Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор работ по теме диссертации тягово скоростные свойства автомобиля 9
1.1. Методики расчета и выбор передаточных чисел трансмиссии 9
1.2.Тягово-скоростные свойства автомобиля 11
1.3. Расход топлива автомобилем 16
1.4. Современные требования к токсичности выхлопных газов 19
1.5. Выбор передаточного числа главной передачи 20
1.6. Оптимизация трансмиссии автомобиля 21
Постановка задач 24
ГЛАВА 2. Разработка методики выбора передаточных чисел трансмиссии с учетом показателей времени разгона, топливной экономичности и выброса вредных веществ с отработавшими газами 25
2.1. Уравнения тягово-скоростных свойств автомобиля 27
2.2. Уравнения расхода топлива автомобилем 29
2.3. Уравнения выброса вредных веществ с выхлопными газами 30
2.4 Матричная форма расчета тягово-скоростных, топливно-экономических свойств автомобиля, выброса вредных веществ с выхлопными газами в различных режимах движения автомобиля 31
2.5. Исследования тягово-скоростных, топливно-экономических свойств и выброса вредных веществ методом регрессионного анализа 36
2.5.1. Выбор факторов в регрессионном анализе 37
2.5.2 Полный факторный план исследования тягово-скоростных, топливно-экономических и экологических свойств автомобиля
2.5.3. Оценка адекватности регрессионных уравнений 41
2.6. Оптимизация передаточных чисел трансмиссии 42
2.6.1. Исследование многомерной области параметров трансмиссии пробными точками ЛПт-последовательностей 44
2.6.2. Основные определения и зависимости ЛПт-метода 45
2.6.3. Определение ЛПт-последовательности 47
2.6.4. Построение компромиссных кривых Парето при назначении функциональных ограничений на тягово-скоростные, топливно экономические и экологические свойства автомобиля 48
2.7. Методика выбора передаточных чисел главной передачи и повышающей ступени коробки передач 51
Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. Анализ показателей тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и токсичности выхлопных газов с точки зрения изменения передаточных чисел трансмиссии
3.1. Разработка программного комплекса для исследования режимов работы автомобиля в условиях городского ездового цикла.
3.1.1. Алгоритм программного комплекса 54
3.1.2. Подготовка исходных данных для работы с программным комплексом 56
3.2. Использование метода регрессионного анализа 70
3.3. Оптимизация методом Соболя-Статникова 77
3.4. Выбор передаточных чисел высших ступеней трансмиссии 80
Выводы по главе 3 86
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования легковых и грузопассажирских автомобилей малой грузоподъемности ОАО «ГАЗ» по оценке их тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и экологичности в лабораторных и дорожнывх условиях 88
4.1. Исследования тягово-скоростных свойств автомобиля 88
4.2. Исследования топливной экономичности автомобиля 95
4.3. Исследования токсичности выхлопных газов 99
4.4. Определение технико-экономических показателей двигателя 105
4.5. Сравнение расчетных и экспериментальных значений для времени разгона, расхода топлива и выброса вредных веществ
Заключение 113
Общие выводы и рекомендации 115
Приложения
- Расход топлива автомобилем
- Матричная форма расчета тягово-скоростных, топливно-экономических свойств автомобиля, выброса вредных веществ с выхлопными газами в различных режимах движения автомобиля
- Подготовка исходных данных для работы с программным комплексом
- Исследования токсичности выхлопных газов
Расход топлива автомобилем
Важным показателем, влияющим на затраты по содержанию и эксплуатации автомобиля, а значит, и на конкурентоспособность автомобиля, является расход топлива, так как при одинаковых тягово-скоростных свойствах преимущество будет у автомобиля с меньшим расходом топлива (при условии близости параметров массы и габаритных размеров).
Исследованию топливной экономичности посвящены работы А.А. Токарева [82-84], Н.Я. Говорущенко [18, 19], Н.В. Дивакова [29], а также уже упоминавшихся Я.Е. Фаробина [44], А.С. Литвинова [44] и других.
