika. Przełożenie kinematyczne i k = ω o ω i ; Przełożenie i p = ω i ω o Rozpiętość przełożeń dwóch biegów: a z 1 z = i (z 1), gdzie iz przełożenie danego biegu; i z Rozpiętość przełożeń skrzynki biegów: a 1n = i 1 i n, gdzie i1 przełożenie I biegu, in przełożenie najwyższego biegu;

24 Przekładnie planetarne Przekładnia, w której co najmniej jedno koło nie ma ustalonej osi obrotu. a) 1,2,3 - ruchome 4 nieruchome i = z 1 z 3 b) 2,3,4 - ruchome 1 nieruchome i = z 1 + z 3 z 3 c) 1,2,4 - ruchome 3 nieruchome i = z 1 + z 3 z 1 1,3 koła słoneczne 2 koło planetarne 4 - jarzmo i = z 3 z 2 z 1 z 2

25 CVT (wariatory)

26 Przekładnia a sprzęgło hydrokinetyczne

27 Sprzęgła hydrokinetyczne

28 Przekładnie hydrokinetyczne

29 Przekładnie hydrokinetyczne

30 Współpraca przekładni z silnikiem 1 CVT 2 PH z mechaniczną 3 Mechaniczna

31 Mechanizm różnicowy (rozdziału mocy) Mechanizm różnicowy jest mechanizmem, który ma za zadanie kompensować różnice prędkości obrotowych na dwóch wałach (wyjściach z mechanizmu).

32 Mechanizm różnicowy

33 Współczynnik rozdziału momentów obrotowych: K = M opóźn M przysp Jeśli stosunek momentów na kołach jest mniejszy od współczynnika K, to mechanizm różnicowy nie działa

34 Mosty napędowe