UDK 629.1 Техника наземных и водных средств транспорта
The relevance of increasing the efficiency of a logging vehicle by using regenerative shock absorbers in the design of its suspension is sub-stantiated. The analysis of scientific works of foreign authors involved in research in the field of recuperation of various types of energy in the shock absorbers of vehicle suspensions has been carried out. Possible options for the appearance of a disturbing force and deformation in hydraulic shock absorbers and elastic suspension elements of a logging vehicle during its movement along an insufficiently equipped logging road are described. A mathematical de-scription of the processes occurring in the sus-pension system of a timber vehicle equipped with hydraulic shock absorbers and spring sus-pension is presented. The dependences of the change in the power dissipated by the hydraulic shock absorber in various frequency ranges are given. A perspective scheme of a linear elec-tromagnetic generator installed in the suspension of a timber vehicle is proposed. Its device, principle of operation, as well as advantages are described. The tasks are formulated, the solution of which will allow the prototype of the modified design of the regenerative shock ab-sorber to be put into mass production.
ENERGY RECOVERY, SUSPENSION, SHOCK ABSORBER, FOREST VEHICLE, DAMPING, FOREST ROAD, LINEAR ELECTROMAGNETIC GENERATOR, EFFI-CIENCY, FUEL CONSUMPTION.
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. Nikonov V. O. Sovremennoe sostoyanie, problemi i puti povisheniya effektivnosti lesovoznogo avtomobilnogo transporta [Current state, problems and ways to improve the efficiency of timber road transport]. Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "VGLTU". - Voronezh, 2021. - 202 p. (In Russ.).
2. Nikonov V. O., Posmetev V. I., Posmetev V. V. Results of computer modeling of a modular independent tubular suspension of a logging truck. IOP Conf. Series : Earth and Environmental Science 875 (2021) 012031, Forestry-2021, 12 p. : doi :https://doi.org/10.1088/1755-1315/875/1/012031.
3. Ryabov I. M. Povishenie ekspluatacionnih kachestv ATS na osnove sinteza amortizatorov, pnevmogidravlicheskih ressor i koles s uluchshennimi ekspluatacionnimi svoistvami [Improving the performance of vehicles based on the synthesis of shock absorbers, pneumohydraulic springs and wheels with improved performance properties]. 05.22.10 "Operation of road transport": dis. … Dr. tech. Sciences / I. M. Ryabov; "Volgograd State Technical University", Volgograd, 1999. - 401 p. (In Russ.).
4. Novikov V. V. Povishenie vibrozaschitnih svoistv podvesok ATS za schet izmeneniya strukturi i harakteristik pnevmogidravlicheskih ressor i amortizatorov [Improving the vibration-proof properties of ATS suspensions by changing the structure and characteristics of pneumohydraulic springs and shock absorbers]. 05.05.03 "Wheeled and tracked vehicles": author's abstract. dis. ... Dr. tech. Sciences / V. V. Novikov ; "Volgograd State Technical University", Volgograd, 2005. - 32 p. (In Russ.).
5. Ammar A. Aldair, Weiji J. Wang The Energy Regeneration of Electromagnetic Energy Saving Active Suspension in Full Vehicle with Neurofuzzy Controller. International Journal of Artificial Intelligence Applications (IJAIA), Vol. 2, № 2, 2011, pp. 32-43 : doi :https://doi.org/10.5121/ijaia.2011.2203.
6. Cannizzaro L., Virzi Mariotti G., Giallanza A., Porretto M., Marannano G. Design of an Electromagnetic Regenerative Damper and Energy Harvesting Assessment. Journal of Electromagnetics, Vol. 1, 2016, pp. 5-11.
7. Guoliang Hu, Yun Lu, Shuaishuai Sun, Weihua Li Performance Analysis of a Magnetorheological Damper with Energy Harvesting Ability. Hindawi Publishing Corporation Shock and Vibration, Volume 2016, Article ID 2959763, 10 p. : doi :https://doi.org/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. S. B. Materials Science & Engineering Massachusetts Institute of Technology, 2009. 29 p.
9. M. A. Abdullah, J. F. Jamil1 and N. S. Muhammad Energy regenerative suspension test for EEV and hybrid vehicle. Materials Science and Engineering 100 (2015) 012018. 7 p. : doi :https://doi.org/10.1088/1757-899X/100/1/012018.
10. Yu Ji, Shasha Li, Yu Shi An Analytical and Numerical Study of Magnetic Spring Suspension with Energy Recovery Capabilities. Energies 2018, 11, 3126. 15 p. : doi :https://doi.org/10.3390/en11113126.
11. Ruichen Wang, Fengshou Gu, Robert Cattley, Andrew D. Ball Modelling, Testing and Analysis of a Regenerative Hydraulic Shock Absorber System. Energies 2016, 9, 386. 24 p. : doi :https://doi.org/10.3390/en9050386.