Здесь, как и в оценке тягово-скоростных свойств, нельзя обойтись единым показателем. Поэтому были разработаны и введены следующие показатели: путевой расход топлива на установившихся скоростях движения автомобиля, расход топлива в условном ездовом цикле (в том числе с учетом скоростной добавки), средний путевой расход в режиме городского и магистрального ездовых циклов, средний путевой расход при движении по магистрально-холмистой дороге. На величину расхода топлива на любых режимах влияют аэродинамические свойства. Большие работы в этом направлении проведены А.А. Токаревым [82-84], Н.А. Ефграфовым [50, 51], М.С. Высоцким [12], Е.В. Михайловским [48] и другими.
Для грузовых автомобилей основной вклад в увеличение расхода топлива создается силами сопротивления дороги и потерями мощности в трансмиссии. Крупные исследовании этого вопроса выполнены В.А. Петровым [58-60], В.А. Петрушовым [61-63], В.В. Московкиным [51-53]. Во многих работах по исследованию топливной экономичности рассматриваются факторы, влияющие на расход топлива и связанные с эксплуатацией автомобиля. Сюда относятся загрузка автомобиля, степень использования мощности двигателя, влияние дорожных условий как по коэффициенту сопротивления качения, так и по подъемам-спускам, интенсивности движения, особенностям маршрута (в городе, на трассе, в сельской местности), зимой или летом, на равнине, в горах и т. д. Значительно меньшее внимание уделено конструктивным особенностям и факторам, связанным с ними. Отдельным вопросом рассмотрен выбор передаточных чисел коробки передач и главной передачи автомобиля, кроме того, рассмотрен режим переключения передач, который существенно связан со средней скоростью движения и средним расходом топлива.
Все исследования проводятся для циклического режима движения автомобиля, но параметры этих циклов достаточно условные и отражают лишь средние условия работы: в городе - для городских автобусов, для грузовых автомобилей - характер эксплуатации автомобиля на типовых маршрутах грузовых перевозок, например, на трассе Москва-Киров, Минск-Москва и т. д. Для легковых автомобилей и грузовых автомобилей малого класса в качестве цикла принимается условный ездовой цикл Правил № 83 ЕЭК ООН.
В процессе исследований определялась средняя скорость и средний расход топлива в зависимости от указанных выше параметров, характеризующих условия движения.
Режим переключения передач при разгоне на более высоких оборотах увеличивает среднюю скорость и уменьшает средний путевой расход на цикле.
Более полное использование мощности двигателя также увеличивает среднюю скорость движения на цикла, а средний путевой расход уменьшается на скоростях ниже средней скорости на цикле и увеличивается, если скорость выше средней скорости на том же цикле. Проанализировано влияние торможения двигателем, обнаружено, что свободный выбег без торможения двигателем связан с экономией топлива, а торможение двигателем требует его определенных затрат.
С точки зрения баланса мощности выявлено, что для грузовых автомобилей свыше 60% расхода топлива связано с затратами мощности на преодоление сил сопротивления дороги, а остальные затраты падают на преодоление аэродинамических и других потерь. Для легковых автомобилей наоборот - основная часть топлива расходуется на аэродинамические потери, а остальное - на сопротивление шин и внутренние потери.
Влияние передаточных чисел на среднюю скорость и средний расход топлива на цикле является нелинейным и при увеличении передаточного числа главной передачи на грузовом автомобиле на 12% получено увеличение средней скорости на 7% , а расход топлива снижается на 6%. Однако при дальнейшем увеличении передаточного числа главной передачи расход топлива стал возрастать, а средняя скорость - снижаться.
Следует отметить, что в расчете скоростной динамики рассматривается только разгон на внешней скоростной характеристике. Однако в некоторых случаях необходимо учитывать нагрузочные характеристики с частичной нагрузкой. Это необходимо для расчета расхода топлива, а также для оценки выбросов вредных веществ. В литературе имеется крайне мало сведений об аппроксимации крутящего момента [92] при дросселировании двигателя. Имеются аппроксимирующие формулы [24, 51] по пересчету минимального удельного расхода топлива gemm к расходам на других режимах. Однако привязки к конкретным двигателям там тоже нет за исключением указания на тип двигателя.
Поэтому для моделирования расхода топлива необходимы частичные характеристики двигателя, полученные в полном диапазоне оборотов двигателя и в полном диапазоне нагрузок. В этом заключается еще одна задача данной работы.
