РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРЕТЬЕЙ ОСИ ГИБРИДНОГО МОТОВЕЗДЕХОДА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.373.3 EDN: ONCJQM

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРЕТЬЕЙ ОСИ ГИБРИДНОГО МОТОВЕЗДЕХОДА

М.М. Журкин

ORCID: 0009-0006-6254-8954 e-mail: mimizhur@gmail.com

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Москва, Россия

А.Ю. Захаров

ORCID: 0009-0003-1255-6575 e-mail: zakharov-al@mail.ru

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Москва, Россия

Т.В. Голубчик ORCID: 0000-0001-6908-9427 e-mail: tvgolubchik@mail.ru

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Москва, Россия

Представлены результаты разработки прототипа гибридного трехосного мотовездехода на базе серийного образца, осуществлен выбор и обоснование конструктивных и технических решений по реализации гибридного привода мотовездехода за счет добавления модульной конструкции третьей оси с грузовой платформой. Обоснованы преимущества выбранной схемы привода, связанные с улучшением проходимости, удобством эксплуатации и управления. Приведены математические уравнения схем трансмиссии для моделирования, алгоритмы управления и результаты исследования влияния гибридной схемы на энергоэффективность мотовездехода. Отражены результаты практической реализации конструктивного исполнения мотовездехода с колесной формулой 6х6 и модулем электропривода, обеспечивающего повышение проходимости, грузоподъемности и увеличенный запас хода.

Ключевые слова: гибридный мотовездеход, электропривод третьей оси, модульная ось, гибридный привод, энергоэффективность.

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Журкин, М.М. Результаты практической реализации модульной конструкции электропривода третьей оси гибридного мотовездехода / М.М. Журкин, А.Ю. Захаров, Т.В. Голубчик // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2024. № 1. С. 98-106. EDN: ONCJQM

RESULTS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION OF THIRD AXLE ELECTRIC DRIVE WITH MODULAR DESIGN FOR HYBRID ALL-TERRAIN VEHICLE

M.M. Zhurkin

ORCID: 0009-0006-6254-8954 e-mail: mimizhur@gmail.com

Bauman Moscow State Technical University Moscow, Russia

A.Yu. Zakharov ORCID: 0009-0003-1255-6575 e-mail: zakharov-al@mail.ru

Bauman Moscow State Technical University Moscow, Russia

© Журкин М.М., Захаров А.Ю., Голубчик Т.В, 2024

T.V. Golubchik ORCID: 0000-0001-6908-9427 e-mail: tvgolubchik@mail.ru

Bauman Moscow State Technical University Moscow, Russia

Abstract. The paper presents the results of the development of a prototype of a hybrid three-axle all-terrain vehicle based on a serial one. The selection and justification of design and technical solutions for the implementation of a hybrid drive of an all-terrain vehicle due to adding a third axle of a modular design with a loading platform was carried out. The advantages of the selected drive scheme related to improved cross-country ability, ease of operation and control are substantiated. The mathematical equations of transmission diagram for modeling, control algorithms and the results of a study of the influence of a hybrid diagram on the energy efficiency of an all-terrain vehicle are presented. The results of the practical implementation of the design of a 6x6 all-terrain vehicle and an electric drive module, which provides increased cross-country ability, load capacity and an increased range are reflected.

Key words: hybrid ATV, third axle electric drive, axle module, hybrid drive, efficient energy use.

FOR CITATION: M.M. Zhurkin, A.Yu. Zakharov, T.V. Golubchik. Results of practical implementation of third axle electric drive with modular design for hybrid all-terrain vehicle. Transactions of NNSTU n.a. R.E. Alekseev. 2024. № 1. Рp. 98-106. EDN: ONCJQM

Введение

Мотовездеходы нашли широкое применение как доступное транспортное средство, способное выполнять задачи по транспортировке людей и грузов в условиях бездорожья. Они широко используются в лесном и сельском хозяйстве, а также в сфере туризма, спорта, охоты, рыбалки и т.д. Исследователи отмечают дальнейшее развитие электрических мотовездеходов, а прогнозируемый рост их рынка оценивается в 8 % в год1.

