Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопросов расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей 7
1.1. Общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей 8
1.2. Классификация методик расчета передаточных чисел трансмиссий 29
1.3. Постановка цели и задач работы 33
Глава 2. Разработка математической модели движения автомобиля 36
2.1. Выбор и обоснование модели движения .36
2.2. Математические модели характерных режимов движения 45
2.3. Внутренние и внешние силы и моменты при прямолинейном движении .55
2.4. Моделирование процесса взаимодействия ведущих колес с опорной поверхностью 66
2.5. Моделирование показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности 73
Глава 3. Разработка методики и проведение исследований по расчету оптимальных передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии автомобиля 80
3.1. Влияние количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля на тошшвно-скоростные показатели разгона 80
3.2. Разработка методики расчета оптимальных передаточных чисел трансмиссии 96
3.3. Определение значений весовых коэффициентов важности частных критериев оптимальности 106
3.4, Выбор метода поиска оптимального решения 116
3.5. Расчет оптимальных передаточных чисел трансмиссии легкового автомобиля 126
Глава 4. Адекватность математической модели реальному автомобилю 138
Заключение и выводы 149
Список литературы 151
Приложение
- Классификация методик расчета передаточных чисел трансмиссий
- Моделирование процесса взаимодействия ведущих колес с опорной поверхностью
- Разработка методики расчета оптимальных передаточных чисел трансмиссии
- Расчет оптимальных передаточных чисел трансмиссии легкового автомобиля
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года поставлены большие и важные задачи увеличения и улучшения структуры выпуска автомобилей, более полно отвечающих потребностям народного хозяйства и задаче экономии топлива. Экономия бензина и дизельного топлива к 1990 году должна составить в сравнении с 1965 годом 18-20 процентов при одновременном повышении производительности автомобильного транспорта.
Поэтому проблемы повышения топливной экономичности и тягово-скоростных свойств выпускаемых и вновь проектируемых автомобилей являются одними из основных задач в автостроении»
Решение поставленных задач, которое ведется по различным направлениям, и развитие автомобильного транспорта в условиях научно-технического прогресса невозможно без современных методов исследования, основанных на теориях построения математических моделей проектируемых узлов» агрегатов и автомобиля в целом и оптимизации конструктивных параметров и характеристик.
Необходимо продолжать разработку новых методов проектирования и исследования, которые позволят конструктору еще на ранней стадии создания новых моделей автомобилей выбирать оптимальные конструктивные решения и проводить технико-экономический анализ эффективности направлений улучшения топливной экономичности и тягово-скоростных свойств автомобилей.
Методы оптимизации конструктивных параметров и моделирования движения автомобиля є различных условиях эксплуатации являются одними из основных способов выявления путей совершенствования его конструкции и выбора наиболее эффективных направлений улучшения указанных эксплуатационных свойств.
Расчет оптимальных конструктивных параметров в соответствии с алгоритмами оптимизации и расчеты показателей топливной экономичности и тягово-скоростных свойств вручную ввиду значительных затрат времени, математических трудностей и громоздкости вычислений провести практически невозможно» Проведение экспериментальных исследований методами стендовых и дорожно-полигонннх испытаний автомобилей требует больших затрат средств и времени, а на ранней стадии проектирования данные исследования исключены из-за отсутствия опытного образца.
Исходя из этого, основной целью настоящей работы является разработка и реализация в виде комплекса программных средств на ЭВМ методики оптимизации параметров трансмиссии легковых автомобилей, обеспечивающих наиболее высокие показатели их тягово-скоростных и топливно-экономических свойств. При этом комплекс программных средств должен позволять проектировщику решать следующие задачи:
- расчет показателей и характеристик топливной экономичности и тягово-скоростных свойств автомобиля - исследование влияния конструктивных параметров и характеристик автомобиля на показатели его топливной экономичности и тягово-скоростных свойств;
- определение оптимальных передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля.
