НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІТОВСЬКИЙ Олег Пилипович

УДК 629.113

Підвищення техніко-експлуатаційних властивостей легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності шляхом оптимізації параметрів системи “двигун - трансмісія”

Спеціальність 05.22.02 - автомобілі і трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Автомобілі" Національного транспортного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Сахно Володимир Прохорович, Національний транспортний університет, завідувач кафедри "Автомобілі"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Долганов Кінт Євгенович, Національний транспортний університет, професор кафедри "Двигуни і теплотехніка";

кандидат технічних наук, доцент Олефір Олексій Ігорович, Національний авіаційний університет, доцент кафедри технологічного обладнання аеропортів.

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедри “Трактори і автомобілі” і “Експлуатація машинотракторного парку”, м.Київ.

Захист відбудеться 28.02.2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, Київ-10, вул. Суворова, 1.

3 дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, Київ-103, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий 25.01.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасне автомобілебудування характерне тим, що для більш повного задоволення попиту споживачів у транспортних засобах останні комплектуються як різними типами двигунів (бензиновими, газовими, дизелями), потужність яких змінюється у два і більше рази, так і різними типами трансмісій (автоматична та механічна коробка передач із різною кількістю ступенів, декілька типів головної передачі тощо). Для таких транспортних засобів на підставі оптимізації параметрів тягово-швидкісних властивостей та витрат палива автомобілем стане досконалішою комплексна оцінка їх ефективності як на стадії проектування, так і при експлуатації.

Одним із шляхів оптимізації параметрів системи "двигун  трансмісія" автомобілів є пошук рішень, які дозволили б так узгодити вихідні параметри двигуна та передаточні числа трансмісії, щоб при комплектуванні автомобіля різними типами двигунів і різними трансмісіями показники тягових властивостей автомобіля, динаміки його розганяння та певною мірою технічна швидкість були близькими між собою і знаходилися у певних допустимих межах. Для цього необхідно розробити достовірний метод визначення ряду передаточних чисел трансмісії автомобіля, який враховував би застосування двигуна різної потужності, у тому числі і дизеля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з виконанням “Програми розвитку автомобілебудування” із змінами і доповненнями, прийнятою Постановою Кабінету Міністрів України від 29.09.1998 р., протокол №34, у частині, що стосується розробки легкових автомобілів малого класу, та держбюджетної теми "Дослідження механіки та енергетики автомобілів і автопоїздів”, що виконувалася у 1996…2000 р.р. кафедрою “Автомобілі” Національного транспортного університету.

Метою роботи є розробка методики визначення передаточних чисел трансмісії автомобіля на основі порівняльного аналізу основних показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності та розробка практичних рекомендацій щодо їх поліпшення.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлені та вирішені такі задачі:

- розробити комплекс показників тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності, їх математичну модель та методику обгрунтування раціональних параметрів системи “двигун  трансмісія” автомобіля;

- розробити методику визначення передаточних чисел трансмісії легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності різного призначення;

- визначити методом чисельного експерименту з використанням ПЕОМ раціональні співвідношення між передаточними числами трансмісії для автомобілів із різними типами двигунів;

- провести випробування автомобілів з перевіркою їх експлуатаційних властивостей;

- узагальнити техніко-економічні показники використання різних типів двигунів для автомобілів малого класу підвищеної прохідності та пропозиції щодо обладнання ними автомобілів різного призначення.

Об'єктом досліджень є система “двигун-трансмісія” легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності.

Предметом досліджень є параметри механіки руху автомобілів із різними типами двигунів, показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів в залежності від конструктивних параметрів трансмісії та методика визначення ряду передаточних чисел трансмісії автомобіля.

Методи досліджень передбачали математичне моделювання усталеного та неусталеного рухів автомобіля, багатоваріантні розрахунки на ПЕОМ показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів із стандартною та модернізованою трансмісіями і експериментальне визначення як цих показників, так і показників екологічності для автомобілів малого класу підвищеної прохідності.

Наукову новизну результатів досліджень складають:

-- методика аналізу взаємозв'язків між базовими конструктивними параметрами автомобілів малого класу підвищеної прохідності та їх тягово-швидкісними властивостями і паливною економічністю;

-- комплекс показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності, їх математична модель та методика обгрунтування раціональних параметрів системи "двигун  трансмісія" автомобілів малого класу підвищеної прохідності;

-- методика визначення передаточних чисел трансмісії автомобіля, що забезпечує необхідні показники як розгону на нижчих передачах, так і паливної економічності на вищих передачах.

Достовірність результатів підтверджується:

-- коректним використанням методів теорії автомобіля для визначення вихідних положень і складання рівнянь руху автомобілів малого класу підвищеної прохідності;

-- адекватністю результатів математичного моделювання і визначення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів чисельними методами експериментальним даним, які отримані при випробуваннях автомобілів малого класу підвищеної прохідності.

Практичне значення одержаних результатів досліджень складають:

-- методика визначення передаточних чисел трансмісії автомобілів малого класу підвищеної прохідності, за допомогою якої показано, що одним із шляхів підвищення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів із різними типами двигунів є встановлення в їх трансмісіях коробок передач, передаточні числа яких підібрані таким чином, що забезпечуються необхідні показники як розгону на нижчих передачах, так і паливної економічності на вищих передачах.