Матричная форма расчета тягово-скоростных, топливно-экономических свойств автомобиля, выброса вредных веществ с выхлопными газами в различных режимах движения автомобиля
Отыскание такого множества возможно на основе зондирования области допустимых решений D пробными точками p.p. последовательностей. В данной работе для этой цели используются точки ЛПт-последовательностей, обладающих наилучшими характеристиками равномерности распределения. В результате такого зондирования можно получить множество /)у , состоящее из (/ пробных точек А,, принадлежащих I) и значения критериев качества Ф (А,) в этих точках при v = 1, 2, ..., т. Тогда точка АІ из Д\ называется приближенно эффективной, если не существует такой точки Aj из DN, которая была бы безусловно лучше, чем А,. Такие точки образуют в /Д множество Д приближенно эффективных точек.
Способ выделения приближенно эффективных точек сводится к следующему алгоритму. Помечается какая-либо точка А,/ из /Д. По результатам ее сравнения со всеми остальными точками из /Д исключаются все точки Ар которые безусловно хуже, чем ,Д. т.е. такие точки Д, для которых при всех V Фу(Ал) Фу(Аь) и хотя бы при одном г г(, имеет место строгое неравенство. Затем из оставшихся точек выбирается точка Л,2. Сравнивая ее со всеми оставшимися точками (включая /I,/), исключаются те из них, которые безусловно хуже чем AJ2 и т.д. После конечного числа шагов останутся только приближенно эффективные точки. При достаточно большом числе пробных точек p.p. последовательности приближенно эффективные точки будут находиться в некоторой малой окрестности эффективных точек из множества Е.
Геометрическая интерпретация порядка поиска приближенно эффективных точек показана на рис. 2.5, где рассматриваются изображения пробных точек в пространстве критериев. Выбрав точку Ац, исключаются все точки Ар образы которых попали в квадрант (в многомерном случае - ги пер квадрант) с вершиной в точке B,i - образе точки Ац.
Особый интерес для практики представляет частный случай, когда заданы два критерия качества. В этом случае множество Паретовских точек образуют в двумерном пространстве критериев компромиссную кривую. Приведенный выше алгоритм выделения множества EN приближенно эффективных точек позволяет построить приближенно компромиссную кривую, соединяющую по порядку все приближенно Паретовские точки (рис. 2.5). При достаточно большом количестве пробных точек p.p. последовательности в области допустимых решений приближенная компромиссная кривая будет практически совпадать с действительной кривой.
Компромиссные кривые в двумерном пространстве критериев являются монотонно убывающими и показывают возможное улучшение конструкции по одному из критериев качества при некотором допустимом ухудшении по другому критерию. Это позволяет при постановке задачи оптимизации несущей конструкции помимо основного критерия качества выбрать рациональные значения других критериев, используемых в качестве функциональных ограничений. При этом искомые параметры, то есть неизвестные передаточные числа находятся в множестве К и могут быть получены как некоторые нормированные координаты так называемого образа эффективной точки в множестве D.
Учитывая принятые ограничения по эксплуатационным свойствам, можно выбрать точку компромиссной кривой, которая позволяет идентифицировать переменные данной точки. Координаты данной точки находятся в таблице и соответствуют нормированным значениям передаточных чисел. Таким образом, по выбранной точке можно найти натуральные значения передаточного числа к-й передачи по следующему соотношению: ик=и{)к-ХкАХк (2.47) Эти данные хранятся вместе с координатами данной точки к и значениями передаточных чисел в опциях «Лист I, Лист 2» и другие в одном файле с рисунками точечных диаграмм.
Таким образом, используя эти данные и начальные значения нормируемых параметров, вернемся к натуральным значениям передаточных чисел трансмиссии, которая обеспечивает заданные параметры движения с учетом конструктивных и дорожных условий. В данном примере это соответствует: Ux =U{)] -At/.A-,, (2.48) U2=UQ2-AU2X2, (2.49) U3=li{):]-AU,X (2.50) Формально могут быть вычислены параметры и других передач, однако они дол лены вычисляться но другому принципу (см. п. 3.3.4). Таким образом могут быть решены все задачи выбора передаточных чисел трансмиссии.