Классический мотовездеход представляет собой двухосную машину с одним или двумя сиденьями и небольшой площадкой под багажник. Для значительного увеличения грузоподъемности классических мотовездеходов производителями была добавлена возможность жесткого крепления третьей оси и установки грузовой платформы (рис. 1).

Рис. 1 Демонтируемый модуль грузовой платформы Fig. 1. Removable cargo platform module

Как правило, такая ось является ведомой и не содержит тормозных механизмов, применение подобной грузовой платформы сопровождается ухудшением тормозных и разгонных свойств. Кроме того, установка грузовой платформы над третьей осью приводит к перераспре-

1 All-Terrain Vehicle (ATV) Market Size https://www.gminsights.com/industry-analysis/all-terrain-vehicle-atv-market

делению нагрузок между осями, что отрицательно сказывается на управляемости машины. Добавление третьей неповоротной оси также приводит к увеличению момента сопротивления повороту и соответственно ухудшению маневренности.

Обзор моделей ведущих производителей мотовездеходов, с мотоциклетной посадкой и мотоциклетным рулевым управлением All-Terrain Vehicle (ATV) показал, что в настоящий момент серийно выпускаются и продаются трехосные мотовездеходы с колесной формулой 6х6 фирмами Can-Am (BRP) [https://www.brp-world.com/int/en/brands/can-am-off-road/models-2022/outlander.html] и Polaris [https://www.polaris.com/] (табл. 1).

Таблица 1.

Технические характеристики мотовездеходов с колесной формулой 6х6

Table 1.

Technical characteristics of 6x6 all-terrain vehicles

OUTLANDER SPORTSMAN

OUTLANDER MAX 6X6 XU+ 450 T BIG BOSS 6X6 800 EFI

Двигатель

Тип V-образный, жидкостного охлаждения 4-тактный, двухцилиндровый, жидкостного охлаждения

Объем, см3 976 760

Трансмиссия Вариатор, P / R / N / H / Extra Low L Вариатор P/R/N/L/H.

(с увеличенным передаточным Система Автоматического полного

отношением), система торможения двигателем. Режимы езды 4WD или привода AWD на 6 колес

6WD с самоблокирующимся передним дифференциалом Visco-Lok QE

Мощность, л. с. 38 64

Шасси

Тип передней подвески/ход, мм Двойные изогнутые А-образные рычаги / 229 Стойки MacPherson / 240

Тип задней подвески/ход, Независимая задняя подвеска Двойные A-образные рычаги

мм с двойными продольными рычагами с быстросъемным стабилизатором поперечной устойчивости / 251 на 4 колеса / 160 - 240

Передний тормозной Два тормозных диска (214 мм) Дисковые гидравлические

механизм с двухпоршневыми гидравлическими тормозными механизмами на 4 колеса

Задний тормозной Два тормозных диска (214 мм) Дисковые гидравлические

механизм с двухпоршневыми гидравлическими тормозными механизмами на 4 колеса

Передние колеса, дюймы 26" x 8" x 12" 25" x 8" - 12"

Габаритные размеры

Д х Ш х В, мм 2790x1188x1240 2850 x 1220 x 1220

Колесная база (мм) 2285 1290

Клиренс (мм) 279 270

Сухой вес (кг) 595 480

Грузоподъемность

передней и задней багажных площадок (кг)

передней: задней: 45 318 45 360

Емкость топливного бака (л) 20,5 15,5

Рама Пространственная Пространственная

Реализация электропривода третьей оси

Создание мотовездехода с электроприводом или гибридной силовой установкой требует создания специализированной несущей конструкции [1], серийный выпуск которой предполагает существенную технологическую проработку. Один из возможных способов модернизации классических мотовездеходов - применение третьей оси с электроприводом [2]. Такое решение добавляет новые функции в существующие конструкции и тем самым улучшить их. Данную схему можно считать промежуточным вариантом между классическими системами многоосного привода и системами индивидуального привода. Последние обладают многочисленными преимуществами [3], связанными с возможностью перераспределения крутящего момента. Однако использование «мотор-осей» более целесообразно для мотовездеходов [4] ввиду тяжелых условий эксплуатации. Подобные концепции уже существуют, их реализация испытывается на грузовых автомобилях. Пионерами в данной области являются фирмы TRAILER DYNAMICS и KRONE, представившие полуприцеп с электроприводом, увеличивающий пробег на одном баке и на 20 % уменьшающий выбросы CO2.

