Przykładowe układy napędowe

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

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

Energia wody Zapora Trzech Przełomów (Three Gorges Dam) jest największej mocy hydroelektryczną elektrownią na świecie o mocy of 22,5 GW. Wysokość Długość Szerokość Szerokość podstawy Przepływ maksymalny 181 m 2,335 m 40 m 115 m 116,000 m 3 /s Teoretyczna moc hydroelektrowni: P Average gq Aver H Aver all g- przyspieszenie grawitacyjne; Q Aver -średni przepływ; - gęstość wody; H Aver -średnia różnica wysokości poziomów cieczy ; - sprawność. 3

2 mv k, m V0 * Avt 2 E wind P Av 2 3 Energia wiatrowa E k, wind Av 2 gdzie: m- masa powietrza; v- prędkość wiatru; - gęstość powietrza; V0- objętość powietrza; A- pole powierzchni prostopadłe do skrzydła; t- czas. 3 t 4

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 5

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 6

Parametry ogniw elektrochemicznych Energia właściwa (specific energy) jest definiowana jako liczba energii na jednostkę masy [Wh/kg] lub [J/kg] Moc właściwa (Specific Power lub Peak Power) jest definiowana jako maksymalna moc chwilowa możliwa do wytworzenia na jednostkę masy [W/kg]. Gęstość energii (Energy density) jest definiowana jako ilość energii w danej objętości [Wh/m 3 ] 7

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 8

Zadanie #1 Jaka jest maksymalna możliwa pojemność i prąd akumulatora NiMH przy zadanych parametrach? Typ AA; NIMH Waga: 29 g Napięcie maksymalne: 1,25 V AA; NIMH AAA; NIMH 9

Rozwiązanie Maksymalna pojemność: 95 Wh - 1000 g X Wh - 29 g X = 2,75Wh/1.25V = 2200mAh Maksymalny prąd: 300 W - 1000 g Y W - 29 g Y = 8,7W/1,25V =7A 10

Kondensatory Kondensator element elektryczny, zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Po podłączeniu napięcia do kondensatora, ładunek elektryczny gromadzi się na okładzinach kondensatora. Po odłączeniu napięcia, siłą przyciągania elektrostatycznego, ładunki utrzymują się na okładzinach. E cap =CV 2 /2 C -pojemność kondensatora [F] V- napięcie zakładek kondensatora [V] Powierzchnia okładek 1g = nawet 2000-3000m 2 11

Porównanie kondensatorów i baterii elektrochemicznych 12

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. 13

Układy mechanicznej akumulacji energii Geometria typowego koła zamachowego Cechy akumulatorów energii kinetycznej: Dość wysoka gęstość energii (rzędu nawet 100 Wh/kg) Dość wysoka sprawność (rzędu 90%) Powolne ładowanie Konieczność stosowania wysokowytrzymałych materiałów 14

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) 15

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. 1000 C. Jest to metoda przemysłowa otrzymywania wodoru. 16

Paliwa petrochemiczne Paliwo Wodór (700 bar) Energia właściwa [MJ/kg] Gęstość energii [MJ/l] 142 5.6 Metan 55.5 0.0364 Paliwa kopalne i pochodzące z nich produkty petrochemiczne są najczęściej wykorzystywanymi źródłami energii w pojazdach (ok. 98%). LNG 53.6 22.2 Olej napędowy 48 35.8 LPG 46.4 26 Benzyna 46.4 34.2 Olej roślinny 37 34 Etanol 26.4 20.9 Metanol 19.7 15.6 17

Ogniwa paliwowe Ogniwo paliwowe jest ogniwem, w którym energia chemiczna paliwa jest bezpośrednio przetwarzana na energię elektryczną w procesie elektrochemicznym. 18

Zasada działania ogniw paliwowych Funkcja Gibbsa =1.23 V (teoretycznie 1,48V) n liczba elektronów przemieszczonych w czasie reakcji, F = 96.495 stała Faradaya w C/mol, Vr odwracalne napięcie ogniwa T temperatura absolutna 19

Sprawność ogniw paliwowych 20

Zasada działania ogniw paliwowych 21

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM) (także zwane Polymer Electrolyte Membrane) Cechy: Polimerowa membrana jako elektrolit (kwasowa) 0.05-0.25mm grubości membrany Membrana nieprzepuszczalna dla gazów Zasilane czystym wodorem Utleniane czystym tlenem Elektrody węglowe pokryte czystą platyną Woda może być usuwana z elektrody przez parowanie lub przepływ powietrza 22

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEM) Zalety: + Gęstość mocy do 2 W/cm 2 + Atrakcyjne do pracy w niskich temperaturach + Duża odporność na przenikanie gazu + Szybki rozruch Wady: - Elektrody pokryte drogim katalizatorem platynowym - Membrana musi być utrzymywana przy odpowiedniej wilgotności - Toksyczne (tlenek węgla) - Trudne do utrzymania warunki termiczne (niski zakres użytkowych temperatur) 23