Методика выбора передаточных чисел главной передачи и повышающей ступени коробки передач
Передаточное число главной передачи традиционно выбирается из обеспечения максимальной скорости. Однако, эта величина влияет и на другие свойства- путевой расход топлива, время разгона на высшей передаче в заданном диапазоне скоростей без переключения передач.
Для приближенной оценки главной передачи на указанные свойства применяется графо-аналитический метод исследования. С этой целью приведен график изменения этих величин в зависимости от передаточного числа главной передачи при условии движения на прямой передаче в коробке передач.
Как видно из рис. 2.6. график скорости имеет выраженный максимум и достаточно плавный характер изменения. Кривая расхода топлива снижается с уменьшением главной передачи, при этом наиболее заметное изменение происходит в зане максимальной скорости. Характеристика времени разгона уменьшается с увеличением главной передачи, при этом наиболее заметные изменения происходят на участке до максимальной скорости.
Таким образом очевидно, что одновременно невозможно улучшить все три показателя. В то же время нетрудно заметить, что изменения максимальной скорости менее значительны по сравнению с изменениями расхода топлива и времени разгона
Поэтом) целесообразно для главной передачи задать некоторое допустимое снижение скорости (в пределах 3-5%) и получить соответствующее улучшение времени разгона на прямой передаче при высокой скорости движения. Для экономии топлива целесообразно использовать повышающую передачу, передаточное число которой можно выбрать из того же графика при допустимом снижении максимальной скорости, но уже при снижении передаточного числа трансмиссии (учитывающей повышающую передач) и главную передачу). При этом получим возможность движения с максимальной скоростью как на прямой передаче, так и на повышающей при уменьшенном путевом расходе топлива, но с увеличенным временем разгона.
Таким образом, водитель, используя обе высшие передачи, имеет возможность динамично двигаться в плотном транспортном потоке или экономить топливо в режиме постоянной скорости.
Подготовка исходных данных для работы с программным комплексом
Атмосферные условия. При дорожных испытаниях АТС соблюдались следующие требования. Средняя скорость ветра, ишеренная на высоте 1 м над поверхностью дороги, не более 3 \гс (при порывах до 5 м/с). Плотность воздуха не отличалась более чем на 7,5 % от плотности воздуха, определенной для нормальных атмосферных условий (атмосферное давление Р0= 100,0 кПа (750 мм.рт.ст.). Температура воздуха Т0=293 К (20 С).
Температура воздуха не была ниже 276 К (3 С), атмосферное давление ниже 91,0 кПа и относительная влажность воздуха выше 95 %.
Методы испытании. Перед испытаниями тепловой режим агрегатов и узлов АТС был доведен до нормального установившегося состояния пробегом не менее 50 км при скорости движения не ниже 2/3 максимальной. При вынужденных просюях АТС в процессе испытаний и снижении температуры агрегатов и узлов восстанавливалось их тепловое состояние дополнительным пробегом.
Перед испытаниями было проверено отсутствие повышенных сопротивлений движению измерением п\ ги выбега со скорости 50 км ч. Результаты оценивают положительно, если П\ІЬ вы осі а не менее заданного в нормативно-технической документации.
Определение максимальной скорости. Максимальную скорость определяли на передаче, обеспечивающей достижение наибольшей устойчивой скорости движения, которая устанавливается до въезда на измерительный участок. Педаль управления полами топлива была нажата до упора. Число измерений (заездов) - не менее грех в каждом направлении. Изменение скорости в заезде не превышало 2 %. В каждом заезде определялось время прохождения измерительного участка. Разница между крайними значениями шести измерений не превышала 3 %.
Определение времени разгона на заданном пути. Время разгона на заданном пути длиной 400 и 1000 м определялось непосредственным его измерением по результатам записи режима разгона АТС с места. Замеры выполнялись в обоих направлениях движения, двукратно, непосредственно один за другим. Движение начиналось с передачи, используемой при трогании с места. Разгон выполнялся при полной подаче топлива и переключении передач при номинальной скорости (номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя) при скорости (частоте вращения), ограниченной регулятором.
Определение времени разгона до заданной скорости Время разгона до заданной скорости определялось как средняя арифметическая величина по результатам заездов по определению времени разгона на заданном пути или по кривой разгона АТС с места.
