Покращення тягово-швидкісних властивостей легкового автомобіля визначенням оптимальної швидкісної характеристики двигуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.02 - автомобілі і трактори

ПОКРАЩЕННЯ ТЯГОВО-ШВИДКІСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛЯ ВИЗНАЧЕННЯМ ОПТИМАЛЬНОЇ ШВИДКІСНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГУНА

Гринів Олександр Іванович

КИЇВ - 2004

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значне зростання парку легкових автомобілів у державному та приватному користуванні частково викликано розгортанням виробництва автомобілів на вітчизняних заводах, які співпрацюють з іноземними інвесторами, що займають домінуючі позиції в розробках нових базових моделей. Робота вітчизняних конструкторів здебільшого зосереджена на створенні різних модифікацій базових моделей в інтересах поширення збуту, коли більше враховуються конкретні вузькі інтереси покупців із різних верств населення. Яскравим прикладом може бути створена модифікація автомобіля ДЕУ Сенс на базі ДЕУ Ланос.

Малосерійне виробництво легкових автомобілів на переобладнаних для цього машинобудівних заводах іншого профілю, які набувають вигляд автоскладальних підприємств для автомобілів, раніше відпрацьованої конструкції, вимагають модернізації з метою оновлення та використання агрегатів вітчизняного виробництва. При зазначених обставинах розробки з теорії і конструювання легкових автомобілів можуть застосовуватися у практичній діяльності конструкторських відділів не тільки на великих заводах, але і на підприємствах малої та середньої потужності виробництва автомобілів.

Відповідні наукові розробки з теорії та конструювання легкових автомобілів мають будуватись на фундаментальних основах теорії автомобіля з використанням системного підходу, сучасних математичних методів, обчислювальної техніки та електроніки. У розрахункових та експериментальних дослідженнях мають бути відтворені новітні досягнення з розвитку конструкції сучасних легкових автомобілів, відомі із світової практики. Для цього потрібно розробляти нові методики, поширювати багатоваріантний аналіз з пошуками шляхів до оптимізації агрегатів та засобів управління для сімейства нових легкових автомобілів. Наукові методи оперативного визначення експлуатаційних якостей різних моделей легкових автомобілів мають бути достатньо надійними та достовірними.

Серед загальноприйнятих характеристик техніко-експлуатаційних властивостей легкового автомобіля провідне положення займають тягово-швидкісні, що сприяють значному поліпшенню прийомистості при розгоні та на обгонах, здатності до подолання підйомів дороги, а в цілому забезпечують зростання середньої швидкості руху при помірних витратах палива.

Удосконалення наукових методів кількісної та якісної оцінки тягово-швидкісних властивостей автомобілів, а також системні пошуки заходів до їх покращення при сучасних можливостях вітчизняного автомобілебудування є актуальною задачею. Про це свідчать роботи Є.А.Чудакова, Н.А.Яковлева, Г.В.Зимелєва, Б.С.Фалькевича, А.С. Литвинова, А.А.Токарева, Г.А.Смірнова, Я.Є.Фаробіна, А.І.Гришкевича та багатьох інших авторів. Удосконалення відомих методик розрахунку показників тягово-швидкісних властивостей легкового автомобіля можливо за рахунок розширення кількості врахованих впливаючих чинників. В першу чергу потрібно урахувати різноманітність швидкісних зовнішніх характеристик сучасних автомобільних двигунів, оцінити вплив на їх роботу законів управління, особливо при часткових навантаженнях. В розрахунковій схемі автомобіля слід точніше висвітлювати роль колісного модуля, а експериментальними дослідженнями належить перевірити адекватність уточненої математичної моделі та визначити параметри і закономірності, що необхідні для багатоваріантного чисельного дослідження їх впливу.

Розробка поставлених завдань є актуальною і має наукове та практичне значення для технічного прогресу автомобільної промисловості країни.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно із державними програмами розвитку автомобілебудування, планами наукових досліджень на кафедрі “Автомобілі” Українського транспортного університету на 1995-2000рр. Тема дисертаційної роботи узгоджена з програмою розробок на автомобільному підприємстві ЗАТ “ЗАЗ” модифікацій автомобілів малого класу на основі базової моделі ЗАЗ-1102.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є удосконалення аналітичного і експериментального методів оцінки та покращення тягово-швидкісних властивостей легкових автомобілів малого класу визначенням оптимальної швидкісної характеристики двигуна. Відповідно до поставленої у дисертаційній роботі мети вирішують такі задачі:

1. Порівняльний аналіз та математичне описання швидкісних зовнішньої та часткових характеристик сучасних двигунів для легкових автомобілів.

2. Розробка удосконаленої структури розрахункової схеми та математичних моделей для оцінки показників швидкісних і тягових властивостей автомобіля.

3. Складання диференціального рівняння прискореного прямолінійного руху автомобіля.

4. Розробка алгоритму та програмного забезпечення для чисельного вирішення диференціального рівняння руху автомобіля в процесі розгону.

5. Створення лабораторної експериментальної установки, визначення швидкісних характеристик розгону автомобіля та перевірка достовірності розробленої математичної моделі для їх розрахунку.

6. Чисельне дослідження впливу на прийомистість автомобіля швидкісних характеристик двигуна та розробка методичних підходів до вибору їх оптимальних варіантів.

7. Розробка рекомендацій щодо впровадження засобів покращення швидкісних властивостей базового малолітражного автомобіля ЗАЗ у наступних модифікаціях.