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC) Cechy: Wodny roztwór wodorotlenku potasu jako elektrolit (zasadowy) Zalety : + Niskie straty rozruchowe + Wysoka sprawność + Srebro lub nikiel jako katalizator + Wysoki zakres temperatury pracy + Łatwe do utrzymania warunki termiczne Wady : - Zatruwanie (uszkadzanie) elektrod tlenkiem i dwutlenkiem węgla - Osadzanie wody na anodzie - Ryzyko zwarcia - Wymaga czystego wodoru 24

Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC) Cechy: Wysoce skoncentrowany kwas fosforowy jako elektrolit Struktura SiC utrzymująca elektrolit Reakcje na elektrodach jak w PEM Zalety : + Względnie niskie temperatury pracy + Tani elektrolit Wady : - Drogi katalizator (platyna) - Musi pracować powyżej 42 C (punkt zamarzania) - Niska sprawność - Zatruwanie (uszkadzanie) elektrod tlenkiem węgla - Wysoce żrący elektrolit 25

Cechy: Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC) Stopiony węglan litowo-sodowy lub litowo-potasowy jako elektrolit (aniony) Ceramiczna struktura utrzymująca elektrolit Elektrody z niklu i tlenku niklu Zalety : + Możliwość przetwarzania węglowodorów + Tanie katalizatory + Niska podatność na zatruwanie elektrod Wady : - Żrący elektrolit - Wysokie temperatury pracy (500-800 C) niebezpieczne - Wysokie zużycie energii na rozruch uniemożliwia użytkowanie w dużych jednostkach stacjonarnych 26

Cechy: Ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (SOFC) Ceramika (np. cyrkon stabilizowany itrem) jako elektrolit (aniony lub kationy) Zalety : + Możliwość przetwarzania węglowodorów + Duża gęstość mocy + Odporne na zatruwanie Wady : - Wysoka temperatura pracy - Kruchy elektrolit 27

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). 28

Ogniwa paliwowe - podsumowanie Ogniwo paliwowe przetwarza energie wiązań chemicznych zawartą w paliwie na użyteczną energię elektryczną; Ogniwo paliwowe składa się z: - Elektrod (katalizatora) - Elektrolitu - Obwodu elektrycznego; Ogniwa paliwowe pracują głównie na wodorze, ale niektóre mogą przetwarzać również węglowodory; Najczęstszym utleniaczem jest tlen; Teoretyczne napięcie pojedynczego ogniwa to 1.23 V. Praktycznie pojedyncze ogniwo generuje ok. 0,7 V; Sprawność ogniwa paliwowego jest proporcjonalna do wytwarzanego napięcia; Poznaliśmy 5 podstawowych i najważniejszych typów ogniw paliwowych. 29

Ogniwa paliwowe - podsumowanie 30

WTT+TTW=WTW Sprawność częściowa i całkowita poszczególnych typów pojazdów drogowych 31

Charakterystyki silników napędowych

Silniki spalinowe

Pojazdy hybrydowe Są to pojazdy wykorzystujące kilka źródeł napędu (silników). 35

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. 36

Sprzęgła Sprzęgła Nierozłączne Sterowane Samoczynne Sztywne Mechaniczne Mechaniczne Samonastawne Hydrodynamiczne Hydrodynamiczne Podatne Elektromagnetyczne Elektromagnetyczne Inne (olejowoproszkowe) 37

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 38

Sprzęgła cierne p = M = Tr m = Pμr m r m = D z D w 4 4P π(dz 2 Dw 2 ) p dop 39

Sprzęgła wiskotyczne Sprzęgła wiskotyczne mają budowę podobną do sprzęgieł ciernych wielopłytkowych mokrych, z tym, że płytki nie stykają się ze sobą, ale połączone są cieczą wypełniającą sprzęgło. Regulacji momentu przenoszonego przez sprzęgło dokonuje się przez: zmianę lepkości cieczy; odległość płytek; ilość cieczy. Lepkość cieczy najprościej zmienia się przez zmianę jej temperatury. Najczęściej stosowane są w pojazdach do rozdziału momentu obrotowego między osie napędowe (4x4).

Sprzęgła hydrokinetyczne Sprzęgła hydrokinetyczne to sprzęgła, w których moment obrotowy przekazywany jest przez ciecz, której nadawana jest energia kinetyczna. Energia ta nadawana jest przez wirnik pompy, a odbierana przez wirnik turbiny. Sprzęgła hydrokinetyczne są sprzęgłami samoczynnymi. Do zalet sprzęgieł hydrokinetycznych zaliczyć można: Podatne powiązanie wału wyjściowego z wejściowym (nawet pełna podatność) Ograniczenie drgań skrętnych Cicha i spokojna praca Bardzo duża trwałość Łatwość eksploatacji Możliwość włączania i rozłączania sprzęgła nawet przy pełnym obciążeniu Do wad zalicza się przede wszystkim: Mniejsza sprawność w porównaniu z innymi sprzęgłami Nieco większe gabaryty Dość długi czas załączania i rozłączania

Sprzęgło hydrokinetyczne Przełożenie kinematyczne: I k = 1 / 2 Przełożenie dynamiczne: I d =M 1 / M 2 =1 =I k I d 42

