Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРОДСКОГО МНОГОЦЕЛЕВОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ И ОПТИМИЗАЦИЕЙ БАЗОВЫХ ПАРАМЕТРОВ

Костров Владимир Юрьевич

Челябинск - 2010

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вследствие постоянного развития городов происходит увеличение транспортных потоков. В результате возникло требующее разрешения противоречие между возможностью автомобиля обеспечивать свободу передвижения и проблематичностью реализации этой возможности в транспортной системе современного города.

Особенностями использования автомобилей в современных городских транспортных системах является сочетание высокой интенсивности движения на коротких участках при снижении средней скорости до 15-30 км/час с многочисленными парковками. При этом коэффициент использования мощности автомобильных двигателей составляет не более 0, 3-0, 5 при существенном ухудшении экономичности и повышении токсичности отработавших газов. Более 80% автомобилей имеют суточный пробег до 40-60 км, в 90% случаев в 4-5 местном автомобиле передвигаются 1-2 человека (в среднем 1, 6). В результате эффективность как автомобиля, так и транспортной системы в целом резко снижается.

Таким образом, налицо несоответствие между современными требованиями к городскому автомобилю и традиционными схемами легковых автомобилей. Это указывает на необходимость разработки и апробирования нетрадиционной схемы городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства (ГММТС) с оптимальными для городского движения базовыми параметрами, учитывающей его назначение и место в городской транспортной системе с сочетанием высокой интенсивности движения на коротких участках с многочисленными парковками и маневрированием на ограниченных площадках. Ограниченное количество теоретических работ в этой области свидетельствует об актуальности темы исследования.

Цель работы - обеспечение эффективности ГММТС за счет разработки рациональной нетрадиционной конструктивной схемы, определения оптимальных базовых параметров и схемы управления.

1. Повышение эффективности городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства предлагаемой конструктивной схемы как объекта городской транспортной системы современного мегаполиса. Новизна технического решения, примененного в данной модели, подтверждена патентом на полезную модель.

2. Возможность исследования управляемости и маневренности городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства на базе спроектированной и построенной модели ГММТС и регистрационного комплекса. Комплекс может быть использован для исследования управляемости и маневренности автомобилей с другими схемами управления.

3. Полученные практические результаты используются: при проведении НИОКР по разработке перспективных образцов техники в ООО «ПСА ВИС - АВТО», ЧВВАКИУ, а также используются в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов и чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам: «Автомобильная техника», «Конструкция и расчет автомобилей» в ЧВВАКИУ, ЮУрГУ.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Экологические проблемы в транспортно-дорожном комплексе» (Москва, 2005), «Достижения науки - аграрно-промышленному производству» (Челябинск, 2006, 2007), «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва, 2009), межрегиональной научно-технической конференции АВН «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения» (Челябинск, 2010), межвузовских научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2005-2008), Челябинского государственного агроинженерного университета (2006, 2007), научно-технических конференциях Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института) (2006-2010).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, получен 1 патент на полезную модель.

Объем и содержание работы. Диссертация содержит 123 стр. текста, 75 рисунков и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 100 наименований и приложений.

городской многоцелевой малогабаритный транспортный

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, поставлена цель, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, дана её общая характеристика и изложено краткое содержание.

В первой главе приведен краткий обзор работ по теме диссертации, рассмотрено состояние вопроса по исследуемой теме и обоснованы задачи, решение которых позволить достичь цели работы - обеспечения эффективности городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства.

В настоящее время наблюдается отчетливая тенденция использования растущей эффективности транспорта для расширения сферы передвижения.

Под эффективностью использования автомобиля понимаем выполнение транспортной работы в более короткий срок с наименьшим расходом мощности.

В современных транспортных системах крупных городов потенциальные возможности автомобилей не только не используется, но и не могут быть использованы в дальнейшем. В результате эффективность как автомобиля, так и транспортной системы в целом резко снижается и составляет не более =0, 2-0, 4. В то же время, эффективность других транспортных средств находится на уровне не ниже =0, 75-0, 8. Таким образом, налицо несоответствие между современными требованиями к городскому автомобилю и его техническими характеристиками.

Это ставит задачу разработки городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства, учитывающей его назначение и место в городской транспортной системе с сочетанием высокой интенсивности движения на коротких участках с многочисленными парковками.

В заключение главы сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе на основании анализа применения автомобиля в городских условиях выявлено, что определяющее влияние на повышение эффективности автомобиля в городской транспортной системе оказывает его важное комплексное эксплуатационное свойство - маневренность, являющаяся функцией конструктивной схемы, базовых параметров и схемы управления.

На основании анализа маневренности и управляемости, сложности реализации конструктивных решений обоснована концепция трехопорного ГММТС с бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой, которая может быть выполнена в виде шара или колеса. Данная схема принята для расчетов.

