ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУМАГА Олександр Дмитрович
УДК 629.113
ПОКРАЩАННЯ ПОКАЗНИКІВ ТЕХНІКО-ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МІСЬКИХ ГАЗОБАЛОННИХ АВТОБУСІВ
Спеціальність 05.22.02 – Автомобілі та трактори
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
КИЇВ – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент
Філіпова Галина Андріївна,
Національний транспортний університет,
доцент кафедри “Автомобілі”.
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Куліков Юрій Андрійович,
Східноукраїнський національний університет
ім. В.Даля, заступник директора з наукової роботи учбово-наукового інституту транспортних технологій;
кандидат технічних наук, доцент
Сітовський Олег Пилипович,
Луцький державний технічний університет,
доцент кафедри автомобілів.
Провідна установа: |
Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, кафедра “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки”,
м. Львів.
Захист відбудеться “25” лютого 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “24” січня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Основним завданням транспорту є своєчасне, якісне і повне задоволення потреб народного господарства і населення в перевезеннях. Його ефективне функціонування є передумовою стабілізації, підйому і структурної перебудови економіки, забезпечення цілісності, національної безпеки і обороноздатності країни.
Наявний парк АТЗ в Україні налічує близько 6,5 млн. одиниць і на 100обладнаний двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ), внаслідок чого є одним із найбільших забруднювачів атмосферного повітря. Тому доцільно застосування для двигунів міських автобусів газоподібного палива, оскільки однією з його загальновідомих переваг є більша порівняно з традиційними паливами нафтового походження екологічність.
Проведені раніше дослідження та досвід експлуатації свідчать, що при переведенні на газоподібне паливо двигунів серійних автомобілів потенційні енергетичні можливості такого палива використовуються недостатньо. Внаслідок цього погіршуються тягово-швидкісні властивості (ТШВ) автомобіля та зростає собівартість автомобільних перевезень. Крім того, встановлення газових балонів на даху автобуса може призвести до погіршення показників його поперечної стійкості.
Одним із шляхів вирішення проблеми більш широкого застосування газобалонних автомобілів і зокрема автобусів є оптимізація параметрів системи “двигун трансмісія” і пошук таких компонувальних рішень, які дозволили б так узгодити вихідні параметри двигуна та передаточні числа трансмісії, щоб при роботі двигуна на газі показники ТШВ автомобіля та певною мірою технічна швидкість були не гірші, ніж при роботі його на бензині, а також показники поперечної стійкості газобалонного автобуса були на рівні показників стійкості базової бензинової моделі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в рамках НДР “Дослідження механіки та енергетики автомобілів і автопоїздів”, № держреєстрації 0104U003346, що виконується кафедрою “Автомобілі” Національного транспортного університету згідно з планами наукових досліджень Міністерства освіти і науки України.
Метою роботи є розробка методики визначення передаточних відношень трансмісії, порівняльного аналізу основних показників тягово-швидкісних властивостей і поперечної стійкості газобалонних автобусів та розробка практичних рекомендацій щодо їх поліпшення.
Для досягнення поставленої мети задачі дослідження сформульовані наступним чином:
провести аналіз існуючих методів визначення ряду передаточних відношень трансмісії та його впливу на показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності газобалонних автобусів;
розробити методику визначення передаточних відношень трансмісії газобалонних автобусів при зменшенні потужності двигуна базової моделі в межах від 5 до 25;
визначити методом чисельного експерименту з використанням комп’ютера показники поперечної стійкості і стійкості руху газобалонних автобусів;
провести випробування газобалонного автобуса зі стандартною та модернізованою трансмісіями з перевіркою його експлуатаційних властивостей.
Об’єкт дослідження – тягово-швидкісні властивості, паливна економічність і поперечна стійкість газобалонних автобусів ЛАЗ, ПАЗ і ГАЗ, що допускають роботу як на бензині, так і стисненому природному газі.