-- методики експериментального визначення показників тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності і екологічності автомобілів малого класу підвищеної прохідності.

Матеріали дисертаційної роботи прийняті до впровадження Луцьким автомобільним заводом при розробці сімейства автомобілів, до якого входить стандартний вантажопасажирський автомобіль, вантажний, вантажний з подовженою кабіною, поштовий фургон, "швидка допомога", модифікації з дизелем тощо.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено:

- комплекс та методика аналізу взаємозв'язків між базовими конструктивними параметрами легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності і показниками техніко-експлуатаційних властивостей автомобіля, за допомогою яких проаналізовано вплив передаточних чисел трансмісії як на показники тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності автомобіля;

- методика визначення передаточних чисел трансмісії автомобілів малого класу підвищеної прохідності, в основу якої покладена багатокритеріальна оптимізація ряду передаточних чисел трансмісії. За допомогою розробленої методики показано, що одним із шляхів підвищення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів із різними типами двигунів є встановлення в їх трансмісіях коробок передач, передаточні числа яких підібрані таким чином, що забезпечуються необхідні показники як розгону на нижчих передачах, так і паливної економічності на вищих передачах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на конференціях професорсько-викладацького складу Національного транспортного університету (м.Київ, 1998, 1999 р.р.), на міжнародних науково-технічних конференціях "Удосконалення конструктивних та експлуатаційних показників автомобілів і дорожніх машин (м.Київ 1999, 2000 р.р.), “Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych” (Польща, Жешув, 2000, 2001 р.р.), "Новые технологии в машино-, приборостроении и на транспорте" (м.Севастополь, 2000 р.), "Авіа – 2001" (м.Київ, 2001 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи висвітлені у дев'яти друкованих роботах, з яких п'ять у фахових виданнях ( одна - в науковому журналі, 4 – в збірниках наукових праць) та 4 - в матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 112 найменувань. Повний об'єм дисертації становить 145 сторінки, з них 120 сторінок основного тексту, 17 рисунків на 8 сторінках, 20 таблиць на 6 сторінках, список використаних джерел на 10 сторінках, додаток на 1 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, формулюються мета і задачі досліджень.

Перший розділ присвячений огляду та аналізу показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля та їх взаємозв'язок з передаточними числами трансмісії автомобіля.

На сьогодні в типаж Луцького автомобільного заводу входить стандартний вантажопасажирський автомобіль, вантажний, вантажний з подовженою кабіною, поштовий фургон, "швидка допомога", модифікації з дизелем тощо. Всі ці автомобілі комплектуються бензиновими двигунами від "Таврії", у перспективі дизелями ВАЗ-345 та Ломбардіні, а також бензиновими двигунами ВАЗ. Проте, як показали проведені раніше дослідження, передаточні відношення коробок передач автомобілів ЛуАЗ навіть з двигуном МеМЗ-245 не є оптимальними, а із розширенням функціональних можливостей автомобіля і обладнанням його різними типами двигунів ця проблема ще більш ускладнюються. Всі ці обставини і знайшли своє відображення в задачах дослідження, зокрема при розробці методики визначення передаточних чисел трансмісії легкового автомобіля підвищеної прохідності малого класу різного призначення.

Другий розділ присвячено аналізу існуючих законів та методик вибору передаточних відношень трансмісії автомобіля.

В табл. 1 наведені значення передаточних відношень коробки передач, що визначені за різними законами та методиками.

Таблиця 1

Передаточні числа коробки, визначені за різними методиками вибору передаточних відношень

Закон або методика Передаточні відношення коробки передач

u1 u2 u3 u4 u5

Геометрична прогресія 6,331 3,991 2,516 1,586 1,00

Арифметична прогресія 6,331 2,714 1,727 1,267 1,00

Гармонічний ряд 6,331 4,221 2,109 1,297 1,00

Динамічний ряд 6,331 4,00 2,00 1,333 1,00

Методика І.К.Даценко 6,331 3,051 1,685 1,219 1,00

Методика Зейбака Ахмеда 6,331 3,795 1,975 1,370 1,00

Методика Г.М.Шепеленко 6,331 2,454 1,686 1,264 1,00

Методика Л.Г. Аніскіна і Х.Д.Квітко 6,331 4,317 2,876 1,340 1,00

Методика А.А.Токарєва 6,331 2,504 1,560 1,130 1,00

Методика М.М. Пилипчука: нижчий ряд вищий ряд 6,331 2,410 4,690 1,930 3,610 1,542 2,890 1,233 2,627 1,00

Аналіз даних табл. 1 показує, що передаточні числа коробки передач, що визначені за різними законами і методиками, різняться на всіх передачах, проте найбільш суттєво ѕ на другій і третій передачах.

Розглянуті закони і методики забезпечують окремі високі показники техніко-експлуатаційних властивостей у конкретних умовах експлуатації. Тому прийняти будь-який закон за основу вибору передаточних чисел є недоречним і такий вибір слід розглядати як задачу багатокритеріальної оптимізації, для чого необхідно розробити комплекс критеріїв та методику аналізу взаємозв'язків між базовими конструктивними параметрами легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності і показниками тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля.