Мотовездеход редко движется в установившемся режиме, что делает применение гибридной схемы еще более актуальным. Мотовездеход с гибридным приводом может двигаться в следующих режимах:

• за счет двигателя внутреннего сгорания (ДВС), установленного на классическом мотовездеходе;

• только за счет электрического двигателя;

• используя оба двигателя одновременно.

Применение электропривода третьей оси расширяет следующие возможности классического мотовездехода.

1. Увеличение дальности хода на одном баке. Данное улучшение становится возможным по ряду причин: во-первых, аккумулятор можно заряжать от сети, что само по себе позволяет перевозить с собой большее количество запасенной энергии. Во-вторых, использование основного принципа гибридных автомобилей, задействование электродвигателя в зонах низкого КПД ДВС позволяет экономить топливо. В-третьих, существует возможность торможения электродвигателем и преобразование кинетической энергии в электрическую.

2. Применение гибридной схемы трансмиссии также позволяет использовать мотовездеход с заглушенным ДВС в помещениях и особых экологических зонах, или двигаться со звукомаскировкой.

3. Применение ряда электронных помощников без внесений в штатную тормозную систему. Данные системы позволят предотвращать аварийные ситуации самостоятельно (без участия водителя). Они оценивают ситуацию и при необходимости вмешивается в процесс управления мотовездеходом [5]:

• управление одним рычагом: данная функция способна повысить комфорт водителя, уменьшить скорость износа тормозных механизмов и сделать торможение электродвигателем, управляемым для водителя;

• противобуксовочная система: данная функция позволит избегать буксования оси с электроприводом, а также, задействовать данную ось, когда возникает буксование осей с приводом от ДВС;

• антиблокировочная система: данная функция позволит эффективно использовать способность торможения с помощью электропривода и избежать возможного начала вращения колес в обратную сторону;

• помощь при спуске с горы: данная функция позволит автоматически поддерживать скорость на спуске;

• помощь при старте в гору: данная функция позволит предотвращать откатывание мотовездехода в случае нерасторопности водителя;

• система активной стабилизации: для уменьшения сноса передней оси, и как следствие, повышения поворотливости; алгоритм подразумевает увеличения тяги от ДВС и создания тормозного момента на ТЭД при больших углах поворота руля.

4. Улучшение динамических характеристик мотовездехода без необходимости увеличения размеров и объема ДВС, что позволит избежать необходимости использовать более производительной системы охлаждения, а также усилений в трансмиссии. Снизится расход топлива на механические потери в ДВС.

5. Применение модульной системы позволит при необходимости демонтировать третью ось или переставить ее на другой мотовездеход.

6. Применение гибридной схемы способно сделать эксплуатацию мотовездехода независимой от электросетей. И наоборот, при наличии электросетей, появляется возможность подзарядки, что делает стоимость владения мотовездеходом более низкой.

Описание разработанной конструкции

Авторы статьи провели модернизацию мотовездехода РМ-650, разработав прицепную модульную конструкцию, состоящую из:

• силовой рамы с механизмом крепления к раме мотовездехода;

• двухрычажной подвески;

• упругодемпфирующих элементов;

• колесно-ступичных узлов;

• тяговой аккумуляторной батареи;

• тягового электродвигателя с редуктором и дифференциалом;

• инвертором системы управления;

• грузовой платформы.

Разработанный прототип представлен на рис. 2.