Предмет дослідження – вплив передаточних відношень трансмісії на показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності газобалонних автобусів та вплив компонувальних параметрів на показники поперечної стійкості та стійкості руху цих автобусів.
Методи досліджень передбачали математичне моделювання прямолінійного і криволінійного руху автобуса, багатоваріантні комп’ютерні розрахунки показників тягово-швидкісних властивостей базової бензинової моделі та газобалонної модифікації автобусів зі стандартною та модернізованою трансмісіями, аналіз показників стійкості газобалонних модифікацій автобусів, а також експериментальне визначення показників тягово-швидкісних властивостей газобалонних автобусів.
Наукову новизну результатів досліджень складають:
методика аналізу взаємозв’язків між базовими конструктивними параметрами газобалонних автобусів та обґрунтування раціональних параметрів системи “двигун – трансмісія” при зниженні потужності двигуна в широких межах;
оптимальні співвідношення між передаточними відношеннями трансмісії газобалонних автобусів при зниженні потужності двигуна в широких межах;
методика визначення показників стійкості газобалонних автобусів.
Достовірність результатів підтверджується:
коректним використанням методів теорії автомобіля для розробки розрахункових схем, складання рівнянь прямолінійного та криволінійного руху газобалонних автобусів;
адекватністю результатів математичного моделювання і визначення показників тягово-швидкісних властивостей і стійкості автобусів чисельними методами експериментальним даним, які отримані при їх випробуваннях.
Практичну цінність результатів досліджень складають:
методика визначення передаточних відношень трансмісії, за допомогою якої показано, що одним із шляхів підвищення показників тягово-швидкісних властивостей газобалонних автобусів при зменшенні потужності їх двигунів не більше ніж на 10є застосування головних передач зі збільшеним передаточним відношенням або встановлення в трансмісіях додаткових коробок з прямою та знижувальною передачами: пряму передачу використовують при роботі двигуна на бензині, а знижувальну при роботі на газі;
методика визначення передаточних відношень трансмісії газобалонних автобусів при зменшенні потужності їх двигунів більше ніж на 10що забезпечує необхідні показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності у порівнянні з базовою моделлю.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно. В роботах у співавторстві здобувачу належать: у роботі [2] – аналіз результатів розрахунків передаточних відношень додаткового редуктора автобусів ЛАЗ; у роботі [3] – аналіз впливу передаточних відношень трансмісії газобалонного автобуса на показники тягово-швидкісних властивостей; у роботі [4] – постановка задачі та методика визначення передаточного відношення додаткового редуктора автобуса ПАЗ-3205; у роботі [5] – аналіз показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автобуса ЛАЗ у міському їздовому циклі; у роботі [6] – методика визначення показників тягово-швидкісних властивостей газобалонних автобусів, у роботі [8] – методика експериментальних досліджень та аналіз показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автобуса ПАЗ-3205.
Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи були викладені, обговорені та схвалені на наступних конференціях: 58-й (Київ, 2002 р.), 59-й (Київ, 2003 р.) та 60-й (Київ, 2004 р.) наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ; науково-практичній конференції “Проблеми автобусних пасажирських перевезень та автобусобудування” (м. Київ, 02-03 квітня 2004 р.); науково-практичній конференції “Управління безпекою на автомобільному транспорті” (м. Київ, 15 жовтня 2004 р.).
Реалізація роботи. Матеріали дисертаційної роботи впроваджені у відділі конструкторських розробок та науково-технічних експертиз ДП “ДержавтотрансНДІпроект” при розробці нормативної документації на переобладнання бензинових моделей автобусів ЛАЗ, ПАЗ і ГАЗ у газобалонні, що містить рекомендації щодо підвищення показників тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності та поперечної стійкості цих автобусів.
Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 8-и статтях у наукових фахових виданнях ВАК України.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг дисертації становить 158 сторінок; з них 23 ілюстрації по тексту, 10 ілюстрацій на 6 сторінках; 17 таблиць по тексту; 143 найменування використаних джерел на 14 сторінках; 1 додаток на 2 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, представлено загальну характеристику роботи, перераховано коло задач, які вирішуються, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів дослідження.
У першому розділі показано, що застосування газоподібних палив для автомобілів і автобусів, особливо міських, здатне значно поліпшити екологічну ситуацію на автомобільному транспорті. При цьому досягнення прийнятних показників тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності і стійкості можливе за умови раціонального вибору для них базових конструктивних параметрів. Критичний огляд стану питання визначив відсутність комплексного системного підходу та цілісної методики для визначення показників техніко-експлуатаційних властивостей, визначальних для газобалонних автобусів, чим стримується розробка і пошук оптимальних рішень щодо їх конструкцій.
У другому розділі показано, що для газобалонних автомобілів і автобусів можливі два підходи до визначення передаточних відношень трансмісії: пристосування існуючої трансмісії автомобіля (автобуса) до двигуна, що працює на газоподібному паливі, або розробка нової трансмісії автомобіля (автобуса), найбільш повно пристосованої до такого двигуна.
При першому підході при переобладнанні бензинових автобусів у газобалонні намагаються досягти найменшої різниці між показниками тягово-швидкісних властивостей газобалонних модифікацій та базових бензинових моделей, збільшуючи колову силу на ведучих колесах газобалонного автобуса шляхом корекції передаточного відношення головної передачі газобалонного автобуса або введення у його трансмісію додаткового редуктора. Зважаючи на порівняльний характер розрахунків, їх проводять за однією і тією ж методикою.
Визначати і досліджувати показники тягово-швидкісних властивостей досить складної механічної системи “автомобіль” та аналізувати вплив на неї зовнішніх чинників (водія, дороги) найкраще на математичній моделі, заснованій на диференціальному рівнянні прямолінійного руху.
У розрахунках показників ТШВ автомобілів найбільш зручним є використання залежності крутного моменту у функції кутової швидкості колінчастого вала двигуна Mк=f() у вигляді
Mк = a2 + b + c, (1)
де a, b, c – сталі коефіцієнти, котрі визначають за допомогою інтерполяційної формули Лагранжа.
З урахуванням залежностей Mк = f() та V= F() колова сила на ведучих колесах записана у вигляді
Pкол i = AiV2 + BiV + Ci, (2)
де , , ,
V – швидкість руху автомобіля, м/с;
Ui загальне передаточне відношення трансмісії на і-ій передачі;
тр коефіцієнт корисної дії трансмісії;
rд та rк динамічний радіус та радіус кочення колеса, м.
a, b, c – коефіцієнти апроксимуючого поліному для крутного моменту двигуна.
Для одержання однакових показників ТШВ базових бензинових моделей і газобалонних модифікацій необхідно, щоб праві частини рівняння (2) були або однаковими, або мало відрізнялися між собою, тобто
AiбV2 + BiбV + Ciб = AiгV2 + BiгV + Ciг, (3)
де індекси “б” і “г” відносяться відповідно до бензинової моделі і газобалонної модифікації.
Виразимо передаточне відношення трансмісії газобалонного автобуса Uтрг через передаточне відношення трансмісії базової моделі Uтр за допомогою коефіцієнта :
Uтрг = Uтр. (4)
Після підстановки (4) у рівняння (3) здійснено його розв’язок за допомогою програмного забезпечення Mathcad 2000. Значення коефіцієнта склали: = 1,3996 – для автобуса ЛАЗ-695; =1,1451 – для автобуса ПАЗ-3205 і =1,1303 – для автобуса ГАЗ-32213.
Необхідне передаточне відношення трансмісії при цьому може бути забезпечено або додатковим редуктором, що має понижувальну передачу з передаточним відношенням, яке дорівнює , або головною передачею, передаточне відношення якої в разів більше передаточного відношення головної передачі базової моделі.