Внедрение комплекса программных средств, обеспечивающего решение данных задач в практику проектирования легковых автомобилей, позволит сократить сроки разработки конструкций автомобилей и объем доводочных испытаний за счет возможности выбора наиболее эффективных путей улучшения топливной экономичности и тягово-скоростных свойств, причем сделать это еще на ранней стадии проектирования. Другим наиболее важным достоинством комплекса программных средств следует считать то, что его применение позволит существенно улучшить топливно-скоростные свойства легкового автомобиля за счет оптимизации и реализации в конструкции оптимальных параметров трансмиссии»
Классификация методик расчета передаточных чисел трансмиссий
Проведенный обзор и общий анализ литературы» посвященной расчету передаточных чисел трансмиссий автомобилей, позволили построить схему процесса развития методик расчета, которая изображена на рис. I. Разработанная схема дает возможность проследить, как и в ка кой последовательности разрабатывались методики расчета переда точных чисел трансмиссии что позволяет выявить взаимосвязи меж ду ними Выявление взаимосвязей необходимо для классификации ме тодик по определенным признакам. Кроме того, при классификации методик разработанная схема позволяет обеспечить необходимую полноту, которая гарантирует охват всех методик, т.е. дает возможность построить комплексную классификационную систему. В основу классификации методик расчета передаточных чисел трансмиссии могут быть положены различные классификационные признаки, которые характеризуют определенные свойства методик. Можно проводить классификацию по следующим признакам: 1. По способу расчета. 2. По плотности рассчитанного ряда передаточных чисел транс- миссии» 3. По свойствам автомобиля, на улучшение которых направлена методика. По способу расчета методики можно разделить на два класса: 1. Ручной расчет. 2. Расчет с использованием ЭВМ. Все рассмотренные методики можно реализовать на ЭВМ в виде программ.
Однако к методикам, принадлежащим ко второму классу, следует относить только те методики, ручной расчет по которым провести практически невозможно. Например, расчет передаточных чисел трансмиссии по критерию минимального времени разгона до заданной конечной скорости с использованием алгоритмов нелинейного программирования» При переходе от низших ступеней трансмиссии к высшим плотности рядов» рассчитанных по различным методикам, могут изменяться неодинаковое Поэтому удобно проводить классификацию по плотности, которая может быть: I Убывающей, 2. Постоянной. 3. Нарастающей 4. Смешанной. Большинство методик относится к третьей группе (нарастающая плотность). Некоторые рассмотренные методики позволяют получать ряды передаточных чисел которые могут относиться к различным группам. Например, плотность рядов, рассчитанных по методикам Й.К. Даценко и М.А. Петрова, зависит от заданных условий эксплуатации автомобиля, для которых определяются передаточные числа трансмиссии, что позволяет получать ряды передаточных чисел, относящихся к любой из рассмотренных групп. В основу расчета передаточных чисел трансмиссии рассмотрен них мйтодик положены критерии, которые характеризуют тягово-ско-ростнне свойства автомобиля и топливную экономичность. Поэтому наиболее целесообразно проводить классификацию в зависимости от того» на улучшение каких свойств автомобиля направлена данная методика. Данный подход приводит к необходимости классифицировать методики по следующим свойствам автомобиля, для улучшения которых они применяются: 1. Тягово-скоростные 2. Топливной экономичности. 3» Комплексные Большинство разработанных методик расчета передаточных чисел трансмиссии автомобиля направлено на улучшение тягово-скоростных свойств
Исключением являются работы fl4» I00j В работе [14 J предлагается уточнять рассчитанный динамический ряд передаточных чисел» исходя из ожидаемого расхода топлива автомобилем, а в работе [iOOj для корректировки рассчитанного гиперболического ряда применяются комплексные показатели эффективности автомобиля Все рассмотренные методики основаны на однокритериальном подходе к расчету передаточных чисел трансмиссии, для чего выбирается один критерий оптимальности и рассчитываются передаточные числа трансмиссии, соответствующие наилучшему значению выбранного критерия. Однако одним критерием невозможно описать все тягово-скороетные свойства и топливную экономичность автомобиля. Поэтому необходимо при расчете передаточных чисел трансмиссии вводить в рассмотрение множество критериев, которые характеризуют топливную экономичность и тягово-скоростные свойства автомобиля в различных условиях его эксплуатации. Следовательно задача расчета передаточных чисел трансмиссии легкового автомобиля многокритериальна.