Об'єкт дослідження - тягово-швидкісні властивості передньоприводного автомобіля малого класу з бензиновим двигуном внутрішнього згорання за умови обмеження робочого об'єму до 1,5 л.

Предмет дослідження - зовнішня і часткові швидкісні характеристики двигуна та вплив їх форми на показники тягово-швидкісних властивостей легкового автомобіля.

Методи досліджень передбачали математичне моделювання руху автомобіля за алгоритмом, розробленим для чисельного вирішення диференціального рівняння та відтворення на ЕОМ процесу його розгону при заданих характеристиках роботи двигуна, багатоваріантний чисельний аналіз показників прийомистості автомобіля, його стендові випробування.

Наукову новизну одержаних результатів складають:

- класифікація та математичний апарат для узагальнення швидкісних характеристик двигунів, що дозволяють уточнити і провести розрахунки тягово-швидкісних властивостей автомобіля за розширеним комплексом оціночних показників.

- уточнена математична модель і результати чисельного дослідження параметрів прямолінійного руху автомобіля, основу яких складають розширена розрахункова схема - “двигун - трансмісія - колісний модуль” та поглиблене урахування форми швидкісної характеристики двигуна.

- рекомендації розроблені на підставі проведених досліджень для вибору конструктивних параметрів сімейства модифікацій автомобілів різного призначення із підвищеними показниками розгону.

Достовірність результатів підтверджується, коректним використанням положень аналітичної механіки і теорії автомобіля при складанні рівнянь руху та адекватністю результатів математичного моделювання засобами обчислювальної техніки з експериментально визначеними у великому обсязі показниками розгону автомобіля.

Практичне значення одержаних результатів складають:

- розрахунковий метод для визначення показників тягових властивостей і прийомистості легкового автомобіля;

- удосконалена математична модель для чисельного дослідження часу розгону автомобіля з метою визначення шляхів його скорочення за рахунок вибору оптимальної форми швидкісної зовнішньої характеристики двигуна;

- тягово-динамічні показники розгону автомобіля при використанні різних типів двигунів в режимі їх роботи не тільки при повній подачі палива, але і на часткових характеристиках;

- рекомендації щодо покращення показників динаміки розгону легкових автомобілів моделей ЗАЗ;

- створений вимірювально-реєстраційний комплекс до лабораторного стенду з біговими барабанами, придатний до використання на автомобільних або автоскладальних виробництвах для визначення показників тягово-швидкісних властивостей легкового автомобіля.

Результати дисертаційного дослідження прийнято до використання конструкторами УГК заводу ЗАТ“ЗАЗ”

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані в 6 наукових працях. При цьому роботи [1,3] опубліковані здобувачем особисто, у роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: [2] - запис даних в заданому форматі та обробка їх за допомогою спеціально розробленого програмного забезпечення; [4] - висвітлення проблеми моделювання характеристики двигуна на підставі накопиченої інформації про різні форми характеристик, що використовуються на автомобілях.

Апробація. Основні положення та висновки роботи були представлені і доповідались:

- на 56 наукової конференції професорсько-викладацького складу та студентів Національного транспортного університету (Київ, 2000 р.);

- на наукових семінарах кафедри “Автомобілі” Запорізького національного технічного університету, Луцького політехнічного університету.

Публікації. Основні положення і результати роботи, виконаної особисто автором, викладені у 4 публікаціях.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 177 сторінок, у тому числі 13 сторінок рисунків (20 рисунків), 2 сторінки таблиць (2 таблиці), 7 сторінок додатків (3 додатки), 10 сторінок список використаних літературних джерел, який включає 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

двигун тяговий швидкісних автомобіль

У вступі обґрунтовується вибір теми дисертаційної роботи, її актуальність, формулюється мета і задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасні можливості покращення показників тягово-швидкісних властивостей легкових автомобілів. Реальним є розширення випуску сімейств однієї моделі, оснащених різними варіантами силового агрегату в складі двигун-трансмісія-колісний модуль, здатним забезпечити зростання динаміки розгону і середньої швидкості автомобіля. В зв'язку із цим, актуальним є вдосконалення наукової оцінки вибору силового агрегату, що здійснюється на основі уточнених математичних моделей та чисельних методів багатоступеневого порівняльного аналізу різних варіантів.

Проведеним аналізом обґрунтовано застосування аналітичного та експериментального методів для дослідження розширеної кількості показників розгону автомобіля, із поглибленою оцінкою впливу на них форми і параметрів швидкісної зовнішньої характеристики двигуна. Одночасно потрібні пошуки прийомів оптимального управління автомобілем для більш повної реалізації його потенційних тягово-динамічних властивостей.

Огляд існуючих теоретичних положень до складання рівнянь прямолінійного руху автомобіля показав, що сучасні математичні моделі потребують удосконалення. Вони мають більш повно і коректно описувати процес руху автомобіля, проте не повинні бути надто складними, бо цим обмежується наступний аналіз розрахункових даних. Тому в роботі слід застосовувати системний підхід, та нову структурну схему системи для дослідження тягових і швидкісних показників автомобіля. Запропонована система “водій - трансмісія - колісний модуль” є децентралізованою, а всі вхідні та вихідні параметри до її підсистем значно впливають на функціонування системи в цілому. Підсистеми першого однаково рівнозначного рівня є: автомобіль, дорога, водій. Підсистема “Автомобіль” включає 4 підсистеми другого рівня: двигун, трансмісія, колісний модуль, кузов разом із підвіскою коліс. Підсистеми третього рівня розміщені на двигуні (системи живлення та запалення). Об'єктом досліджень обрано параметри функціонування запропонованої системи в режимах зрушення з місця і розгону легкового автомобіля до заданої швидкості або на заданій відстані.