Устанавливаются следующие значения конечной скорости разгона: 100 км/ч - для АТС всех типов полной массой до 3,5 т; 80 кмч - для груювых автомобилей, автобусов (кроме городских) полной массой свыше 3.5 т и автопоездов.
Для АТС. имеющих максимальную скорость ниже заданной или выше ее не более чем на 5 кмч, принимается ближайшая меньшая скорость, кратная десяти.
Определение скоростной характеристики "разгон на передаче, обеспечивающей максимальную скорость". При определении данной характеристики район АТС выполнялся на передаче, обеспечивающей достижение максимальной скорости (высшая или предшествующая4) с минимальной скорости па злой передаче до скорости 0,9 от максимальной. Минимальную скорость устанавливали от начала измерительного участка. Применяемая передача была отражена в названии характеристики. Разгон АТС выполнялся при полной подаче топлива.
Замеры, следующие один за другим, выполнялись по одному разу в обоих направлениях движения.
Тягово-скоросшые показатели исследуемых автомобилей. Автомобиль ГАЗ-2308 "Атаман , укомплектованный согласно табл. 3.1 и двигателем 3M3-4J01 имеет, следующие пока ;агели максимальная скорость 131 км/ч; время разгона до 100 км ч - 29,0 с. время разгона на пуі и 400 м - 23,7 с. время разгона на пуіи 1000 м - 44.7 с. Автомобиль ГАЗ-32 7 "Соболь", укомплектованный согласно табл. 3.2 и двигателем ЗМЗ-4063. имеет следующие показатели: максимальная скорость 127 км ч; время разгона до 100 кмч - 32,0 с: время разгона на пупи 400 м - 24,9 с; время разгона на пути 1000 м -46.2 с.
Все эти характеристики, кроме последней, определяли при движении автомобиля по ровной горизонтальной дороге, удовлетворяющей требованиям к дороге при оценке тяі нво-скоростных свойств автомобиля.
Требования к ебьеклу испытаний по расходу топлива. Требования, предъявляемые к автомобилям при определении расхода топлива, были идентичны требованиям при определении тягово-скоростных свойств (п. 4.1), за исключением режима стендовых испытаний. Особенность здесь заключается в том, что перед стендовыми испытаниями АТС находилось в отстое не менее 6 ч при температуре воздуха 20-30 С.
Загрузка автомобиля перед испытаниями. При испытаниях применялась : полная масс;і груза для АТС полной массой свыше 3.5 т; половина массы І р\за. но не менее I 80 кг - для АТС полной массой до 3,5 т включительно; 100 кг - при определении показателей расхода топлива в условном ездовом цикле на стенде для легковых автомобилей (включая полноприводные) и автобусов (кроме полноприводпых) полной массой до 3,5 т.
В качестве груза применялся негигроскопичный балласт или натуральные грузы для грузовых автомобилей и автопоездов и манекены или балласт (мешки с сыпучими наполнителями) для легковых автомобилей и автобусов.
Балласт (манекены) был надежно закреплен. Массу водителя и контролера, а также массу оборудования и креплений включали в массу груза.
Измерительные дорожные умаслен. Измерительные дорожные участки были прямолинейными, горизонтальными, с цементно- или асфальтобетонным гладким, сухим и чистым покрытием (допустимы продольные уклоны не более 0,5 % на участках длиной не более 50 м, поперечные уклоны не более 3 %) и имели длину не менее: 1000 м для измерения контрольного расхода топлива и топливной характеристики установившегося движения; 4000 м для измерения расхода топлива в магистральном и городском цикле. Подъездные дорожные участки имели аналогичное покрытие и ДЛИНУ, достаточную для разгона и стабилизации максимальной скорое ; п А і С.
Исследования токсичности выхлопных газов
Показатели двигателя определялись при установившемся режиме работы. Установившийся режим работы - режим, при котором крутящий момент, частота вращения, температура охлаждающей жидкости, температура масла изменяются за время измерений не более чем на ±2%.