У нормативних документах та технічній літературі на сьогодні немає єдиних критеріїв і показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля, проте в теорії автомобіля і на практиці застосовуються різні види швидкісних характеристик і такі параметри як максимальний підйом, що долається автомобілем, прискорення при розгоні, сила тяги на гаку, середня швидкість руху автомобіля в заданих дорожньо-експлуатаційних умовах.

Показники тягово-швидкісних властивостей, окрім середньої швидкості руху, визначені шляхом розв'язку диференціального рівняння руху автомобіля:

,

де - повна маса автомобіля (автопоїзда), кг; - коефіцієнт, який ураховує обертові маси автомобіля; - повна колова сила на ведучих колесах автомобіля, Н; - сума сил опору руху автомобіля, які залежать від швидкості його руху, Н; - сила опору підйому, Н; - сила тяжіння від повної маси автомобіля, Н; - кут поздовжнього нахилу полотна дороги; - швидкість руху автомобіля, м/с; - прискорення автомобіля, м/с2.

Середня швидкість визначається шляхом співставлення опорів руху та можливостями автомобіля на кожній із передач. Тому розв'язок задачі визначення середньої швидкості автомобіля можна шукати на основі співставлення сил опору руху та тягових сил, які може розвинути автомобіль на ведучих колесах.

Розв'язання поставленої задачі складається із розгляду таких послідовних питань: визначення опору коченню та сумарного опору дороги;  визначення довжини ділянок дороги, які долаються на кожній передачі; визначення часу руху на кожній із передач; визначення середньої швидкості автомобіля на заданому маршруті.

Залежно від вихідних даних щодо коефіцієнту дорожнього опору руху автомобіля можливо використовувати дискретні або імовірнісні методи розрахунку середньої швидкості руху автомобіля.

При дискретному методі розрахунку необхідно мати таблицю значень коефіцієнтів опору дороги та відповідні їм значення довжини ділянок маршруту . Якщо використовують імовірнісні методи розрахунку, що використовувалися у даній роботі, то величини опору руху визначають на основі даних про маршрут та описують нормальним законом розподілу коефіцієнта опору дороги по довжині шляху.

Середня швидкість руху автомобіля визначалася за виразом

,

де - коефіцієнт, який ураховує тип закону розподілу швидкості на передачі; - питома потужність автомобіля; - питома сила тяги на і-ій передачі при роботі двигуна в режимі максимальної потужності, - шлях руху автомобіля на і-ій передачі; – відносний шлях руху автомобіля на і-ій передачі; - механічний к.к.д. трансмісії автомобіля.

Для оцінки паливної економічності автомобіля прийняті наступні показники: контрольна витрата палива, витрата палива у магістральному їздовому циклі на дорозі, витрата палива у міському їздовому циклі на дорозі, паливна характеристика усталеного руху, загальна витрата палива з урахуванням руху автомобіля зі швидкостями 90 км/год і в міському їздовому циклі.

Для розрахункового визначення показників паливної економічності автомобіля використана методика, що запропонована Я.Є.Фаробіним. Спочатку визначалася витрата палива при неусталеному режимі руху автомобіля і повному використанні потужності двигуна за виразом

,

де – постійні коефіцієнти полінома, що описує величину прискорення автомобіля ; – постійні коефіцієнти полінома, що описує секундну витрату палива автомобіля.

Витрата палива при усталеному русі автомобіля і повному використанні потужності двигуна визначалася за формулою

,

де – постійні коефіцієнти полінома, що описує годинну витрату палива двигуном автомобіля; – радіус кочення колеса; – передаточне число трансмісії; - густина палива.

При сталій швидкості руху витрата палива при частковому навантаженні двигуна визначалася за формулами:

; ,

де KQ – коефіцієнт, що встановлює зв'язок між годинною витратою палива при частковій і повній подачах палива для досліджуваного діапазону кутових швидкостей вала двигуна; – коефіцієнт використання потужності двигуна.

Контрольна витрата палива і паливна характеристика усталеного руху визначаються одночасно, зважаючи на те, що величина контрольної витрати палива є однією з точок паливної характеристики усталеного руху.

Середня витрата палива на заданому маршруті визначалася за формулою

,

де - густина палива; - середня витрата палива на і-ій передачі; - відносний шлях руху автомобіля на і-ій передачі; - середня швидкість руху автомобіля на і-ій передачі.

Показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів із різними типами двигунів і передаточними відношеннями коробки передач визначалися на ПЕОМ за допомогою програмного забезпечення, розробленого кафедрою "Автомобілі" Національного транспортного університету.

У третьому розділі розроблена методика визначення передаточних чисел трансмісії легкового автомобіля малого класу підвищеної прохідності.