Другий розділ присвячено розробкам математичної моделі і методики до визначення показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля.

Особливостями складеної моделі для вибраного режиму руху автомобіля визначено наступне:

- в модель введено приведений до вісі ведучих коліс інерційний момент обертових мас трансмісії та двигуна автомобіля;

- системою диференціального та алгебраїчних рівнянь імітовано прискорений рух, після рушання автомобіля з місця, по дорозі з однаковим коефіцієнтом опору;

- використання потужності і крутного моменту двигуна за весь період розгону автомобіля визначається фіксованими параметрами, залежними від частоти обертання колінчастого валу та положення дросельної заслінки (або іншого органу управління подачею палива);

- функціонування трансмісії автомобіля відповідає заданому аналітичним або графічним законом переключення передач;

- при розгоні автомобіля обчислюють пройдений шлях і відповідний час послідовно по елементарних ділянках дороги, потім ці дані просумовуються у зростаючому вигляді на інтервалах від початкової до кінцевої швидкості за весь цикл руху автомобіля;

- тягові властивості характеризуються графіками прискорення та динамічного фактору автомобіля при повному використанні потужності двигуна.

У дослідженні тягово-швидкісних властивостей автомобіля задано вихідні дані щодо швидкісної зовнішньої і часткових характеристик встановленого на ньому двигуна, що вказують на змінювання ефективної потужності N (кВт), крутного моменту М_к, Н*м та питомі витрати палива g_e (г/кВт*год) при різних значеннях частоти обертання колінчастого валу двигуна n, хв^-1 на граничних інтервалах. В дисертації розроблена класифікація вищеназваних характеристик на основі узагальнення систематизованих даних по багатьом сучасним моделям двигунів вітчизняного та іноземного виробництва. У класифікації виділено чотири групи типових зовнішніх характеристик для двигунів легкових автомобілів (рис. 1): а) традиційна; б) високомоментна; в) з постійним моментом; г) складної форми.

Для апроксимації зовнішніх характеристик двигунів використана інтерполяційна формула Лагранжа. Беручи характерні точки кривої (екстремуми) та по одній точці між ними, отримуємо інтервали та застосовуємо формулу Лагранжа. Побудова нової характеристики складатиметься з побудови окремих відрізків. Рівняння для інтервалу [x1, y1] - [x3, y3] матиме вигляд:

, (1)

яке після перетворень записано у вигляді:

 (2)

де

,

де параметри a1, b1, c1 знаходять для інтервалу [x1, x3], беручи послідовно три точки х1, х2, х3 з інтервалу.

Аналізуючи наведені вище формули, можна зробити висновок, що крива інтерполюється параболою із змінними коефіцієнтами. Для кожного інтервалу коефіцієнти при х будуть мати свої значення. За допомогою такого підходу можна з заданою точністю описати криву любої форми. Кількість інтервалів буде залежати від форми кривої та заданої точності. Досвід застосування такої методики показав, що перевагами запропонованого підходу є: по-перше, можливість описувати характеристики різної форми, по-друге, при обчисленнях на ЕОМ він забезпечує задовільну точність при достатньо малій кількості експериментальних точок (кількість точок залежить від форми кривої).

Протягом тривалого часу тягово-динамічні властивості автомобіля розглядаються переважно при роботі двигуна на зовнішній характеристиці, за повної подачі палива в двигун. Такий підхід цілком обгрунтований, коли поставлено за мету забезпечити або дослідити найвищі, потенціально досяжні тягово-швидкісні можливості автомобіля, для чого визначалися оптимальні параметри трансмісії та відповідні їй оціночні показники. При цьому обов'язково здійснювалася перевірка за критерієм зчеплення з дорогою. В реальних умовах автомобіль часто рухається з неповністю відкритою дросельною заслінкою і двигун працює на часткових характеристиках. При неповному використанні максимальної потужності двигуна лише частково реалізуються тягово-швидкісні можливості автомобіля. Але саме ступінь такої реалізації та її вплив на показники розгону, середню швидкість вивчені ще недостатньо, проте мають науковий інтерес для конструкторів як з позиції автоматизації управління системою “двигун-трансмісія-колісний модуль”, так і для оцінки паливної економічності автомобіля. При вирішенні поставленого завдання розглянуто закономірності зміни ефективного крутного момену двигуна М_к як параметра, що залежить одночасно від обертів двигуна n та положення дросельної заслінки a_др.

Даючи часткові чи навантажувальні характеристики у трьохвимірній системі координат (М_е, n, j_др), нескладно побачити, що від часткових характеристик завжди можна перейти до навантажувальних і навпаки (рис.2). Для зручності під параметром j_др надалі слід розуміти положення дросельної заслінки або органу керування подачею палива в циліндри двигуна. Одержані часткові та навантажувальні характеристики зображуються у трьохвимірній системі координат М_к n, j_др.

Часткові та навантажувальні характеристики у трьохвимірній системі координат утворюють поверхню, кожна точка якої відповідає певному режиму роботи двигуна. У трьохвимірній системі координат використовується і третя площина n-O-j_др. Якщо задати криву, що буде описувати закон відкриття чи закриття дросельної заслінки (або іншого органу управління подачею палива), тоді однозначно можна визначити величини крутного моменту, а відповідно, і потужності двигуна. Коли будемо розглядати у графічному вигляді поверхню у координатах М_к,n, j_др, --то вона буде мати такий вигляд як на рисунку 2.б По ній можливо встановити значення потужності та обертів валу двигуна, задаючи положенням дросельної заслінки чи іншого керуючого органу.