12. Zhanwen Wang, Tianming Zhang, Zutao Zhang, Yanping Yuan, Yujie Liu A high-efficiency regenerative shock absorber considering twin ball screws transmissions for application in range-extended electric vehicles. Energy and Built Environment 1 (2020) 36-49 : doi :https://doi.org/10.1016/j.enbenv.2019.09.004.
13. Lincoln Bowen, Jordi Vinolas, José Luis Design and Potential Power Recovery of Two Types of Energy Harvesting Shock Absorbers. Energies 2019, 12, 471019 p. : doi :https://doi.org/10.3390/en12244710.
14. Xueying L., Yanju Ji, Huanyu Zhao, Jiabao Zhang, Guanyu Zhang, Liu Zhang Research Review of a Vehicle Energy-Regenerative Suspension System. Energies 2020, 13, 441. 14 p. : doi :https://doi.org/10.3390/en13020441.
15. Saleh Alhumaid, Daniel Hess and Rasim Guldiken A Noncontact Magneto-Piezo Harvester-Based Vehicle Regenerative Suspension System : An Experimental Study. Energies 2022, 15, 4476.17 p. : doi :https://doi.org/10.3390/en15124476.
16. Suhail A. Wani Kinetic Energy Recovery System for Vehicle Suspension. International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 9, Issue 05, 2020. 106-109.
17. Fabio Tarantini Simulation of a Regenerative Electromagnetic Vehicle Suspension. Electronic Theses and Dissertations (2015) Electronic Theses and Dissertations. 5697. 126 p. https://scholar.uwindsor.ca/etd/5697.
18. Zhongjie Li, Lei Zuo, Jian Kuang, George Luhrs Energy-Harvesting Shock Absorber with a Mechanical Motion Rectifier. Smart Materials and Structures, 2012. 15 p. : doi :https://doi.org/10.1088/0964-1726/22/2/025008.
19. Bart L. J. Gysen, Tom P. J. van der Sande, Johan J. H. Paulides, Elena A. Lomonova Efficiency of a regenerative direct-drive electromagnetic active suspension. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 60, Issue 4, 2011. 6 p. : doi :https://doi.org/10.1109/TVT.2011.2131160.
20. Mohammad R. Hajidavalloo, Joel Cosner, Zhaojian Li, Wei-Che Tai, Ziyou Song Simultaneous Suspension Control and Energy Harvesting through Novel Design and Control of a New Nonlinear Energy Harvesting Shock Absorber. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 71, Issue 6, 2022. 15 p. : doi :https://doi.org/10.1109/TVT.2022.3159734.
21. Magdy N. Awad, Mohamed Ib. Sokar, Saber A. Rabbo, M. E. El-Arabi Performance Evaluation and Damping Characteristics of Hydro-Pneumatic Regenerative Suspension System. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 13, Number 7 (2018) pp. 5436-5442.
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. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 11 № 2, 2016. pp. 873-878.
23. Klimov A. V. Povishenie energoeffektivnosti transportnih sredstv selskohozyaistvennogo naznacheniya putem primeneniya amortizatorov s rekuperativnim effektom [Improving the energy efficiency of agricultural vehicles through the use of shock absorbers with a regenerative effect]. 05.20.01 "Technologies and means of mechanization of agriculture": dis. … cand. tech. Sciences / A. V. Klimov; "FGBOU VO Moscow Automobile and Highway State Technical University (MADI)". - Moscow, 2019. - 206 p. (In Russ.).
24. Posmetev V. I., Nikonov V. O., Posmetev V. V. Rezultati kompyuternogo modelirovaniya dvijeniya lesovoznogo avtopoezda s rekuperaciei energii v ego podveske [Results of computer simulation of the movement of a timber road train with energy recovery in its suspension]. Forestry journal. - 2018. - № 3. - pp. 176-187 : doi :https://doi.org/10.12737/article_5b97a15dc469¬98.19876487. (In Russ.).
25. Reizina G. N., Korobko E. V. Ocenka moschnosti, zatrachivaemoi na kolebaniya, pri dvijenii avtomobilya [Estimation of the power spent on vibrations when the car is moving]. // Truck, 2013, №. 8. - P. 41-43. (In Russ.).
26. Posmetev V. I., Drapalyuk M. V., Zelikov V. A. Ocenka effektivnosti primeneniya sistemi rekuperacii energii v podveske avtomobilya [Evaluation of the effectiveness of the energy recovery system in the vehicle suspension]. Polymatic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University, 2012. - №. 76. - P. 559-573. http://ej.kubagro.ru/2012¬/02/pdf/41.pdf. (In Russ.).
27. Nikonov V. O., Posmetev V. I. Rekuperaciya gidravlicheskoi energii v podveske lesovoznogo avtomobilya [Recovery of hydraulic energy in the suspension of a forestry vehicle]. Energy efficiency and energy saving in modern production and society : materials of the international scientific and practical conference. - Ch. I. - Voronezh: Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter I, 2018. - P. 216-224. (In Russ.).