Моделирование процесса взаимодействия ведущих колес с опорной поверхностью
При взаимодействии колес с опорной поверхностью происходит деформация шины в площадке контакта. С увеличением крутящего момента, подводимого к колесу, деформация шины увеличивается, что приводят к уменьшению возможной скорости поступательного движения автомобиля. Более того, возможен случай одновременного скольжения всех точек ведущего колеса, находящихся в контакте, относительно опорной поверхности. Поэтому от качества модели-рования процесса взаимодействия колеса с опорной поверхностью зависит точность расчета показателей ж характеристик тягово-скоростннх свойств н топливной экономичности, т.е. качество разрабатываемой модели Единого общепринятого мнения по вопросу учета взаимодействия колеса с опорной поверхностью пока нет. При качении колеса всегда имеются скользящие точки относительно опорной поверхности В связи с этим имеется два мнения по вопросу начала буксования колеса: первое - при качении любого деформируемого колеса имеется буксование; второе - начало буксования колеса происходит в момент превышения силы тяги на колесе Рк максимально возможной по условию сцепления колеса с полотном дороги: где if - коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью. Большой объем исследований, проведенный авторами работ [79 t 817 » показал, что при Р & (f QK радиус качения уменьшается линейно в зависимости от подводимого крутящего момента по формуле ( 2.20 ) ( упругое скольжение колеса) .
При P fSK колесо начинает буксовать» и иоступательная скорость движения автомобиля вычисляется с учетом коэффициента буксования % по формуле: Потенциальная энергия (2,3 ) и диссипативная функция (2.4 ) позволяют определить крутящий момент сил второго упругого участка трансмиссий, подводимый к ведущим колесам: При "у2 ф@к2 считаем, что %ъ = О . В случае А/»/ if G-K lK расчет скорости поступательного движения по системам дифференциальных уравнений (2 10) , (2.12) или (2 17) (в зависимости от режима движения) проводится два раза: расчет с реальным значением Му9 » подводимым к ведущим колесам (без учета буксования) » и расчет с г/у2- f G 2.к (предполагаем, что на колесе реализуется предельная сила по условию сцепления) Соответственно получаем теоретическую скорость движения Vj t соответствующую реальному значению частоты вращения колеса Ц к , и теоретическое значение tf , соответствующее реальной скорое-ти движения автомобиля Vp . Тогда \/ \А При моделировании процесса буксования нормальная нагрузка на колеса определяется в соответствии с (2,23) Коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью изменяется в зависимости от состояния и типов поверхности и шины в широких пределах Г2 , 49]. Более того, его значение, для реального дорожного покрытия, зависит от величины $ (_50, 94 и дрГ) и скорости движения автомобиля Гі8 , 73 , 94J, т.е.