Hamulce Zespół służący do zatrzymywania wału lub sterowania jego prędkością. Sprzęga człon ruchomy z nieruchomym. Różnią się od sprzęgieł przede wszystkim tym, że jeden z ich członów jest nieruchomy, połączony z ramą lub korpusem. Wyróżniamy hamulce: Zatrzymujące włączane aby zatrzymać wał maszyny lub pojazdu; Trzymające stale zahamowane, luzowane w celu umożliwienia ruchu maszyny; Wstrzymujące służą do regulacji prędkości układu

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;

Przekładnie zębate Zalety: Wysoka sprawność (nawet ponad 99%); Zwarta budowa; Stałość przełożenia; Niezawodność. Wady: Drogie materiały zębów; Wysokie koszty wytwarzania zębów o skomplikowanym zarysie; Konieczność stosowania wysokich dokładności wykonania i montażu.

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

Przekładnie planetarne Zalety: Zwarta budowa; Duża możliwość zmiany przełożeń; Duże przenoszone moce; Współosiowość wałów; Dość duża sprawność; Prosta zmiana przełożenia. Wady: Duże obciążenia łożysk; Złożona budowa; Zamknięta konstrukcja trudny dostęp.

CVT (wariatory)

CVT (wariatory) Zalety: Praca w optymalnym zakresie obrotów silnika; Bezstopniowa (płynna) regulacja przełożenia; Możliwe uzyskanie dużej rozpiętości przełożeń; Dość wysoka sprawność; Zwarta budowa; Prosta konstrukcja; Niewielki ciężar w stosunku do przenoszonej mocy. Wady: Zawodność - podatność na uszkodzenia wskutek poślizgu; Trudności w utrzymaniu stałego przełożenia wskutek poślizgu; Względnie małe przenoszone obciążenia; Niemożność tłumienia drgań.

Przekładnia a sprzęgło hydrokinetyczne

Sprzęgła hydrokinetyczne

Przekładnie hydrokinetyczne Przekładnie hydrokinetyczne przekazują (najczęściej) ruch obrotowy. Przełożenie kinematyczne: I k = 1 / 2 Przełożenie dynamiczne: I d =M 1 / M 2 =1 Sprawność: =I k I d Poślizg: s=1-i k

Przekładnie hydrokinetyczne

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

Napęd hydrostatyczny h + p ρg + v2 2g = const ρghv + pv + ρ v2 V = const 2 p = P 1 = P 2 A 1 A 1 s 2 = A 2 s 1 v = s t A 2 i = P 2 P 1 = A 2 A 1 = s 1 s 2 = v 1 v 2 N = pq = pav

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

Moc krążąca Moc krążąca powstaje, gdy istnieje niezgodność kinematyczna oraz występuje dobre sprzężenie cierne (duży współczynnik przyczepności) między elementami napędowymi.

Mechanizm różnicowy

Mechanizm różnicowy Klasyczny mechanizm różnicowy (o niewielkim oporze wewnętrznym) rozdziela moment obrotowy równo na oba wały wyjściowe. ω 1 +ω 2 = ω 2 0 ω 1 +ω 0 = i ω 2 +ω w(1,2) = 1 0 iw=-1 (gdy jedna oś zmniejsza prędkość względem obudowy mechanizmu, to druga oś zwiększa prędkość o taką samą wartość) ω przysp = ω 0 + ω ω opóźn = ω 0 ω ω przysp + ω opóźn = 2ω 0 M opóźn + M przysp = M 0 M t = M opóźn M przysp M opóźn = 0,5M 0 + 0,5M t M przysp = 0,5M 0 0,5M t Mechanizm zadziała dopiero gdy różnica momentów między półosiami osiągnie Mt.

Zadanie #2 Określ łączną siłę napędową jaką będą przenosić oba koła pod działaniem momentu Mo. Określ łączną siłę napędową jaką będą przenosić oba koła ze sztywną osią napędową. Która z tych wartości jest wyższa?

Zadanie #2 μ 1 < μ 2 M 1 = μ 1 G n 2 r d M 2 = M 1 + M t = μ 1 G n 2 r d + M t M = M 1 + M 2 = μ 1 G n r d + M t P k = M r d = μ 1 G n + M t r d P ks = (μ 1 + μ 2 )G n 2

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

Mosty napędowe

Promień: Swobodny Statyczny Kinematyczny Dynamiczny Toczny Koła

Niezgodność kinematyczna Międzyosiowa niezgodność kinematyczna pojazdu o dwóch mostach napędzanych

Niezgodność kinematyczna

Literatura Hydrokinetyczne układy napędowe, Z. Kęsy Pojazdy samochodowe: sprzęgła, hamulce i przekładnie hydrokinetyczne, Z. Szydelski Inżynieria maszyn roboczych, cz. 1, K. Pieczonka Mosty napędowe, Z. Jaśkiewicz Napęd hydrostatyczne, t. 1, S. Stryczek Układy przeniesienia napędu samochodów ciężarowych i autobusów, M. Zając