Рис. 2. Прототип гибридного мотовездехода с колесной формулой 6х6 Fig. 2. Prototype of a hybrid 6x6 all-terrain vehicle

При использовании ДВС крутящий момент передается на передний мост и/или средний мост посредством механической трансмиссии классического мотовездехода. В роли механизма сцепления и коробки передач используется клиноременной вариатор. Особенностью вариаторов в мотовездеходах является то, что передаточное число зависит не только от частоты вращения, но и от нагрузки [6]. Электрический мотор приводит во вращение колеса модуля третьей оси с помощью механического редуктора со свободным межколесным дифференциалом. В качестве накопителя энергии была выбрана LiFePO 4 батарея. Обладая хоть и большей массой, стоимостью и размером, в отличие от «суперконденсатора», такая батарея позволит

использовать электропривод не только в качестве износостойкой тормозной системы [7], но и для продолжительного движения без использования ДВС.

В составе разработанной модульной конструкции применен электропривод, параметры которого представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Технические характеристики электрического привода гибридного мотовездехода

Table 2.

Technical characteristics of the electric drive of a hybrid all-terrain vehicle

№ п/п Параметр Значение

1 Напряжение 144 В

2 Номинальная мощность 15 кВт

3 Максимальная мощность 30 кВт

4 Номинальные обороты 4500 об/мин

5 Максимальные обороты 8700 об/мин

6 Номинальный момент 32 Нм

7 Максимальный момент 95 Нм

8 Номинальный ток 130 А

9 Максимальный ток 380 А

На мотовездеход РМ-650 устанавливается бензиновый двигатель мощностью 31кВт, что в совокупности с электродвигателем позволяет достичь показателей по мощности на уровне с представленными выше аналогами.

В разработанном прототипе доступны несколько конфигураций трансмиссии.

В первой схеме трансмиссии (рис. 3) крутящий момент подводится от ДВС к среднему мосту мотовездехода. Поскольку на средней оси отсутствует дифференциал (главная передача обозначена квадратом), между колесами ости есть заблокированная связь.

Рис. 3. Схема трансмиссии мотовездехода (вариант 1) Fig. 3. All-terrain vehicle transmission diagram (version 1)

Уравнения первой схемы трансмиссии имеют вид:

JK сокi = — M1 JK COK4 = -M4

co k 2 1кп1гп — co дв

COK 5 1КП1ГП — со ДВ

(1)

2 jk cok2 = Mдв 1КП*ГП ~ m2 ~ m5

JK COk3 = -M3

JK сак6 = —М6

где Ми ¡=1.. .6 - момент сопротивления на соответствующем колесе, Jк - момент инерции колеса, ¡кп - передаточное число в коробке передач, ¡гп - передаточное число главной передачи, Мдв - подводимый к трансмиссии момент от двигателя внутреннего сгорания, Йг, ¡=1.. .6 - угловое ускорение соответствующего колеса.

Вторая схема трансмиссии (рис. 4) позволяет подключить передний мост. Межосевой дифференциал отсутствует, но у передней оси имеет место межколесный дифференциал (главная передача обозначена кругом) с возможностью блокировки.

Рис. 4. Схема трансмиссии мотовездехода (вариант 2) Fig. 4. All-terrain vehicle transmission diagram (version 2)

Уравнения второй схемы трансмиссии будут иметь вид:

JK COk 1 —

JK COk 4 —

M

14

2

Ml 2

1гп = ~Mi

Тгп = ~M4

CO K1 + CO K 4 = 2 CO K 2 ф ® ®

COK1 + COk4 = 2 COK5

M,

14

M.

25 _

= M

ДВ

co дв =

co к1 + co к 4 2

1гп1кп

M25irn — M2 — M5 — 2 JK COk2 = 0

JK COK3 = —M3

КП

КП

JK сок6 = — М6

Заблокировав межколесный дифференциал первой оси, можно получить третью схему (рис. 5).