Оптимальні передаточні відношення або закон вибору передаточних відношень будуть визначатися як умовами експлуатації автомобіля, так і показниками тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності. Оскільки названі характеристики оцінюють за багатьма критеріями, то слід установити перелік цих критеріїв для кожної з модифікацій розглянутих машин та ступінь важливості кожного із них. За обраних вихідних умов передаточні відношення першої і останньої передач для усього сімейства будуть однаковими, бо максимальна швидкість руху будь-якого автомобіля із ряду, що розглядається, визначається за його енергетичними можливостями (при майже однаковій масі усіх автомобілів максимальну швидкість можна прийняти однаковою); максимальний опір руху, що долається автомобілем, також однаковий для усього сімейства. Тобто, для п'ятиступеневої коробки передач, що встановлюється на автомобілі сімейства ЛуАЗ, мова йде про вибір передаточних відношень другої-четвертої передач.

При виборі критеріїв для оцінки передаточних відношень трансмісії необхідно добиватися того, щоб абсолютні значення критеріїв були одного порядку, бо в противному випадку один із критеріїв може перевищити всі останні, а це, в свою чергу, не забезпечить оптимальних показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля. У зв'язку з цим для оцінки тягово-швидкісних властивостей автомобіля були прийняті наступні критерії: - коефіцієнт , що представляє собою відношення середньоефективної швидкості руху до середньої арифметичної ; - критерій , який є відношенням показника динамічності реального автомобіля до показника динамічності ідеального автомобіля; - максимальне прискорення на другій передачі; - максимальне прискорення на передостанній передачі; - максимальний долаємий опір дороги на другій передачі; - максимальний долаємий підйом на передостанній передачі; - максимальна питома тягова сила на другій передачі; - максимальна питома тягова сила на передостанній передачі; - відношення середньої швидкості руху в заданих умовах експлуатації до максимальної швидкості; - контрольна витрата палива в л/10 км; - середня витрата палива в л/10 км у заданих умовах експлуатації; - витрата палива в л/10 км при швидкості 60 км/год; - витрата палива в л/10 км при швидкості 90 км/год.

За результатами розрахунків обрані критерії для вантажопасажирського автомобіля, обладнаного двигуном МеМЗ-245, і коробкою передач, передаточні числа якої обрані, наприклад, за законом геометричної прогресії, склали: K1=0,532; К2=1,961Ч10-2; К3=2,011; К4=0,921; К5=0,395; К6=0,131; К7=0,403; К8=0,145; К9=0,604; Q1Ч10-1=0,8911; Q2Ч10-1=1,021; Q3Ч10-1=0,9711; Q4Ч10-1=1,041

Зауважимо, що вибрані критерії не є обов'язковими для всіх автомобілів сімейства Луцького автомобільного заводу і в залежності від цілей, які ставить перед собою дослідник і умов експлуатації, ці критерії можуть змінюватися. Проте, при таких обраних критеріях, як показує аналіз, критерії повинні досягати свого максимального значення, а критерії – свого мінімального значення. Кожний із перерахованих критеріїв є функцією передаточних відношень коробки передач, тобто і . При цьому для різних рядів передаточних відношень ці критерії будуть різними.

Для автомобіля, що розглядається, найбільш важливими є такі критерії: із тягово-швидкісних - , а із паливної економічності - і .

Якби усі критерії і залежали б тільки від передаточного відношення однієї передачі, то передаточне число кожної передачі слід було б шукати як число, яке задовольняє комплексному показнику, що враховує мінімуми функцій i максимуми функцій з урахуванням вагомості кожного із критеріїв. Це був би одномірний, добре вивчений пошук, який дозволив би визначити чи то оптимальні передаточні числа ряду, чи то закон, який найбільш повно відображає вимоги до передаточних відношень коробки передач. Проте для реального автомобіля і реальних умов експлуатації показники як тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності залежить не тільки від одного конкретного передаточного відношення ряду, а і від суміжних. Це перетворює пошук екстремуму функції із одномірного у багатовимірний, що є досить складною задачею, для розв'язку якої у кожному конкретному випадку доводиться складати свою програму пошуку. Її можна спростити, якщо прийняти до уваги розглянуті закони і методики вибору передаточних чисел коробки передач, які забезпечують оптимальні показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля у певних умовах експлуатації.

Так, для вантажопасажирського автомобіля значення критеріїв оптимізації, які визначені на основі аналізу умов експлуатації, склали: K1=0,05; К2= 0,15; К3=0,05; К4=0,10; К5=0,05; К6=0,05; К7=0,03; К8=0,07; К9=0,10; Q1=0,05; Q2=0,10; Q3=0,15; Q4=0,05.

З урахуванням питомої ваги і важливості кожного із критеріїв визначимо узагальнюючий критерій оптимальності – цільову функцію К.

У загальному вигляді цільова функція визначається як

де - порядкові номера окремих критеріїв тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності відповідно; - число прийнятих критеріїв; , якщо мінімізується значення окремого критерію (наприклад, витрата палива автомобілем при швидкості 90 км/год); , якщо максимізується значення окремого критерію (наприклад, величина прискорення на передостанній передачі).

Як приклад, в табл. 3 наведені значення обраних критеріїв оптимальності для автомобіля ЛуАЗ із двигуном МеМЗ-245.

У якості оптимальних приймаємо закон або методику визначення оптимальних передаточних чисел коробки передач, що відповідають мінімальному значенню цільової функції.