В системі “двигун-трансмісія-колісний модуль” вплив трансмісії на прийомистість і максимальну швидкість руху проявляється в процесі передачі до ведучих коліс крутного моменту, знятого з колінчастого валу двигуна. При цьому чисельно змінюється величина крутного моменту, кутова швидкість обертання деталей трансмісії та ведучих коліс, на яку впливають також моменти інерції та кутові прискорення обертових мас. В розрахункову модель вводяться передаточні числа агрегатів трансмісії, при цьому враховується втрати енергії в процесі передачі крутного моменту введенням коефіцієнту корисної дії трансмісії (ККД) h_тр.

Для передньоприводного автомобіля типу 4х2 (рис.3), обладнаного механічною трансмісією, складено таке диференційне рівняння прискореного руху:

(3)

де, u_к, u_о - передаточне відношення коробки передач і головної передачі; r_к - радіус кочення коліс, м; r_d - динамічний радіус колеса, м; P_f1, P_f2- сили опору кочення передніх і задніх коліс, Н; J - прискорення поступального руху автомобіля, м/с²; М_а - маса автомобіля, кг; G - сила тяжіння Н; М_к - ефективний момент двигуна, Н*м; g=_,__1..._,__2-----коефіцієнт зменшення моменту при неусталеному режимі; I_м - момент інерції маховика та з'єднаних з ним деталей двигуна, Нм* с²; I_пр.- приведений до вісі ведучих коліс момент інерції обертових мас трансмісії, Нм* с²;--- ККД відповідно коробки передач, карданної передачі, головної передачі; Р_п - сила опору повітря.

Системний підхід при аналізі та синтезі часткових підсистем, принципи взаємозв'язку та поступовості, використання поняття “істинна координата” при складанні диференціальних рівнянь руху є методологічною основою, на базі якої може будуватися математична модель руху автомобіля, яку також можна покласти в основу сучасної теорії автомобіля.

В даній математичній моделі за “істинну координату” прийнято кутові координати обертання ведучих коліс j_к. Прийнявши саме цю величину за істинну координату ми маємо можливість здійснювати обчислення з використанням чисельного методу та проводити натурні випробування.

Таким чином, математична модель дозволяє здійснювати обчислення з використанням чисельних методів та проводити натурні дослідження з метою перевірки адекватності математичної моделі без введення “приведеної координати”, яка б знадобилася для узгодження результатів, отриманих за допомогою розрахунку та підчас натурного експерименту.

Крутний момент двигуна є функцією двох параметрів, які в свою чергу можуть бути виражені через кутову координату колінчастого валу двигуна j_д та кутову координату дросельної заслінки j_др. Крім того, такі параметри як кутове прискорення коліс j_к, прискорення поступального руху автомобіля j, швидкість поступального руху автомобіля V можуть бути виражені через кутову координату колеса j_к._. Зважаючи на те, що кутова координата колінчастого валу двигуна j_д жорстко пов'язана з кутовою координатою колеса j_к, то можна записати:

(4)

; (5)

(6)

(7)

(8)

З метою зручності обчислень в рівнянні (3) замінено суму (P_f1+P_f2) здобутком:

 (9)

де приведений коефіцієнт f опору кочення коліс всього модуля обчислено за виразом: . При цьому початкове значення коефіцієнту f₀ опору кочення визначається в залежності від швидкості автомобіля на рівні 60-70 км/год. При цьому враховується різниця поміж коефіцієнтами f¹_0, f²_0.

Враховуючи вище сказане, можна записати:

(10)

де: a - відстань до передньої вісі від центру мас, м; b - відстань до задньої вісі від центру мас, м; L - база автомобіля, м; С_х - коефіцієнт лобового опору повітря автомобіля; r_пов - густина повітря, кг/м³; F - площа Міделя (лобова площа автомобіля), м².

На підставі розроблених математичних моделей відпрацьована комп'ютерна програма розрахунку шляху і часу розгону, прискорення, динамічного фактору автомобіля, сили тяги на гаку. Застосування при створенні програми стандартних модулів дозволило автоматизувати розрахунок показників з їх графічною інтерпретацією для кількох варіантів по заданим даним. Це забезпечило зручність використання програми при конструюванні модифікацій на основі базової моделі легкового автомобіля.

В даній роботі методика обчислень часу розгону легкового автомобіля спрямована на визначення оптимальної швидкісної характеристики його двигуна.

Відповідно до такого розгляду включаються кілька різних моделей двигунів з однаковим або близьким робочим об'ємом, однак із різними формами кривих швидкісних характеристик, які математично описані рівняннями (1) і (2).

Для розрахунку характеристик розгону автомобіля розроблено три категорії програмного забезпечення та вихідних даних:

- математичні моделі у складі загального диференційного рівняння та часткових моделей до розрахунку прискореного руху автомобіля;

- обґрунтовані математичні прийоми інтегрування на ЕОМ для обчислень швидкості, прискорень, часу та шляху розгону автомобіля по дорозі;

- комплекс чисельних коефіцієнтів, формул, аналітичних або емпіричних залежностей, якими визначено дорожні умови та сили опору руху автомобіля, вихідні дані щодо використаної ефективної потужності і ефективного крутного моменту в залежності від кутової швидкості колінчастого валу двигуна.

