Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в промышленности вводятся значительные энергетические и экологические ограничения. Основным потребителем энергии и основным источником загрязнения воздуха является автомобильный транспорт, объемы производства которого с каждым годом возрастают. Поэтому работы по повышению экономичности и экологической безопасности автомобилей имеют важное значение.
Главным источником вредных веществ отработавших газов автомобиля является двигатель. Расход топлива и выбросы отработавших газов во время движения автомобиля зависят от режима работы двигателя, задаваемого водителем и дорожными условиями, которые через трансмиссию воздействуют на двигатель. Таким образом, задаваясь характеристиками дорог и изменяя параметры трансмиссии (ее передаточные числа), для данного режима движения можно достичь минимальных значений расхода топлива и выбросов отработавших газов.
Ведущие автомобильные фирмы Европы, Америки и Японии уже давно предлагают большое количество разнообразных модификаций, созданных на основе базового автомобиля. Причем изменения в конструкции модифицированных автомобилей затрагивает не только изменение типа кузова, как наблюдается у отечественных производителей, но и шасси автомобиля, в частности трансмиссии. Сейчас на автосалонах и автомобильных рынках зарубежные производители предлагают покупателям автомобили с разнообразными комплектациями двигателей, коробок передач, ведущих мостов и наиболее подходящие для заданных условий эксплуатации.
Сказанное выше позволяет сделать вывод о необходимости создания и у нас в стране различных модификаций на основе базовой модели за счет изменения трансмиссии. При этом следует учитывать оперативно-функциональное назначение автомобиля и требования автомобильного рынка. В первую очередь это касается разработки семейств автомобилей, включающих в себя динамичные, экономичные и экологичные модификации.
Цель работы. Разработка методики поиска рациональных передаточных чисел трансмиссии с учетом скоростных, топливно-экономических, экологических свойств и оперативно-функционального назначения автомобиля.
На достижение поставленной цели направлено решение следующих основных задач:
разработка алгоритма поиска рациональных передаточных чисел трансмиссии с учетом показателей тягово-скоростных свойств, топливной экономичности, токсичности отработавших газов и оперативно-функционального назначения автомобиля;
разработка математической модели движения автомобиля при его малых отклонениях от прямолинейного движения на ровной дороге с учетом шести силовых факторов, возникающих в контакте колес с дорогой;
выбор, определение и получение уравнений регрессии в зависимости от передаточных чисел трансмиссии для комплексных оптимизируемых показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности при разгоне автомобиля, установившемся движении, на магистрально-холмистой дороге, в рабочем цикле по Правилам ЕЭК ООН №83, городском и магистральном циклах по ГОСТ 20306-90, а также и выбросов СО, СН, СО2, NOX отработавших газов в указанных ездовых циклах;
разработка комплекса программных средств, необходимых для поиска рациональных передаточных чисел трансмиссии автомобиля;
оценка сходимости теоретических результатов с экспериментальными данными.
Объект исследования. Трансмиссии перспективных автомобилей категории N1 производства ОАО "ГАЗ" семейства «ГАЗель».
Предмет исследования. Тягово-скоростные, топливно-экономические и экологические свойства автомобилей.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы аналитической механики, динамики неголономных систем, математического моделирования, планирования эксперимента, теории оптимизации, численные методы решения систем линейных и нелинейных дифференциальных уравнений.
Экспериментальные исследования автомобилей проводились на дорогах общего пользования, на автополигоне ОАО «ГАЗ», на стендах УКЭР ОАО «ГАЗ» с использованием специального испытательного и измерительного оборудования.
Научная новизна. При выполнении работы получены следующие новые результаты:
алгоритм выбора рациональных передаточных чисел трансмиссии на основе показателей, характеризующих эффективность работы автомобиля в ездовых циклах, на магистрально-холмистых дорогах и экологичность в нормируемых условиях;
впервые получены зависимости выбросов отработавших газов от передаточных чисел трансмиссии в городском и магистральном циклах по ГОСТ 20306-90 и рабочем цикле по Правилам ЕЭК ООН №83;
разработан комплекс программных средств, необходимый для реализации предложенной методики.
Основные положения, выносимые на защиту.
Из теоретических разработок – математическая модель автомобиля для исследования показателей эксплуатационных свойств при малом отклонении от прямолинейного движения на ровной дороге.
Из научно-методических разработок – методика поиска рациональных передаточных чисел трансмиссии.
Из научно-технических разработок – практические рекомендации по улучшению показателей эксплуатационных свойств и снижению выбросов токсичных компонентов и совершенствованию конструкций исследованных автомобилей.
Практическая ценность.
1. Разработанный комплекс программных средств позволяет определить показатели тягово-скоростных, топливно-экономических и экологических свойств в городских и магистральных циклах на дороге по ГОСТ 20306-90, а также в европейском рабочем цикле по Правилам ЕЭК ООН №83.
2. Проведен выбор различных вариантов сочетаний двигателей с трансмиссией, позволяющих расширить предлагаемое на рынках семейство автомобилей по оперативно-функциональному назначению.
3. Разработанные математические модели позволяют на различных стадиях проектирования автомобилей оценить достоинства и недостатки вариантов сочетания двигателя и трансмиссии и тем самым сократить объем и время доводочных испытаний, требующих больших материальных, финансовых и трудовых ресурсов.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Основные положения диссертационной работы использовались при выполнении НИР по гранту А04-3.18-138 «Исследование тягово-скоростных, топливно-экономических и экологических свойств автомобиля от параметров силового агрегата», проводимому в 2004 г Санкт-Петербургским государственным университетом для аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также комплекс программ внедрены и реализованы при разработке модификаций и перспективных автомобилей ОАО «ГАЗ» (г. Н. Новгород) в подразделениях УКЭР и УЦП; при разработке модификаций и перспективных автобусов ОАО «Павловский автобус» (г. Павлово); при разработке новых трансмиссий грузовых автомобилей и их модификаций в КБ автомобилей ООО «Русак» (г. Набережные Челны); в Нижегородском государственном техническом университете на кафедре «Автомобили и тракторы» в учебном процессе подготовки инженеров по специальности 190201 «Автомобиле- и тракторостроение» и магистров по направлению 190100 «Наземные транспортные системы».
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на VIII Нижегородской сессии молодых ученых (г. Н.Новгород, НГТУ, 2003 г.); на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки нижегородского региона» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2003, 2004 г.г.); на Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ, 2003 г.); на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ, 2004 г.); на Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ, 2005 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы представлены в 14 научных публикациях, в том числе 11 статьях, 2 тезисах научных докладов, 1 учебно-методической разработке.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Содержит 176 страниц основного машинописного текста, 40 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников из 190 наименований, четырех приложений на 80 страницах, включающих нагрузочные характеристики двигателей, таблицы и графики результатов расчета, протоколы испытаний и акты внедрения результатов работы.