Значения крутящего момента, частоты вращения и расхода топлива определялись одновременно. В протокол вносилось среднее арифметическое значение результатов двух последовательных измерений, которые не должны отличаться одно от другого более чем на 2 %. При ручном управлении стендом продолжительность измерения расхода топлива была не менее 50 с.
Испытательный стенд и аппаратура. Испытательный стенд (рис. 4.3) был снабжен оборудованием для измерения следующих показателей: крутящего момента двигателя с точностью ±1 % для любого значения шкалы динамометра; в системе измерения крутящего момента были учтены потери на трение в системе; частоты вращения коленчатого вала с точностью ±0,5 %; расхода топлива с точностью ±1 %; температуры атмосферного воздуха на входе в двигаї ель с точностью ±1 L, температуры охлаждающей жидкости с точностью ±2 С; температуры масла с точностью ± 2"С; температуры топлива с точностью ± 2 С: барометрического давления с чочностыо х 200 ! 1а; давления масла с точностью г 20 к\ 1а; утла опережения зажигания или начала подачи топлива с точностью ± ГС поворота коленчатого вала: давления во впускном тракте двигателя с точностью ± 200 Па.
Измерению подлежтп расход картерпых І азов. Методы и правила проведение испытании. Определение рабочих показателей двшателя. При испытаниях были определены скоростные характеристики, устанавливающие зависимое і ь показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала, и нагрузочные характерне гики, устанавливающие зависимость показаіелей двигателя оа его нагрузки при постоянной частоте вращения коленчаюго вала
Скоростные характеристики были определены при полностью открытом дросселе, при включенном зажигании и подаче топлива у двигателей с искровым зажиганием, при полной подаче топлива у дизеля и при углах опережения зажа-папия или начала подачи іоплпва, указанных в технических условиях на двигатель В зависимости от укомплектованности двигателя вспомогательными \ стропе і вами и оборудованием определялась мощность нетто или мощность брутто, hcnovioi ательііі.,с устройства, не обслуживающие двигатель и оборудование. необходимые для специальных целей в условиях эксплуатации авюмобиля (например компрессоры тормозной системы, сервомеханизмы, епсісмь; кондиционирования и гид. были отключены или демонтированы при испытаниях. Іісли такое вспомогательное оборудование не могло быть отключено или демонтировано, была определена мощность, потребляемая им бе; нагр\ ;ки на всем диапазоне скоростной характеристики, и прибавлена к мощности двигателя.
При определении скоростных характеристик были выявлены точки, соответствующие минимально рабочей, поминальной и максимальной частотам вращения, установленным техническими на двигатель для мощности нетто (или для мощности брутто). часто : а.м вращения при максимальном крутящем моменте; при минимальном удельном расходе топлива и на начале срабатывания ограничителя частоты вращения
Характерном І к а ..о.шемпо хода оыоо определена ори работе двигателя без нагрузки при включенном зажигании и подаче топлива. Характеристику определяют в диапазоне частої вращения оі минимально устойчивой холостого хода до равной 60 % от /7КА для двигателей с искровым зажиганием. При определении характеристики іормоз был отсоединен от двигателя.
Нагрузочные характер!:стики были определены при постоянной частоте вращения, при включенном зажимный и подаче топлива при изменении открытия дросселя от полного до соответствующем о холостому ходу, а для дизелей - в диапазоне от максимальной /ю минимальной одачп топлива. При определении нагрузочных характеристик оыли выявлены точки, соответствующие минимальным удельным расходам гоплпв;
Условная да: ерь была определена одним из следующих способе то методом прокручивания коленчатом вала двигателя балансирной электрической машиной (при ее работе ча. \дпарном режиме); методом отключения цилиндров мри работ двиттеля с полностью открытым дросселем (для двигателей с искровым зажиганием) и с полной подачей топлива (для дизелей).
Они показываю; зависимость м :менепия часов. по расхода топлива, выбросов СО и СН от мощное І п двш ателя при изменении івврузкп. Характерне о і ка, холоетовс хода оомСвоваот зависимость часового расхода топлива, выбросов СО и СН от оборотов двюлтелх. работающего без внешней нагрузки. Условная МОІЦПОСІВ механических потер.. показывает мощность, затрачиваемую па припуигіеінпос вранюонн двпі отеля в заданном диапазоне оборотов