В табл. 3 наведені значення цільової функції для усіх прийнятих законів і методик визначення передаточних чисел коробки передач, які отримані за допомогою програмного забезпечення Mathcad 8.

При детальному аналізі усіх наведених показників було встановлено, що оптимальні передаточні відношення коробки передач слід шукати шляхом корекції закону геометричної прогресії за рахунок зближення верхніх ступенів, що підтверджується відомими положеннями теорії автомобіля. При цьому для автомобіля, що розглядається, передаточні числа коробки передач склали: = 6,331; = 3,991; = 1,727; = 1,267; = 1,0.

Запропоновані передаточні числа трансмісії є також оптимальними і в разі обладнання автомобілів ЛуАЗ двигунами ВАЗ - 2103, ВАЗ – 2108 і ВАЗ – 345.

Ці передаточні числа забезпечують високі показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля в умовному усталеному режимі роботи двигуна. Для остаточного вибору ряду передаточних чисел .

Таблиця 2

Значення критеріїв оптимальності для ЛуАЗ-1302 із двигуном МеМЗ-245

Пара-метри Закони вибору передаточних чисел трансмісії автомобіля

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

K1 0,53 0,52 0,53 0,50 0,59 0,51 0,53 0,51 0,50 0,56

K2ґ10-2 1,96 1,97 1,96 1,97 1,94 1,97 1,98 2,01 1,97 2,98

K3 2,01 2,03 1,76 2,02 1,87 2,00 1,87 2,02 1,65 1,97

K4 0,92 0,64 0,49 0,63 0,44 0,66 0,96 0,78 0,50 1,53

K5 0,40 0,42 0,26 0,40 0,39 0,40 0,23 0,44 0,24 0,47

K6 0,13 0,11 0,11 0,11 0,10 0,11 0,10 0,11 0,09 0,28

K7 0,40 0,43 0,27 0,41 0,38 0,38 0,24 0,44 0,25 0,48

K8 0,15 0,11 0,11 0,11 0,10 0,12 0,11 0,12 0,09 0,18

K9 0,60 0,63 0,64 0,65 0,63 0,64 0,65 0,60 0,64 0,67

Q1ґ10-1 0,89 0,87 0,86 0,89 0,84 0,90 0,87 0,89 0,81 0,82

Q2ґ10-1 1,02 1,04 1,02 1,06 1,00 1,09 1,02 1,06 0,98 0,98

Q3ґ10-1 0,97 0,90 0,89 0,92 0,87 0,90 0,97 0,92 0,83 0,87

Q4ґ10-1 1,04 0,93 0,93 0,93 0,92 0,92 0,93 0,93 0,90 0,90

Примітка. 1 – закон геометричної прогресії; 2 – закон гармонічного ряду; 3 – закон арифметичної прогресії; 4 – методика І.К.Даценко; 5 – закон динамічного ряду; 6 – методика Зейбака Ахмеда; 7 – методика Г.М.Шепеленко; 8 – методика Л.Г.Аніскіна і Х.Д.Квітко, 9 - методика О.А.Токарєва, 10 - методика М.М.Пилипчука.

Таблиця 3

Значення цільової функції для прийнятих законів і методик визначення передаточних чисел коробки передач

Критерії оптимальності Закони вибору передаточних чисел трансмісії автомобіля

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Двигун МеМЗ - 245

еKі 0,27 0,25 0,21 0,25 0,20 0,24 0,26 0,26 0,20 0,36

еQі 0,34 0,33 0,33 0,33 0,32 0,34 0,33 0,33 0,31 0,31

K 0,07 0,08 0,12 0,09 0,12 0,09 0,07 0,07 0,11 -0,05

Двигун МеМЗ – 246

еKі 0,25 0,23 0,19 0,22 0,19 0,23 0,23 0,26 0,18 0,32

еQі 0,33 0,33 0,32 0,33 0,32 0,33 0,33 0,33 0,31 0,30

K 0,08 0,10 0,14 0,11 0,13 0,10 0,09 0,09 0,11 -0,01

Двигун "Ломбардіні"

еKі 0,23 0,21 0,18 0,19 0,21 0,21 0,23 0,22 0,17 0,31

еQі 0,23 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,22 0,21 0,19

K 0,002 0,040 0,033 0,030 0,014 0,009 -0,01 -0,01 0,038 -0,12

необхідно розглянути рух автомобіля і при неусталеному режимі роботи двигуна або промоделювати рух автомобіля у міському циклі. З цією метою була використана математична модель руху автомобіля з бензиновим двигуном за їздовим циклом, розроблена на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Національного транспортного університету і адаптована для автомобіля ЛуАЗ

За режимами руху автомобіля у міському циклі на математичній моделі визначаються параметри роботи двигуна, розраховуються витрата палива та шкідливі викиди на кожній ділянці їздового циклу і в циклі в цілому.

Зважаючи на те, що основним типом двигуна для автомобілів, що розглядаються, залишаються двигуни Мелітопольського моторного заводу, то розглянемо особливості моделювання режимів руху автомобіля ЛуАЗ-1302 з карбюраторним двигуном МеМЗ-245 і двигуном МеМЗ-246 з системою впорскування бензину (моновпорскування Siemens).