Рис. 5. Схема трансмиссии мотовездехода (вариант 3) Fig. 5. All-terrain vehicle transmission diagram (version 3)

Уравнения третьей схемы трансмиссии:

СО дв

СОк 1 = СО к 2 = СОк 4 = СО k 5 = --;-

1гп1кп

ф

4 jk cd к1 = мдв 1гп^кп - m1 - m2 - m4 ~ m5 (3)

ф

JK СО к 3 = — M3

JK со К 6 = -M6

Третья ось содержит электропривод и оснащена межколесным дифференциалом. При задействовании электропривода последние два уравнения претерпят следующие изменения:

MЭДВ*ГП2 „ ^ jk ™к 3 =-2--M3

M i (4)

-lv-l О цв г"'7"7'") 2

т эдв гп2 л г

JK cd к 6 = -^--M,

где Мэдв - подводимый к трансмиссии третьей оси момент от электродвигателя, ¡гп2 - передаточное число главной передачи третьей оси.

Представленные уравнения можно использовать при имитационном моделировании движения мотовездехода.

Выводы

Модернизация классического двухосного мотовездехода путем жесткого крепления рамы с дополнительной третьей осью, помимо добавления грузоподъемности, создает возможности для повышения энергоэффективности, улучшения проходимости, удобства эксплуатации и управления. Достичь указанных эксплуатационных преимуществ возможно путем доос-нащения базового мотовездехода третьей осью с электроприводом. Представленный прототип модернизации отечественного мотовездехода с помощью модульной конструкции третьей оси с грузовой платформой и электроприводом подтверждает эти возможности.

В настоящее время продолжается доработка алгоритмов управления тяговым электроприводом в составе гибридного мотовездехода с целью дальнейших исследований эксплуатационных качеств и численного анализа влияния применения гибридной схемы трансмиссии на расход топлива.

Библиографический список

1. Вдовин, Д.С. Рама мотовездехода: патент на полезную модель N° 198948 U1 Российская Федерация, МПК B62D 21/00. № 2019145139: заявл. 30.12.2019; опубл. 04.08.2020 / Д.С. Вдовин, Я.Ю. Левен-ков, А С. Дьяков [и др.]. EDN CDCRIM.

2. Котиев, Г.О. Транспортное средство: патент на полезную модель № 218304 U1 Российская Федерация, МПК B62D 53/00, B62D 59/04. № 2022135456: заявл. 30.12.2022; опубл. 22.05.2023 / Г.О. Котиев, А.Ю. Захаров, Т В. Голубчик. EDN PZZXHL

3. Sun, Y. Analysis of wheel hub motor drive application in electric vehicles / Y. Sun, M. Li, C. Liao, // MATEC Web of Conferences 100, 01004 (2017). DOI: 10.1051/matecconf/201710001004

4. Evseev, K. Analysis and design solutions for a 4x4 ATV with an electromechanical transmission / K. Evseev, A. Dyakov, V. Pushtakov // MATEC Web of Conferences 329, 01022 (2020).

DOI: 10.1051/matecconf/202032901022

5. Бутылин, В.Г. Активная безопасность автомобиля. Основы теории / В.Г. Бутылин, М.С. Высоцкий, В.Г. Иванов В.Г. и др. - Мн.: НИРУП «Белавтотракторостроенис», 2002. - 184 с.

6. Lyashenko, M. Analysis of ATV transmission operation according to the results of tests on a dynamometer test bench / M. Lyashenko, P. Potapov, A. Dolotov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: Design Technologies for Wheeled and Tracked Vehicles, MMBC 2019, Moscow, 1-2 октября 2019 г. Vol. 820. - M.: Institute of Physics Publishing, 2020. P. 012018.

DOI 10.1088/1757-899X/820/1/012018. EDN INDBWP

7. Котиев, Г.О. Выбор емкости бортового накопителя энергии при использовании электромашины в износостойкой тормозной системе высокоподвижных колесных машин / Г.О. Котиев, И.Ф. Гумеров, А.А. Стадухин, Б.Б. Косицын // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2020. № 2 (129). С. 126-133. DOI 10.46960/1816-210X 2020 2 126. EDN PRLIEF

Дата поступления в редакцию: 10.11.2023

Дата принятия к публикации: 02.02.2024