Проте при збільшенні колової сили на ведучих колесах за рахунок збільшення передаточного відношення трансмісії погіршуються показники швидкісних властивостей автобуса, зокрема зменшується максимальна швидкість Vmах, а також можливе збільшення часу Т і шляху S розгону до максимальної швидкості, що є суттєвим для міських автобусів. Зміна швидкісних властивостей газобалонного автобуса обумовлена в основному зменшенням потужності двигуна при роботі на газі.
При переобладнанні бензинових автобусів (автомобілів) у газобалонні потужність двигуна зменшується у широких межах – на 5…25
Шляхом розв’язку рівняння потужнісного балансу визначено, що при зменшенні максимальної потужності до 75від номінальної максимальна швидкість зменшується на 14,36для автобуса ЛАЗ, 12,48для автобуса ПАЗ і 16,00для автобуса ГАЗ.
На основі аналізу зміни часу розгону до максимальної швидкості встановлено, що у випадку зменшення потужності двигуна на 5...10порівняно з номінальною достатньо для забезпечення необхідних показників ТШВ вдатися до першого, вже розглянутого підходу. При подальшому зменшенні потужності двигуна тільки корекцією (збільшенням) передаточних відношень трансмісії уже неможливо забезпечити необхідні показники ТШВ автобусів. Необхідний другий підхід – розробка нової трансмісії.
При розгляді другого підходу передаточні відношення трансмісії визначалися за законами геометричної прогресії, динамічного ряду, забезпечення максимальної інтенсивності розгону, за оптимальною величиною щільності ряду, по аналогії з “ідеальною” трансмісією тощо. За критерієм забезпечення найбільших значень максимальних і середніх прискорень на передачах, мінімального часу та шляху розгону автобусів до максимальної швидкості кращими є трансмісії, передаточні відношення яких обрані або за законом динамічного ряду, або за методикою О.І.Токарєва.
Для остаточного вибору передаточних відношень трансмісії було розглянуто паливну економічність автобусів з трансмісіями, передаточні відношення яких обрані за законом динамічного ряду і методикою Токарєва.
Зважаючи на порівняльний аналіз впливу передаточних відношень трансмісії автобусів на показники паливної економічності, як оціночні показники у подальшому прийняті паливна характеристика усталеного руху та витрата палива у міському їздовому циклі на дорозі. Із розгляду виключена контрольна витрата палива, яка визначається за паливно-економічною характеристикою при русі автобусів на прямій передачі (тобто вона буде однаковою для усіх варіантів розрахунку).
Витрата палива при усталеному русі автобуса визначена за методикою Я.Є.Фаробіна. Проведеними розрахунками встановлено, що за паливною характеристикою усталеного руху динамічний ряд передаточних відношень і ряд передаточних відношень О.І.Токарєва для автобусів, що розглядаються, майже однакові.. Розбіжності у визначеній мінімальній витраті палива для автобуса ЛАЗ не перевищують 1,6для автобусів ПАЗ і ГАЗ – 1,9
При визначенні витрати палива автобусами у міському їздовому циклі використані математичні моделі, розроблені у Національному транспортному університеті під керівництвом Ю.Ф.Гутаревича, які дозволяють моделювати рух транспортних засобів як за стандартними, так і реальними послідовностями режимів. Розрахунки виконані для базових бензинових моделей та газобалонних модифікацій автобусів ЛАЗ і ПАЗ. Моделювання руху автобусів проводилось за режимами стандартних їздових циклів (ГОСТ 20306-90), які імітують роботу автобусів у міських умовах.
Адаптація математичних моделей для дослідження проведена шляхом описання експериментальних навантажувальних і швидкісних характеристик двигунів ЗИЛ-508.10 та ЗМЗ-53, якими обладнані автобуси ЛАЗ і ПАЗ, та застосуванням отриманих з використанням методу найменших квадратів за значеннями показників в точках відповідних планів факторного експерименту поліномінальних моделей для розрахунку витрати палива та забруднюючих викидів в режимах їздових циклів.