Полагаем, что использование самоустанавливающейся опоры может дать некоторые преимущества по сравнению с управляемым колесом. Так как вектор скорости V шара опоры всегда лежит в средней плоскости качения шара, шар будет катиться без увода (рисунок 1). Сравнивалась данная конструкция с автомобилями, выполненными по схеме 1.

Макетирование с использованием габаритных манекенов показало, что комфортное размещение водителя и пассажира возможно при базе и колее 1, 2…1, 5 м. Для расчетов приняты эти значения.

Минимальный радиус поворота данной схемы равен (рисунки 1 и 2):

без увода, (1)

с уводом , (2)

где и - радиусы поворота без увода и с учетом увода автошин; - база ГММТС; и - скорость наружного и внутреннего мотор колес.

Для определения области допустимого изменения базовых параметров ГММТС разработана аналитическая модель поворота ГММТС. Внешние воздействия на ГММТС показаны на рисунке 3.

На основании схемы (рисунок 4) составляем систему уравнений кинематических связей:

 (3)

(4)

Обозначения ясны из рисунков 3 и 4.

Инерционные силы и моменты пропорциональны соответствующим ускорениям, а их векторы направлены противоположно векторам ускорений. Cилы инерции и , инерционный момент (рисунок 3), с учетом выражений (3), определяются по уравнениям:

(5)

(6)

(7)

где -- коэффициент приведенной массы ГММТС; -- радиус инерции ГММТС относительно оси .

Боковые реакции определяем из системы уравнений, составленной на основе принципа Даламбера и схемы ГММТС (рисунок 3):

(8)

Обозначения ясны из рисунка 3.

Для компьютерного анализа составлена Simulink-модель в программе «Matlab& Simulink». В результате расчетов получены зависимости радиуса поворота машины от конструктивной схемы и базовых параметров (рисунки 5 и 6).

Из полученных графиков видно, что наименьший радиус поворота обеспечивает ГММТС с базой L=1, 5 м и колеей B=1, 2 м. По этим размерам в масштабе 1:5 изготовлена модель-копия ГММТС для проведения испытаний.

Сравнительный анализ графиков (рисунки 5 и 6) показывает, что у ГММТС с бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой радиус поворота меньше в 1, 7 раза, чем у автомобилей с передними управляемыми колесами, и в 1, 2 раза - по сравнению с автомобилями со всеми управляемыми колесами. Кроме этого, схема с бортовым поворотом создает наименьший момент сопротивления повороту (рисунок 7). Наиболее маневренной из сравниваемых конструкция является машина с размером базы 1, 5 м, колеи - 1, 2 м, бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой.

Рисунок 7 - Зависимость момента сопротивления повороту от радиуса поворота автомобиля

В третьей главе описан объект исследования - экспериментальная модель (рисунок 8), измерительный комплекс, методика проведения эксперимента, методы оценки погрешности измерений и анализа. Подробно рассмотрены измерительная аппаратура и специальное оборудование для управления моделью. Особое внимание уделено обоснованию основных параметров трансформируемой модели-копии ГММТС для экспериментальных исследований, при условии обеспечения физического подобия кинематики и динамики движения модели и ГММТС.

Рисунок 8 - Трансформируемая модель-копия ГММТС для экспериментальных исследований

Регистрация результатов испытаний производилась с помощью компьютерного измерительного комплекса и программного обеспечения «Power Graph».

Методом анализа размерностей были выведены соотношения, характеризующие работу модели и прототипа ГММТС.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований маневренности и управляемости ГММТС, выполненных на трансформируемой модели-копии ГММТС. Исследования проводились в несколько этапов.

На первом этапе устанавливалась адекватность математической и физической моделей. Сравнением теоретических и экспериментальных зависимостей установлена достаточная адекватность разработанной аналитической модели стационарного поворота ГММТС (рисунок 9) Индексом r на рисунках обозначены расчетные величины, индексом е - экспериментальные..

На втором этапе исследовались управляемость и маневренность ГММТС по методике, изложенной в ЕЭК ООН № 79 и ГОСТ Р 52302-2004. Результаты испытаний «стабилизация» показаны на рисунке 10.

Таблица - 1 Результаты испытания ГММТС «стабилизация»

Рисунок 10 - Изменение угла поворота рычага управления во времени при испытании «стабилизация».

По результатам испытаний (таблица 1) видно, что показатели ГММТС меньше нормативных значений и обеспечивают достаточную стабилизацию транспортного средства при выходе из поворота.

На рисунке 11 представлены результаты испытаний «рывок руля». Анализ результатов испытаний показывает, что показатели ГММТС находятся на уровне нормативных значений.