В табл. 4 наведені результати досліджень економічних і екологічних показників автомобіля ЛуАЗ-1302 з двигуном МеМЗ-245 зі стандартними передаточними числами коробки передач та оптимальними передаточними числами, при русі за міським та магістральним циклами.

Як видно з таблиці, рекомендовані передаточні числа коробки передач зменшують час виконання їздових циклів та збільшують середні швидкості руху автомобіля. Як в міському, так і в магістральному циклах зменшується питома витрата палива, але питомі викиди шкідливих речовин змінюються неоднозначно. В міському циклі зміна передаточних чисел веде до незначного зменшення питомих викидів всіх шкідливих компонентів і сумарної токсичності SCO в цілому, а в магістральному циклі - зменшуються викиди продуктів неповного згоряння СО і СmHn, але при цьому зростають викиди NOx і, як наслідок, збільшується сумарна токсичність.

Суттєвого поліпшення екологічних показників автомобіля ЛуАЗ можна досягти при оснащенні його двигуном з системою впорскування палива та системою нейтралізації відпрацьованих газів. Як показали розрахунки, оснащення автомобіля двигуном МеМЗ-246 системами впорскування палива та нейтралізації відпрацьованих газів зменшує викиди у циклах СО на 88,7…89,8%, СmHn - на 74,2…78,9%, NOx – на 68,5…69,8%, але при цьому збільшується витрата палива автомобілем на 9,0..9,1%.

Таблиця 4

Економічні та екологічні показники автомобіля ЛуАЗ-1302

з двигуном МеМЗ-245

Показники Міський цикл Магістральний цикл

Стандартний ряд Оптималь-ний ряд Стандартний ряд Оптималь-ний ряд

Час виконання їздового циклу, с 464.5 451,3 244.9 238,3

Середня швидкість за цикл, км/г 31.0 32,9 58.9 61,1

Витрата палива, г/км 67.0 64,7 54.6 53,9

Викиди,г/км:

Со 12.0 11,95 5.42 3,65

СmНn 1.83 1,79 0.74 0,68

Nox 2.36 2,34 2.86 2,98

SCo 114.8 113,7 125.2 137,3

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень.

Мета експериментальних досліджень полягала у визначенні економічних та екологічних показників різних типів двигунів в експлуатаційному діапазоні навантажувальних та швидкісних режимів та в оцінці впливу різних типів двигунів на показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності легкового автомобіля малого класу підвищеної прохідності. При цьому в задачі експериментальних досліджень входили:

1. Визначення швидкісних зовнішніх характеристик бензинових двигунів МеМЗ-245, МеМЗ-246 та дизеля Ломбардіні, швидкісних характеристик самостійного і примусового холостого ходу, серії навантажувальних характеристик двигунів в режимах з частотами обертання 1800, 2300, 2800 хв-1.

2. Визначення показників тягово-швидкісних властивостей автомобілів із різними типами двигунів та одним і тим же типом трансмісії.

3. Визначення паливних характеристик усталеного руху автомобіля ЛуАЗ-1302 з різними типами двигунів та одним і тим же типом трансмісії.

Швидкісні і навантажувальні характеристики двигунів визначались згідно ГОСТ 14846-81. Дорожні випробування автомобіля підвищеної прохідності ЛуАЗ-1302 проводились згідно ГОСТ 22576-90 і ГОСТ-20306-90.

Об'єктами стендових досліджень були бензинові двигуни МеМЗ-245 і МеМЗ-246 та дизель Ломбардіні. Стендові дослідження двигунів проводилися на стенді VSETIN, який обладнаний приладами, які дозволяють автоматично управляти частотою обертання та крутним моментом.

Оцінка тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля ЛуАЗ-1302 з різними двигунами проводилась при дорожніх випробуваннях за допомогою комплекту приладів PEISELER (ФРН), в який входять центральний процесор VTS-WOLFBURG- PEISELER, оператор-дисплей PEISELER, п'яте колесо PEISELER з датчиком шляху LD75KD і витратомір палива PIERBURG PLU-116H.

Основні прилади і методи вимірювань, які використовувались під час стендових і дорожніх випробовувань, відповідали вимогам ГОСТ 14846-81.

За результатами дослідження двигунів МемЗ-245 та МеМЗ-246 було встановлено, що максимальна потужність Ne двигуна з системою впорскування палива дещо більша (на 2,6%) потужності карбюраторного двигуна, в той час як максимальні значення крутного моменту Me одинакові. Питома витрата палива двигуна з системою впорскування значно вища на низьких частотах, вирівнюється в зоні частот обертання nд=3000…4000 хв-1 і знову збільшується в порівнянні з питомою витратою карбюраторного двигуна на частотах, більших nд=4500 хв-1.

При дорожніх випробуваннях автомобілів із різними типами двигунів було встановлено, що значення максимальної швидкості, часу розганяння на шляху 400 і 1000 м, часу розганяння до швидкості 90 км/год, шляху і часу розганяння на четвертій передачі задовільно співпадають із розрахунковими.