Із дотриманням вищевказаних вимог складено алгоритм до розробленої методики розрахунку характеристик розгону автомобіля.

У третьому розділі висвітлено мету і програму експериментальних досліджень та представлені їх результати. Метою експериментальних досліджень було отримання чисельних даних для перевірки адекватності розроблених математичних моделей та методики розрахунку розгону автомобіля, з оцінкою достовірності результатів, одержаних за допомогою аналітичних розробок. Програмою експериментальних досліджень передбачено:

- визначення параметрів до розрахунку тягових і швидкісних показників автомобіля у відповідності із системою “водій-двигун-трансмісія-колісний модуль-дорога”;

- дослідження характеристик розгону автомобіля при роботі двигуна з повною подачею палива для перевірки достовірності математичної моделі;

- оцінка впливу управління водієм підсистемою “двигун-трансмісія” на прийомистість автомобіля.

По кожній поставленій задачі визначалися окремі показники, що були раніше розглянутими в теоретичному досліджені. Принципове значення відігравав вибір методу проведення експериментальних досліджень, тому попередньо проведено їх порівняльний аналіз із літературних джерел. Для випробування автомобіля був підготовлений лабораторний стенд з біговими барабанами, що є достатньо універсальним і знаходить застосування при проведенні подібних наукових досліджень (рис.4).

Дослідження проведені у відповідності до ГОСТ 22576-90.

Об'єктом випробувань на стенді обрано серійний автомобіль ЗАЗ-11024 малого класу. Автомобіль мав загальний пробіг 5000км, значна частина якого проходила під час заводських випробувань при задовільних умовах експлуатації і технічного обслуговування. Вибір цього автомобіля обумовлено прийнятим заводом-виробником ЗАТ “ЗАЗ” проектом підготовки до випуску модифікацій цієї базової моделі у варіантах нового силового агрегату (двигуна з коробкою передач).

Підготовка автомобіля до експериментальних досліджень включала цикл операцій згідно вимог ГОСТ 22576-90, а також розробку, встановлення датчиків, тарирування їх на стенді.

При проведенні випробувань на бігових барабанах (рис.4) дотримувалися вимоги ГОСТ 22576-90 відносно режимів управління автомобілем, здійснювалася встановлена послідовність оперативних дій та вимірів.

В комплексі параметрів, що вимірюються при випробуванні автомобіля на стенді, для оцінки тягово-швидкісних властивостей, найбільш важливими визначені: тягова сила на гаку автомобіля; пройдений шлях; швидкість руху; витрати палива двигуном; розрідження у впускному трубопроводі; положення дросельної заслінки у карбюраторі; кутова швидкість валу двигуна.

Пристрої і датчики для вимірювання та реєстрації вищевказаних досліджуваних параметрів були змонтовані і забезпечували прийом інформації із використанням інформаційно-цифрової системи на базі IBM ЕОМ та аналого-цифрового пристрою, який реєструє показники встановлених на автомобілі датчиків. Для цього створено єдиний вимірювально-реєстраційний комплекс, яким вище перелічені параметри фіксувалися з певним інтервалом між кожним каналом запису.

Мінімально необхідний час для перемикання аналогово-числового перетворювача з одного каналу на інший складає 0,00003с., реально настроєно інтервал опитування 0,00016с, а інтервал опитування одного і того ж каналу 0,00112с (рис.5). Запис виміряних експериментальних даних у ЕОМ забезпечував надійність, достатню точність, компактність інформації та можливість автоматизованої обробки даних з відповідним висвітленням результатів у електронних таблицях. Математичний аналіз та узагальнення результатів випробувань автомобіля здійснювалися за спеціально підготовленими та стандартними програмами для ЕОМ з використанням аналітичних та статистичних методів. Гранична абсолютна похибка реєстрації вимірюваних параметрів не виходила за межі 2%.

На стенді спочатку здійснено цикл дослідів по визначенню приведеного моменту інерції трансмісії, що було необхідним для наступного розрахунку показників розгону автомобіля з метою перевірки достовірності розроблених математичних моделей. З урахуванням апаратних вимірювальних можливостей дослідного стенду, визначалися момент інерції конструктивних елементів стенду. Для приведеного моменту інерції конструктивних елементів стенду, що обертаються, використано додаткові деталі, момент інерції яких вже відомий. Шляхом приведення до вісі обертання ведучих коліс одержано момент інерції стенду та обчислено масу легкового автомобіля (1200 кг), що відповідає повному завантаженню пасажирами і вантажем. В окремому циклі дослідів на стенді визначені чисельні параметри роботи ведучого колісного модуля автомобіля, що були необхідні для розрахунку показників розгону. Відмінною ознакою методики було виконання вимірів в процесі “вільного” прокручування барабанів під дією крутного моменту з боку коліс автомобіля, підведеного від двигуна через трансмісію. Досліди по вимірюванню радіуса кочення коліс проводилися у швидкісному режимі умовно “усталеного руху” автомобіля на стенді.