График удельной силы тяги ГММТС разных конструктивных схем, необходимой для совершения поворота с радиусом RP, показан на рисунке 12.

Рисунок 12 - Удельная сила тяги, необходимая для совершения поворота

Результаты экспериментальных исследований позволили уточнить базовые параметры и характеристики схем управления ГММТС (рис. 10, 11) и рекомендовать в качестве наиболее рационального конструктивного решения для практической реализации схему 7 (два ведущих мотор-колеса, бортовой поворот и самоустанавливающаяся опора). По сравнению с традиционными трех- или четырехколесными схемами, предлагаемая схема ГММТС обеспечивает лучшую маневренность и меньшее сопротивление повороту и может быть использована в городских условиях для повышения эффективности транспортных систем городов.

Решена задача оптимизации размеров ГММТС для обеспечения возможности разворота машины на в ограниченном пространстве. В качестве критерия оптимизации целесообразно считать оптимальными такие размеры, при которых ее площадь в плане получается максимальной и, вместе с тем, обеспечивается вписывание машины в заданный ГКД.

Используя геометрические зависимости, найдем соотношение между базой, колеей ГММТС и внешним радиусом поворота (рисунок 13):

(9)

(10)

(11)

Зависимость оптимальных параметров от внешнего радиуса поворота показана на рисунке 14.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована концепция трехопорного ГММТС, включающая использование бортового (силового) поворота мотор-колес в сочетании с самоустанавливающейся передней опорой, обеспечивающая высокую маневренность и управляемость, экономичное использование площадей для маневрирования и парковки.

2. Развита математическая модель стационарного поворота трехопорного ГММТС с двумя мотор-колесами и самоориентирующейся опорой, применимая для описания движения с малыми радиусами поворота при скоростях от 10 до 60 км/час, включая поворот на месте, позволяющая на ранних стадиях проектирования оценить схемные решения и обоснованно выбирать и оптимизировать основные параметры машины, исходя из заданных требований.

3. Установлены закономерности изменения характеристик поворотливости ГММТС при маневрировании со скоростями от 10 до 60 км/час в функции базовых параметров и схем управления. Экспериментальными исследованиями выявлено, что у ГММТС с бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой радиус поворота меньше в 1, 7 раза, чем у автомобилей с передними управляемыми колесами, и в 1, 2 раза - по сравнению с автомобилями со всеми управляемыми колесами. Кроме этого, схема с бортовым поворотом и самоустанавливающейся опорой создает момент сопротивления повороту в 1, 5 раза меньший, чем автомобили с управляемыми колесами.

4. Установлены области допустимого изменения базовых параметров и характеристик схем управления для обеспечения заданных требований и ограничений. Наиболее маневренной из сравниваемых машин является двухместный ГММТС с размером базы 1400…1600 мм, колеи - 1100…1250 мм, диаметром колес 400…500мм, бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой.

5. Для оценки адекватности математической модели и экспериментальной оценки принятых решений на основании теории подобия разработана и изготовлена в масштабе 1:5 управляемая действующая модель ГММТС с изменяемыми базовыми параметрами, управляемая с помощью бортового поворота мотор-колес, имеющая переднюю самоустанавливающуюся опору, обеспечивающая физическое подобие кинематики и динамики движения ГММТС.

6. Оценена управляемость и маневренность разработанной схемы. Управляемость и устойчивость разработанной схемы ГММТС соответствуют нормативным показателям ЕЭК ООН № 79 и ГОСТ Р 52302-2004. Экспериментально установлено, что реализация концепции ГММТС исключает возможность ее опрокидывания под действием центробежных сил.

7. Применение схемы управления с бортовым поворотом позволит за счет повышенной маневренности повысить эффективность использования ГММТС в 1, 4…1, 6 раза по сравнению с автомобилями традиционной конструкции.

ЛИТЕРАТУРА

Ведущие рецензируемые научные журналы и издания

1. Руднев, В.В. К вопросу разработки комбинированных энергетических установок городских автомобилей [Текст] / В.В. Руднев, Б.Л. Арав, В.Ю. Костров // Ползуновский Вестник.-№4. Барнаул: АГТУ, 2006.-С.152-156.

2. Костров, В.Ю. Развитие концепции легковых автомобилей особо малого класса, методов и средств её реализации [Текст] / В.Ю. Костров, Б.Л. Арав // Транспорт Урала.-2007. -№ 2(13).-С.11-14.

3. Костров, В.Ю. Оптимизация параметров для обеспечения максимальной пощади в плане городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства [Текст] / В.Ю. Костров // Вестник академии военных наук. - № 1 (30). М.:АВН, 2010. -С. 87-90.