Паливні характеристики усталеного руху автомобіля ЛуАЗ-1302 з двигунами МеМЗ-245 і МеМЗ-246 показані на рис. 1. Для автомобіля з двигуном МеМЗ-246 оцінювалась витрата палива при оснащенні системою нейтралізації відпрацьованих газів і без неї. Як видно з рисунка, витрата палива автомобіля з двигуном, оснащеним системою впорскування палива на 1…4,4% більше, ніж витрата палива автомобіля з карбюраторним двигуном. Установка нейтралізатора призводить до додаткового збільшення витрати палива на 3,6…5,5% .

Співставленням результатів аналітичних і експериментальних досліджень показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів із різними типами двигунів (максимальна похибка розрахунків не перевищила 7,9%) доведена адекватність розроблених математичних моделей для визначення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля, а також і для визначення передаточних чисел коробки передач.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Практика світового автомобілебудування свідчить про те, що подальший розвиток будь-якого виробництва пов'язаний з освоєнням і випуском автомобілів різного призначення, які відрізняються між собою не тільки конструкцією кузова (кабіни), а і типом і літражем його двигуна, передаточними відношеннями трансмісії, конструкцією підвіски, гальмівної системи і других вузлів і систем. Це стосується і Луцького автомобільного заводу, в типаж автомобілів якого входить стандартний вантажопасажирський автомобіль, вантажний, вантажний з подовженою кабіною, поштовий фургон, "швидка допомога", модифікації з дизелем тощо. На сьогодні ці автомобілі комплектуються двигунами від "Таврії", у перспективі дизелями ВАЗ-345 та Ломбардіні, а також бензиновими двигунами ВАЗ. Проте, як показали проведені раніше дослідження, передаточні відношення коробок передач автомобілів ЛуАЗ навіть з двигуном МеМЗ-245 не є оптимальними, а із розширенням функціональних можливостей автомобіля і обладнання його різними типами двигунів ця проблема ще більш ускладнюються.

2. Розроблені комплекс показників та методика аналізу взаємозв'язків між базовими конструктивними параметрами легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності і його техніко-експлуатаційними властивостями, за допомогою яких проаналізовано вплив передаточних чисел трансмісії як на показники тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності автомобіля. Показано, що ні один із законів, і ні одна із методик не забезпечують одночасно кращі показники як тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності.

3. Показано, що оптимальні передаточні відношення або закон вибору передаточних відношень трансмісії визначаються як умовами експлуатації автомобіля, так і показниками тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності. Оскільки названі характеристики оцінюють за багатьма критеріями, то було встановлено перелік таких критеріїв для кожної з модифікацій розглянутих машин та ступінь важливості кожного із них. При цьому було враховано, що абсолютні значення критеріїв повинні бути одного порядку, бо в противному випадку один із критеріїв може перевищити всі останні, а це, в свою чергу, не забезпечить оптимальних показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля.

4. Розроблена методика визначення передаточних чисел трансмісії автомобілів малого класу підвищеної прохідності різного призначення, в основу якої покладена багатокритеріальна оптимізація ряду передаточних чисел трансмісії. За допомогою розробленої методики показано, що одним із шляхів підвищення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів із різними типами двигунів є встановлення в їх трансмісіях коробок передач, передаточні числа яких підібрані таким чином, що забезпечуються необхідні показники як розгону на нижчих передачах, так і паливної економічності на вищих передачах. Так, для вантажопасажирського автомобіля передаточні числа оптимального ряду склали: =6,331; =3,991; =1,727;=1,267;=1,0. Ці передаточні числа забезпечують високі показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля як з двигуном МеМЗ-245, так і двигунами ВАЗ і дизелем Ломбардіні.

5. При моделюванні руху автомобіля ЛуАЗ з базовим двигуном МеМЗ-245 у міському циклі показано, що рекомендовані передаточні числа коробки передач зменшують час виконання їздових циклів та підвищують середні швидкості руху автомобіля. Як в міському, так і в магістральному циклах дещо зменшується питома витрата палива, але питомі викиди шкідливих речовин змінюються неоднозначно. В міському циклі оптимальний ряд передаточних чисел веде до незначного зменшення питомих викидів всіх шкідливих компонентів і сумарної токсичності SCO в цілому, а в магістральному циклі - зменшуються викиди продуктів неповного згоряння СО і СmHn, але при цьому зростають викиди NOx і, як наслідок, збільшується сумарна токсичність.

Оснащення автомобіля, що розглядається, двигуном МеМЗ-246 з системами впорскування та нейтралізації відпрацьованих газів збільшує витрату палива автомобіля в циклах на 9,0..9,1%, але при цьому зменшуються викиди СО на 88,7…89,8%, СmHn - на 74,2…78,9%, NOx – на 68,5…69,8%.

6. Співставленням результатів експериментальних досліджень і розрахунків за різними математичними моделями доведено, що диференціальне рівняння руху, рівняння витрати палива і математичну модель неусталеного руху доцільно використовувати при визначенні показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів на міських маршрутах (похибки розрахунків для різних передаточних чисел коробок передач не перевищують відповідно для показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності 12,4 і 11,1%). При визначенні середньої швидкості руху і середньої витрати палива у позаміських умовах доцільно використовувати модель, для якої опір дороги задається ймовірнісним законом розподілу (похибка у розрахунках не перевищує відповідно 10,2% і 12,5% при значному скороченні машинного часу у порівнянні з іншими моделями).