При моделюванні міського циклу і повній подачі палива при розгонах еквівалентні витрати палива за цикл однакові для всіх автобусів зі стандартними трансмісіями та трансмісіями, передаточні відношення яких визначені за законом динамічного ряду і методикою О.І.Токарєва. Проте за обраних вихідних даних питомі витрати (в МДж/пас-км) для газобалонного автобуса майже в 2 рази більші, ніж для бензинового.
У третьому розділі розглянуто стійкість газобалонних автобусів, зокрема автобуса ЛАЗ-695НГ з розташуванням 8 газових балонів на його даху.
У ДСТУ UN/ECE R 111-00: 2002 “Єдині технічні приписи щодо офіційного затвердження автоцистерн категорій N і O стосовно їх стійкості проти перекидання” наведена методика визначення показників поперечної стійкості повністю заповнених цистерн за умови відсутності переміщення рідини при випробуваннях, тобто розгляду цистерни з рідиною як твердого тіла. За таких умов дана методика може бути розповсюджена і на інші вантажні та пасажирські автомобілі.
Відповідно до цього ДСТУ поперечна стійкість розраховується шляхом моделювання випробувань транспортного засобу в усталеному коловому русі (при незмінному радіусі повороту, сталій швидкості, а, відповідно, і сталому поперечному прискоренні). При такому розрахунку враховуються такі основні фактори, що впливають на поперечне прискорення при підйомі першого колеса qM і максимальне теоретичне поперечне прискорення при перекиданні автобуса qT, як висота центра мас, ширина колії, а також усі фактори, що обумовлюють поперечне переміщення центра мас (бічна жорсткість шин, бічна жорсткість підвіски тощо). При цьому поперечне прискорення при підйомі першого колеса qM і максимальне теоретичне поперечне прискорення при перекиданні автобуса qT визначаються за виразами:
, (5)
, (6)
де АТ – сила тяжіння від повної маси автобуса, кН;
АМ – навантаження на вісь з мінімальним кутом крену автобуса при підйомі колеса, кН;
UТ – сила тяжіння від підресореної маси автобуса, кН;
ТТ – ефективна ширина колії, м;
ТМ – колія осі з мінімальним кутом крену автобуса при підйомі колеса, м;
HG – координата центра мас автобуса по висоті, м;
HN – координата центра мас підресореної маси по висоті, м;
FЕ – коефіцієнт корисної маси найбільш жорсткої осі автобуса;
СDREST і СDRESM – загальна бокова жорсткість підвіски та бокова жорсткість осі з мінімальним кутом крену автобуса при підйомі колеса, кНм/рад.
Лінійна інтерполяція між поперечним прискоренням при підйомі першого колеса і максимальним теоретичним прискоренням дозволяє отримати оціночний показник поперечного прискорення при перекиданні qс:
. (7)
Стійкість до перекидання автобуса повинна бути такою, щоб транспортний засіб не пройшов через точку перекидання при досягненні поперечного прискорення, що дорівнює 4 м/с2. Проведеними розрахунками встановлено, що для газобалонного автобуса qc = 2,59 м/с2, тобто його стійкість при сталому коловому русі забезпечується.