Випробуваннями автомобіля на лабораторному стенді одержано результати, що дозволили перевірити математичну модель та алгоритм розрахунку характеристик розгону автомобіля. Такі досліди проведені при роботі двигуна з повною подачею палива із послідовним здійсненням фаз рушання з місця та швидкого розгону. При визначенні характеристики розгону автомобіля на стенді здійснено запис з високою точністю положення дросельної заслінки в часі. Наведений на рис.6 графік є законом управління системою ”двигун-трансмісія-колісний модуль” оператором-водієм. На рисунку видно чотири горизонтальні лінії, які відповідають рухові послідовно на 1... 4 передачах, та вертикальні сплески положення дросельної заслінки в момент переключення передач. При проведенні чисельного розрахунку часу розгону використано одержаний закон управління. Такими засобами виключено вплив суб'єктивного фактору на результати досліджень та забезпечено рівнозначні умови проведення експерименту і розрахунків.

На експериментальному графіку розгону автомобіля (крива 2 на рис.7) обмежена максимальна швидкість до 80 км/год, тому до цієї границі крива 2 зображена жирною лінією. А потім до швидкості 100 км/год цей графік продовжено у вигляді тонкої пунктирної лінії.

Із порівняння графіків на рис.7 розгону автомобіля видно, що на обох кривих співпадають у часі моменти перемикання передач, коли дещо знижується швидкість автомобіля. Це свідчить про дотримання однакового закону управління

автомобілем. Поруч із цим відмічено, що математична модель дещо спрощено відтворює зрушення автомобіля з місця. На кривій 2 рис.7 розгону автомобіля, що отримана шляхом обробки даних експериментального дослідження на стенді, чітко відображено роботу зчеплення. Крива 1, рис.7, розгону, що побудована за даними чисельного експерименту на ЕОМ, є плавною.

Проведена перевірка свідчить про достатньо близьке співпадання розрахункових та експериментальних даних при невисокій величині розбіжностей. Абсолютна похибка складає 2,78% для часу розгону до швидкості 100 км/год, 8,8% для часу розгону в інтервалі 40-60 км/год та 0,9% для часу розгону в інтервалі 60-80 км/год. Аналогічна точність показників часу розгону виявлена при положеннях дросельної заслінки 60-80%, та 20-30%, що вказує на придатність розробленої математичної моделі розгону для змінних умов управління двигуном в процесі експлуатації автомобіля. Задовільно описуючи характер прискореного руху, математична модель, на базі якої створено програмне забезпечення, дозволяє з достатньою точністю визначати параметри розгону автомобіля на різних швидкісних режимах, включаючи визначені у ГОСТ-22576-90. Дану модель можливо використовувати для дослідження та вибору конструктивних заходів до покращення тягово-швидкісних властивостей легкового автомобіля.

Четвертий розділ присвячено чисельному дослідженню на математичних моделях за програмою розрахунку на персональному комп'ютері показників часу розгону автомобіля в залежності від форми швидкісної зовнішньої характеристики двигуна, а також визначенню основних передумов до її оптимального вибору. Дослідження виконано у варіантах як із повною подачею палива в двигун, так і для роботи на часткових характеристиках. При цьому враховано різні закони управління автомобілем щодо параметрів часу переключення передач та вибору моменту переключення по частоті обертання колінчастого валу двигуна. Вплив форми швидкісної характеристики на тягові властивості автомобіля показано також порівняльним аналізом графіків прискорень та динамічного фактору.

Аналіз сучасного стану та перспектив розвитку легкового автомобілебудування підтвердив необхідність розширення відповідних операцій та подальшого уточнення вихідних даних до конструктивного тягового розрахунку по кількох варіантах, вибраних із урахуванням інтересу споживачів та домінуючих наступних умов довготривалої експлуатації автомобілів. За єдиною методикою мають порівнюватися усі передбачені модифікації базового автомобіля із впровадженням нових або вже існуючих агрегатів системи “двигун-трансмісія-колісний модуль” на високій ступені їх уніфікації. При цьому необхідно із кількох моделей двигуна оптимально вибрати зразок для забезпечення раціональних показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля. При порівняльному виборі двигуна із коробкою передач та головною передачею допускається можливість оперувати (у доцільному та необхідному діапазоні) такими параметрами як літраж і форма швидкісної зовнішньої характеристики двигуна, передаточні числа в трансмісії. Повніше мають використовуватися резерви від удосконалень колісного модуля шляхом раціонального вибору типу шин, а також підвісок коліс. Більш обґрунтованими слід задавати значення радіусу кочення ведучих коліс та моменту їх інерції. Надалі зростає актуальність реалізації оптимальних прийомів управління підсистемою “двигун-трансмісія” в період експлуатації автомобіля.

Перед чисельним дослідженням було поставлено завдання розробити методику вибору оптимальної форми швидкісної зовнішньої характеристики двигуна з метою поліпшення показників розгону автомобіля.

Основним критерієм для порівняльної оцінки динамічних властивостей автомобіля прийнято показник - час розгону автомобіля з місця до швидкості 100 км/год та додатково в інтервалах швидкості: 40-60км/год, 60-80 км/год, 80-120 км/год.

Результати обчислення прийнятих критеріїв часу розгону автомобіля за умови повної подачі палива в двигун (a =100%) наведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Порівняння часу розгону автомобіля за умови використання двигунів із різною формою швидкісної зовнішньої характеристики

Задані інтервали швидкості розгону, км/год	Час розгону, с, автомобіля для форми швидкісної характеристики двигуна (рис.1) типу:	Максимальна різниця в часі розгону, %
	а	б	в	г
0-100	32,00	34,80	33,79	34,25	9%
40-60	5,21	5,62	5,54	5,51	7,9%
60-80	7,17	7,87	7,77	7,68	9,8%
80-120	31,7	37,44	34,09	35,83	18,1%

Аналіз даних таблиці 1 показує, що значення часу розгону автомобіля до 100 км/год в залежності від впливу форми кривої моменту двигуна розташувались різним чином. Розбіжність між результатами складає близько 9%, що слід оцінити як вагомий рівень впливу форми характеристики двигуна. Більш суттєво форма характеристики двигуна проявляється в інтервалі швидкості 80-120 км/год, де різниця склала 18,1%.