Для фиксированной скорости движения существует значение ко эффициента lp , соответствушее началу буксования колеса при А/у - Ф QK %% Увеличение значения А/о. приводит к возрастанию коэффициента сцепления W до некоторого значения у » соответствующего коэффициенту буксования 5 . Дальнейшее увеличение My приводит к уменьшению значения if . При $$ =1 коэффициент сцепления равен некоторому значению (Р . На значение коэффициента сцепления влияет большое количест во факторов Результаты экспериментальных измерений имеют сущест венный разброс. Поэтому экспериментальные данные можно рассматри вать как случайные величины Гз7J
Разработка методики расчета оптимальных передаточных чисел трансмиссии
При постановке задачи оптимизации передаточных чисел трансмиссии одним из основных вопросов является выбор критерия оптимальности. От критерия требуется, чтобы он как можно полнее характеризовал топливную экономичность и тягово-скоростные свойства автомобиля. В последние годы появился ряд комплексных критериев оценки оптимальности передаточных чисел трансмиссии, например: - показатель удельной производительности автомобиля; - коэффициент эффективности работы; - топливно-скоростной показатель автомобиля и другие. Эти показатели - попытки построить критерий оптимальности, который наиболее полно характеризовал бы топливную экономичность и тягово-скоростныв свойства автомобиля Однако это требование трудно и, вероятно, невозможно удовлетворить с помощью одного критерия, Из-за большого количества требований, которые предъявля ются к топливной экономичности и тягово-скоростным свойствам, расчет оптимальных передаточных чисел трансмиссии автомобиля предлагается рассматривать как задачу многокритериальной оптимизации.
В качестве частных критериев оптимальности берутся показатели, характеризующие топливную экономичность и тягово-скорост-ные свойства автомобиля. Для оценки топливной экономичности такими критериями являются: расход топлива в городских ездовых циклах, расход топлива . в магистральном ездовом цикле, расход топлива при заданных установившихся скоростях движения автомобиля. Частными критериями тягово-скоростных свойств автомобиля являются: максимальный преодолеваемый подъем, максимальная скорость на горизонтальном участке пути, время разгона с места с переключением передач до заданных конечных скоростей разгона» время разгона с места с переключением передач на заданных мерных участках пути и другие. Отметим, что указанные комплексные критерии оценки опти мальности могут рассматриваться так же» как частные критерии оптимальности. Чем больше частных критериев оптимальности вводится в рассмотрение, тем с большей достоверностью можно судить о достоинствах и недостатках рассчитанного ряда передаточных чисел трансмиссии автомобиля. Одновременно улучшать частные критерии топливной экономичности и тягово-скоростных свойств автомобиля за счет передаточных чисел трансмиссии в общем случае невозможно, так как многие частные критерии противоречат друг другу Например, уменьшая расход топлива в городском ездовом цикле, мы в то же время ухудшаем некоторые частные критерии тягово-скоростных свойств автомобиля (значения углов максимальных преодолеваемых подъемов на каждой передаче, показатели времени разгона до некоторых заданных конечных скоростей и т.д.) Поэтому в качестве критерия оптимальности передаточных чисел трансмиссии предлагается брать обобщенный критерий оптимальности, который представляет из себя какую-либо комбинацию частных критериев оптимальности с соответствующими коэффициентами важности: где ч _, ez - частные критерии оптимальности соответственно топливной экономичности к тягово-скоростных свойств гп »Л
Расчет оптимальных передаточных чисел трансмиссии легкового автомобиля
При оптимизации передаточных чисел трансмиссии проектируемого автомобиля необходимо провести анализ всех требований, предъявляемых к его топливной экономичности и тягово-скоростным свойствам. Оптимальные передаточные числа трансмиссии должны по возможности обеспечить выполнение этих требований или, по крайней мере, реализовать наилучшие возможные показатели топливной экономичности и тягово-скоростных свойств для проектируемого автомобиля. Топливная экономичность перспективного автомобиля ИЖ-2І26 "Орбита" оценивается обобщенным приведенным расходом топлива (ГОСТ 27059-86 ), который представляет собой сумму расходов топлива в городском ездовом цикле по