4. Костров, В.Ю. Обоснование конструкции городского малогабаритного транспортного средства [Текст] / В.Ю. Костров // Вестник академии военных наук. - № 1 (30). М.:АВН, 2010. -С. 91-96.

В материалах международных, всероссийских и региональных конференций и других научных журналах и изданиях

5. Руднев, В.В. Комбинированные энергетические установки как средство решения экологических проблем в транспортном комплексе [Текст] / В.В. Руднев, Б.Л. Арав, Н.Е. Александров, Д.В. Амелин, В.Ю. Костров // Экологические проблемы в транспортно-доржном комплексе.-М.: МАДИ, 2005. - С.221-227.

6. Келлер А.В. К вопросу развития концепции внутригородских миниавтомобилей [Текст] / Б.Л. Арав, Н.Е. Александров, А.В. Келлер, В.Ю. Костров // Проектирование колесных машин. Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Колесные машины». - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - С.401-405.

7. Келлер А.В. Применение моделирования для исследования маневренности специальных малогабаритных транспортных средств [Текст] / Б.Л. Арав, Д.В. Нефедов, В.Ю. Костров, А.В. Келлер // Материалы III межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, модернизация и эксплуатация». - Омск: ОТИ, 2006. - С.57-59.

8. Руднев, В.В. Синтез комбинированных энергетических установок для городских автомобилей ограниченного радиуса действия (миниавтомобилей) [Текст] / В.В. Руднев, Б.Л. Арав, В.Ю. Костров // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения.- Челябинск: ЮУрГУ, 2006. - С.86-91.

9. Костров, В.Ю. Особенности экспериментальной модели городского автомобиля для исследования его поворачиваемости и устойчивости [Текст] / В.Ю. Костров, Б.Л. Арав, Д.И. Амелин // Сб. Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2006. - С. 126-129.

10. Костров, В.Ю. Повышение эффективности применения автомобилей в городских условиях за счет увеличения маневренности рационализацией конструктивных факторов [Текст] / В.Ю. Костров, Б.Л. Арав // Научный вестник.-Вып. 19. -Автомобильная техника.- Челябинск: АВН, ЧВВАИУ, 2006.-С.101-104.

11. Костров, В.Ю. Особенности применения математического моделирования для исследования маневренности внутри городских мини автомобилей [Текст] / В.Ю. Костров, Г.Ф. Сидоров // Повышение экологической безопасности автотракторной техники.- Барнаул: РАТ, АГТУ, 2006.-С.86-93.

12. Нефедов, Д.В. Повышение проходимости малогабаритных транспортных средств специального назначения [Текст] / Д.В. Нефедов, Б.Л. Арав, В.Ю. Костров // Материалы 54 науч.-техн. конф. ЧГАУ. - Ч.3.-Челябинск: ЧГАУ, 2006. - С.149-152.

13. Арав, Б.Л. Концепция многоцелевого малогабаритного городского транспортного средства [Текст] / Б.Л. Арав, Д.В. Амелин, А.В. Келлер, В.Ю. Костров // Материалы 54 науч.-техн. конференции ЧГАУ.-Ч.3.-Челябинск: ЧГАУ, 2006. - С.132-135.

14. Арав, Б.Л. Синтез рациональных конструктивных решений миниавтомобилей [Текст] / Б.Л. Арав, А.В. Келлер, В.Ю. Костров // Тр. Международного Форума по проблемам науки, техники и образования.- М.: Академия наук о земле, 2006.-Т2.- С.54-57.

15. Костров, В.Ю. Развитие модели стационарного поворота городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства для определения рациональных базовых параметров [Текст] / В.Ю. Костров // Проблемы и перспективы автомобилестроения в России.- Ижевск, ИжГТУ, 2007.-С. 107-112.

16. Костров, В.Ю. Предложения по конструкции и определению рациональных базовых параметров городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства [Электронное издание] / В.Ю. Костров // Материалы 65-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». - М.: МГТУ «МАМИ», 2009.

17. Костров, В.Ю. Экспериментальная модель трехопорного высокоманевренного автомобиля для исследования поворачиваемости, устойчивости и управляемости [Электронное издание] / В.Ю. Костров // Материалы 65-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». - М.: МГТУ «МАМИ», 2009.

18. Костров, В.Ю. Особенности поворота трехопорного городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства с самоустанавливающейся передней опорой [Электронное издание] / В.Ю. Костров // Материалы 65-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». - М.: МГТУ «МАМИ», 2009.

19. Патент на полезную модель № 87681 РФ МПК В62D 9/00 Самоходное транспортное средство [Текст] / В.Ю. Костров, И.В. Костров, П.И. Малых и др.; [Текст] РОСПАТЕНТ. - № 2009117155/22; заявл. 05.05.2009; опуб. 20.10.2009 Бюл. № 29.

Размещено на Allbest.ru