Зовнішня характеристика типу в) з постійним крутним моментом надає можливість скоротити кількість переключень передач завдяки забезпеченню більш низької критичної швидкості, при розширеному діапазоні відповідних обертів валу двигуна. При знижених значеннях потужності і крутного моменту двигуна, що відповідає зменшеному до a =50% відкритого стану дросельної заслінки, за критерієм - час розгону автомобіля до 100 км/год буде кращим, якщо на ньому встановлено двигун типу г), для якого крива розташована в самих вживаних діапазонах. Друге місце посів автомобіль, оснащений двигуном з екстремумом моменту, розташованим в області низьких частот обертів валу двигуна (типу б). Третій результат може показати автомобіль з характеристикою двигуна типу в), а четвертий - з характеристикою типу а). З іншої сторони, якщо розглянути час розгону автомобіля в діапазоні 80-120 км/год, то можна відмітити, що така характеристика двигуна як тип г) не є оптимальною з точки зору руху у розширеному діапазоні високих швидкостей. За цих умов переваги матиме характеристика типу в). Практична реалізація тої чи іншої форми зовнішньої характеристики двигуна сьогодні не є складним завданням. При цьому можна залишити незмінним літраж двигуна, а блоки управління для кожної моделі автомобіля використовувати не однаковими, тобто з різними програмами. Враховуючи те, що різної форми швидкісні характеристики і надалі поширюються на двигунах для легкових автомобілів, доцільно окремо вивчати її вплив на паливну економічність.

Оцінка та аналіз тягових властивостей по різним варіантам двигуна для модифікацій автомобіля проведені за обчисленими графіками прискорення та динамічної характеристики. Встановлено, що високомоментна форма швидкісної характеристики (тип б), у якої максимум моменту розміщений на відрізку невисоких обертів колінчастого валу і забезпечує для цієї зони найвищі прискорення та динамічний фактор, але надалі вони зменшуються досить стрімко. Такі тягові властивості будуть корисними для умов експлуатації автомобіля при підвищеному, різко і часто змінному коефіцієнті ? опору дороги, без переважного використання високих швидкостей руху. При розгоні автомобіля передачі раціонально переключати (вверх) по досягненні максимально можливої швидкості на кожній із суміжних передач. Для форми швидкісної характеристики типу в) з ділянкою постійного крутного моменту чітко видно на відрізку середніх, найбільш вживаних обертів колінчастого валу близьку до прямої лінії “стабілізацію” як величин прискорення, так і динамічного фактору. При цьому значно ширший інтервал швидкостей із близькими до постійних величин прискореннями скорочуватимуть загальний час розгону автомобіля. Стабільні відрізки на динамічній характеристиці дають кращу пристосованість автомобіля до подолання підвищеного опору дороги без вимушеного зниження швидкості руху. В процесі розгону доцільно здійснювати переключення передач (з нижчої на вищу), не досягаючи максимальної швидкості, а значно раніше, щоб використати більш високі прискорення автомобіля на нижчих передачах. При змінюванні крутного моменту за складною формою (тип г), мають місце два максимуму для прискорення і динамічного фактору на кожній із передач. Цим покращується пристосованість автомобіля до поїздок у транспортному потоці, коли при різних маневрах на середній швидкості стане у пригоді підвищене прискорення від другого максимуму крутного моменту.

Багатоваріантне чисельне дослідження за розробленими алгоритмами та програмним забезпеченням є доступним для безпосереднього використання конструкторами легкових автомобілів. Зокрема, здійсненими за дорученням ЗАТ “ЗАЗ” дослідженнями виявлено такі напрямки для підвищення показників динамічності розгону легкових автомобілів моделей ЗАЗ:

вибір раціональної форми швидкісної зовнішньої характеристики двигуна за умов фіксованих максимальних значень потужності та крутного моменту при повному та частковому їх використанні;

вирішення поставленої в пункті 1 задачі за умови підвищення максимальної потужності двигуна за рахунок збільшеного робочого об'єму;

визначення раціональних законів управління при розгоні автомобіля із використанням часткових характеристик двигуна та оптимальних параметрів по моменту переключення передач.

Характеристики шляху і часу розгону автомобіля з різними типами двигуна та однаковою потужністю при її повному використанні вказують на те, що форма характеристики з постійною ділянкою значення крутного моменту є найкращою для розгону автомобіля за усіма розглянутими показниками. Час розгону з місця до 100 км/год автомобіля був на 19,2% меншим, а зниження цього показника в інтервалах швидкостей досягає ще більших значень.

Підвищення потужності двигуна збільшенням робочого об'єму дозволяє досягати більших значень крутного моменту у всьому інтервалі високих обертів валу двигуна, забезпечуючи кращі динамічні якості автомобіля. Зокрема, для малолітражного автомобіля ЗАЗ здійснено порівняння двигунів з робочим об'ємом 1,1, 1,2, 1,3 л і встановлено, що підвищення потужності за рахунок збільшення робочого об'єму двигуна на 18% (1,3 л.) покращує показники розгону з місця до 100 км/год на 24%, а в діапазоні 80-120 км/год на 30%.