ОСТ 37.001.054-74 и при дви жении с установившимися скоростями 90 и 120 км/ч соответственно с весовыми коэффициентами 0.5, 0.25 и 0.25: При этом максимальный преодолеваемый подъем должен быть не менее 35-365? [59 , 100 J . Максимальная возможная скорость на горизонтальном участке дороги в соответствии с техническим проектом - не менее 150 км/ч. Считается» что автомобиль данного типа и класса обладает хорошими скоростными качествами, если время разгона до 100 км/ч не более І7с [ 59 7, время прохождения пути разгона 1000 м при разгоне с места с переключением передач не более 42с /100 7 , а время разгона в интервале скоростей от 60 до 120 км/ч не более 25-28с ГгоJ. Автомобиль Щ-2І26 оборудован пятиступенчатой коробкой передач. В соответствии с исследованиями, представленными выше, рациональное число ступеней трансмиссии для этого автомобиля равно четырем. Поэтому пятая передача - ускоряющая, которая введена с целью повышения топливной экономичности автомобиля.. Легковой автомобиль обладает приемлемыми динамическими качествами на ускоряющей передаче (согласно исследованиям, проведенным на автополигоне НАМИ ), если максимальный преодолеваемый подъем на данной передаче при скорости движения 120 км/ч - не менее 3$. Следовательно, задачу расчета оптимальных передаточных чисел трансмиссии автомобиля ЙЖ-2І26 можно сформулировать следующим образом: определить передаточные числа трансмиссии» обеспечивающие минимум обобщенному критерию оптимальности ( 3.7) при критериальных ограничениях:
При. определении критериальных ограничений учитывались следующие допущения: скорость 120 км/ч достигается на третьей передаче; максимальная скорость движения на горизонтальном участке дороги - на четвертой передаче. Обобщенный критерий оптимальности (3 7 ) не зависит от передаточного числа четвертой передачи (для автомобиля, оборудованного пятиступенчатой коробкой передач), что» по нашему мнению» является одним из недостатков разработанного нормативного доку мента на топливную экономичность (ГОСТ 27059-36 ) Б данных условиях наиболее рационально выбрать значение передаточного числа четвертой передачи из условия обеспечения максимальной возможной скорости движения на горизонтальном участке пути. Согласно расчетам эта скорость реализуется для автомобиля Щ-2І26 при 1 Г=3.643« Поэтому оптимизация проводилась по независимым переменным Исходные данные исследования представлены в "Приложении Iй. Минимальное возможное значение обобщенного критерия оптимальности (3.7) , с учетом введенных критериальных ограничений фиксированного значения L - 3.643, равно 7.8238 при значениях передаточных чисел трансмиссии L = 11.636, L2 - 6.703, LB = 4.492» Ls = 2.,689. В качестве начальной точки поиска оптимального решения взяты передаточные числа трансмиссии, установленной на автомобиль ИЖ-2І26. Значения передаточних чисел этой трансмиссии равны L1 - 13.573, (-г =7.934, Cs = 5.184, Cq 3.889, Lg - 3.15, а соответствующее расчетное значение обобщенного критерия оптимальности (3,7) равно 8.5533. Следовательно, оптимальный ряд передаточных чиеел трансмиссии позволяет улучшить топливную экономичность исследуемого автомобиля (ГОСТ 27059-86 ) более чем на 8.5$. При этом автомобиль ЙЖ-2І26 будет обладать хорошими тягово-скоростными свойствами. Результаты расчетного сравнения топливно-скоростных показателей исследуемого автомобиля с реальным и оптимальными рядами передаточных чисел трансмиссии сведены в таблицу 6. Приведем результаты использования разработанной методики расчета оптимальных передаточных чисел трансмиссии еще на одном примере решения конкретной задачи с ограничениями - задаче минимизации расхода топлива в городском ездовом цикле в соответствии с И 37.001.022-81 по первым трем ступеням передаточных чисел трансмиссии при ограничении на время разгона де скорости 100 км/ч, т.е. рассмотрим случай, когда в качестве обобщенного критерия берется один частный критерий топливной экономичности,и на один частный критерий скоростных свойств вводится ограничение. Для выявления ресурсных возможностей исследуемого автомобиля по топливной экономичности в городском ездовом цикле (И 37.001.022-81) и времени разгона де скорости 100 км/ч, определены их минимально возможные значения. Минимальному расчетному значению расхода топлива в городском ездовом цикле, равному 6.935 л на 100 км пути» соответствуют передаточные числа трансмиссии: 9.857, 6.572, 4.078, 3.267, 2,645.