7. Розроблена методика експериментальних досліджень економічних та екологічних показників для оцінки впливу різних двигунів на тягово-швидкісні, економічні та екологічні показники автомобіля з перевіркою їх експлуатаційних властивостей. Наведеними результатами експериментів доведена доцільність модернізації трансмісії легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності шляхом використання для них коробок передач з оптимальними передаточними числами згідно з наведеними у дисертації рекомендаціями.

8. Результати досліджень впливу передаточних чисел трансмісії на показники тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності, а також методика визначення оптимальних передаточних чисел трансмісії автомобіля прийняті до впровадження Луцьким автомобільним заводом для створюваного ряду автомобілів різного призначення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сітовський О.П. Паливна економічність легкових автомобілів малого класу //Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту i експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Випуск 9.-Київ, УТУ, ТАУ. – 2000. –С.99-103.

2. Сітовський О.П. До питання застосування економічного ряду передаточних чисел трансмісії для легкового автомобіля малого класу підвищеної прохідності //Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту i експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Випуск 11.-Київ, УТУ, ТАУ. – 2001. –С.78-82.

3. Сахно В.П., Міщенко М.І., Філіпова Г.А., Шарай С.М., Сітовський О.П. До визначення передаточних чисел трансмісії автомобіля малого класу підвищеної прохідності //Вісник ТАУ, УТУ. - Київ. -2000. - N4.- С. 200-206.

4. Сахно В.П., Матейчик В.П., Сітовський О.П. Економічні та екологічні показники автомобілів ЛуАЗ з різними типами двигунів //Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник ЦНЦ ТАУ. –2001. - №4. - С.27-30.

5. Міщенко М.І., Сітовський О.П. До порівняльної оцінки показників тягово-швидкісних властивостей автомобілів ЛуАЗ-969М та ЛуАЗ-1302 //Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту i експлуатації автомобілів. Збірник наукових праць. Випуск 12. -Київ, УТУ, ТАУ. - 2001. –С.116-121.

6.Сахно В.П., Сітовський О.П. До вибору типу двигуна для автомобіля ЛуАЗ за показниками паливної економічності /Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. //Materialy XІ Sympozjum pod redakciq Kazimierza Lejdy. - Rzeszow. - 2000. - C.257-263.

7. Матейчик В.П., Грищук О.К., Сітовський О.П. До вибору системи живлення бензинового двигуна для автомобіля підвищеної прохідності /Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych. //Materialy XII Sympozjum pod redakciq Kazimierza Lejdy. – Rzeszow. - 2001. - С.185-189.

8. Сахно В.П., Сітовський О.П. Шляхи підвищення показників тягово-швидкісних властивостей легкового автомобіля підвищеної прохідності малого класу /Новые технологии в машино-, приборостроении и на транспорте: Материалы международной научно-технической конференции, 10-14 сентября 2001. – Севастополь: Изд-во СевГТУ, 2001.- С.351-354.

9. Сахно В.П., Сітовський О.П. До визначення передаточних чисел коробки передач легкового автомобіля підвищеної прохідності малого класу/АВІА –2001. ІІІ Міжнародна наукова конференція (24-26 квітня 2001 року, Київ, Україна). – Збірник наукових праць. -Том 4. -С. 15.6-15.9

Сітовський О.П. Підвищення техніко-експлуатаційних властивостей легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності шляхом оптимізації параметрів системи “двигун-трансмісія”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 – Автомобілі і трактори. – Національний транспортний університет, Київ, 2001 р.

Дисертацію присвячено вибору оптимальних параметрів системи “двигун-трансмісія” з метою підвищення техніко-експлуатаційних властивостей легкових автомобілів малого класу підвищеної прохідності.

Розроблені комплекс показників та методика аналізу взаємозв'язків між базовими конструктивними параметрами автомобілів і їх техніко-експлуатаційними властивостями, за допомогою яких проаналізовано вплив передаточних чисел трансмісії на показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля.

Розроблена методика визначення передаточних чисел трансмісії автомобілів малого класу підвищеної прохідності, в основу якої покладена багатокритеріальна оптимізація ряду передаточних чисел трансмісії. При цьому передаточні числа коробок передач підібрані таким чином, що забезпечуються необхідні показники як розгону на нижчих передачах, так і паливної економічності на вищих передачах.

З використанням математичних моделей, адекватність яких підтверджена експериментальними дослідженнями, проведена оцінка економічних і екологічних показників автомобілів малого класу підвищеної прохідності з різними типами двигунів з рекомендованими передаточними числами коробок передач при русі за міським та магістральним їздовими циклами.

Ключові слова: тягово-швидкісні властивості, паливна економічність, легковий автомобіль малого класу підвищеної прохідності, система “двигун-трансмісія”, передаточні числа, багатокритеріальна оптимізація.

Ситовский О.Ф. Повышение технико-эксплуатационных свойств легковых автомобилей малого класса повышенной проходимости путем оптимизации параметров системы “двигатель-трансмиссия" – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 – Автомобили и тракторы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2001