Окремо проведенні розрахунки з метою оцінки впливу на час розгону прийомів управління підсистемою “двигун -трансмісія”. В дослідженні враховано тільки ті фактори, що характеризують професійну майстерність водія: величина та швидкість натискання на орган управління двигуном при зміні швидкісного режиму; моменти і час переключення передач в процесі прискорення автомобіля; використана передача та вибрана для кожної із них кінцева швидкість руху автомобіля. З цього питання виявилося доцільним сумісне проведення циклу експериментів та розрахункового дослідження, результати яких проілюстровано графіками.

Даним експериментальним дослідженням підтверджено помітний вплив законів управління підсистемою “двигун - трансмісія” на час розгону автомобіля. В процесі дослідів визначено чисельні параметри окремих прийомів управління, що є характерними для типових швидкісних режимів. Одержані параметри використані для перевірки достовірності математичного моделювання розгону автомобіля за розробленою моделлю, алгоритмом та програмою розрахунків.

Із одержаних методом розрахунку графіків розгону (рис.8) видно, що зміна положення дросельної заслінки в межах 10 відсотків та довільний вибір моменту переключення значно впливають на швидкісну характеристику розгону. Здійснено порівняння обчисленої характеристики розгону 1 при змінному законі управління автомобілем із аналогічною характеристикою 4, одержаною в процесі експерименту. Близьке співпадіння графіків 1 і 4 є підтвердженням достовірності розробленої математичної моделі та алгоритму обчислень характеристик розгону автомобіля.

ВИСНОВКИ

Покращення тягово-швидкісних властивостей легкових автомобілів здійснюють переважно створенням сімейства модифікацій до базової моделі із оснащенням їх різними зразками силового агрегату (двигун-трансмісія). При цьому реалізуються нові можливості для оптимального вибору параметрів швидкісної характеристики двигуна у більш повній відповідності до класу та експлуатаційних умов використання автомобіля. Визначенню методики такої оптимізації із порівняльною якісною та кількісною оцінкою досягнутих результатів присвячена дисертаційна робота.

Здійснено узагальнюючу типізацію форми зовнішніх характеристик сучасних двигунів для легкового автомобіля за такими категоріями: а) традиційна (класична); б) високомоментна, із зміщенням максимуму моменту в область низьких обертів; в) з постійним крутним моментом у певному діапазоні; г) складної форми, зокрема із двома максимумами. Обґрунтовано універсальну апроксимацію кривих крутного моменту та потужності двигуна за формулою Лагранжа. Створено методику схематичної побудови часткових та навантажувальних характеристик двигуна у трьохвимірній системі координат, завдяки чому є можливим вводити до алгоритму і програми для ЕОМ різноманітні варіанти швидкісної характеристики різних двигунів в процесі математичного моделювання неусталеного поступального руху автомобіля.

Розроблено математичну модель та методику розрахунку часу і шляху розгону автомобіля для системи “водій-двигун-трансмісія-колісний модуль”. Для поглибленої оцінки тягово-швидкісних властивостей автомобіля в роботі прийняті до розгляду тягові характеристики та комплекс показників динамічності розгону. До цього комплексу включені не тільки відомі нормовані показники - час розгону з місця до швидкості 100км/год і на шляху 400 і 1000м, але і їх значення по інтервалах (40-60; 60-80; 80-100км/год).

Покращення тягово-швидкісних властивостей легкових автомобілів малого класу можливе за умови оптимізації параметрів їх двигунів. Дослідження на математичній моделі показали, що вибором раціональної форми швидкісної зовнішньої характеристики двигуна можливо скоротити час розгону на 8-13% без зміни потужності двигуна, а збільшення робочого об'єму двигуна від 1,1л до 1,3л поліпшує показники розгону автомобіля з місця до швидкості 100км/год на 24,1%, а в діапазоні поширених швидкостей заміського руху (80-120км/год) на 30,1%.

Порівнянням розрахованого часу розгону при повному або частковому використанні потужності двигуна із одержаними за аналогічних умов даними випробувань автомобіля ЗАЗ-11024 на лабораторному стенді підтверджена придатність розробленої моделі та алгоритму до оцінки динамічності автомобіля при різному відкриванні дросельних заслінок в карбюраторі за змінними законами управління.

Результати досліджень передано в УГК ЗАТ“ЗАЗ” для використання з метою удосконалення тягово-швидкісних властивостей автомобілів особливо малого класу ЗАЗ.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Гринів О.І. Математична модель руху автомобіля // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Вип. 12. К.: НТУ ТАУ-2001. - С 31-38.

2.Експериментальні дослідження тягово-динамічних властивостей легкового автомобіля на стенді з біговими барабанами / В.П.Сахно, В.М.Козирєв, В.М.Черевань, М.І.Соломка, О.І.Гринів // Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник ЦНЦ ТАУ. -2001.- №2. - С. 88-91.

3. Гринів О.І. Вплив форми швидкісної зовнішньої характеристики двигуна на динамічні властивості автомобіля // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту та експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць.Вип. 17 К.: НТУ ТАУ.-2003.- С. 32-37.

4. Гринів. О.І., Соломка М.І. Проблема моделювання характеристик двигуна в тягово-динамічних розрахунках автомобілів / Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення. Матеріали міжнародної науково-технічної конференції. - Київ:УТУ, 1997. - с.63 - 64.

Размещено на Allbest.ru

...