Для остаточної оцінки стійкості газобалонних автобусів розглянута стійкість їх прямолінійного руху. Застосовуючи метод перетинів, маємо наступні диференціальні рівняння плоскопаралельного руху автобуса з урахуванням жорсткості керуючого колісного модуля k:
де m, m1 та I, I1 – маси і центральні моменти інерції, кг та кг·м2, щодо вертикальних осей відповідно остова і колісного керуючого модуля;
v i u – поздовжня і поперечна проекції швидкості центра мас на осі, що зв’язані з автобусом, м/с;
– кутова швидкість повороту поздовжньої осі, рад/с;
и – ?ут повороту керуючого колісного модуля, рад;
а та h – координати центра мас автобуса по базі та по висоті, м;
с – винос колеса (плече стабілізації), м;
Х1, Х2 та У1, У2 – відповідно поздовжні та поперечні сили на передній і задній осях, Н;
M’, M” – п’яткові моменти, Нм, причому в лінійному наближенні
M’ = 11, M” = 22;
1, 2 – кутові жорсткості коліс передньої і задньої осей, Нм/рад;
1, 2 – приведені кути бічного відведення колісних осей, рад, які визначаються за виразами
(12)
Розв’язок системи диференціальних рівнянь руху здійснено за допомогою програмного забезпечення Maple 8 за вихідних даних для газобалонного автобуса ЛАЗ-695НГ.
Проведеними розрахунками встановлено:–
показники маневреності газобалонного автобуса знаходяться на рівні показників маневреності базової бензинової моделі. Пояснюється це тим, що критична швидкість і мінімальний радіус повороту визначалися для плоскої “велосипедної” схеми автобуса, де перерозподіл нормальних реакцій на колесах однієї осі не враховується;–
критична швидкість газобалонних автобусів, для яких компонувальні параметри (база і координати центра мас по базі) залишилися незмінними, буде також незмінною. Якщо ж компонувальні параметри автобуса при переобладнанні змінилися, то належним вибором жорсткості керуючого колісного модуля можна добитися будь-якого значення критичної швидкості. –
у разі початкового збурення у вигляді “ривок рульового колеса” для газобалонного автобуса рух буде коливально нестійким. При збільшенні швидкості руху від 5 м/с до 8 м/с нестійкість стає дивергентною, причому після втрати стійкості прямолінійного руху центр мас автобуса виходить на новий стаціонарний режим, що є круговим і стійким;–
приведена жорсткість керуючого колісного модуля суттєво впливає на показники стійкості руху газобалонного автобуса (рис. 1). Так, за величини k Н/рад рух автобуса при швидкості 25 м/с є нестійким. При збільшенні приведеної жорсткості керуючого колісного модуля до 2000 Н/рад величина поздовжнього і поперечного прискорень змінюється як від швидкості руху, так і кута повороту керуючого колісного модуля. Якщо прийняти як нормативну величину бічного прискорення 4,5 м/с2, то за швидкості 25 м/с кут повороту керуючого колісного модуля не повинен перевищувати 0,05 рад (радіус повороту автобуса R=83,8 м), а за швидкості 8 м/с – 0,36 рад (R = 12,47 м). Отримані граничні значення кутів повороту керуючого колісного модуля, радіусів повороту і швидкостей руху знаходяться в зоні експлуатаційних параметрів руху автобуса і тому повинні бути враховані при переобладнанні автобусів у газобалонні;–
при виконанні маневру “переставка” за величиною зміни кутової швидкості колісного керуючого модуля стійкість руху газобалонного автобуса ЛАЗ-695НГ забезпечена.
Проведеними розрахунками доведено, що показники стійкості газобалонних автобусів знаходяться на рівні їх базових бензинових моделей. Оскільки ДСТУ UN/ECE R 111-00: 2002 допускає заміну експериментального визначення показників поперечної стійкості їх розрахунками, то експериментальні дослідження були присвячені визначенню показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності газобалонних автобусів з трансмісіями стандартною і модернізованою, запропонованою у даній роботі.
У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень тягово-швидкісних властивостей газобалонного автобуса ПАЗ-3205.
Метою експериментальних досліджень була перевірка адекватності розробленої математичної моделі і вихідних положень, покладених в основу розрахунку параметрів тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автобусів.
Експериментальні дослідження проведені в два етапи. На першому етапі в лабораторних умовах визначалися характеристики двигуна ЗМЗ-53 при роботі його на бензині за різного ступеня дроселювання і при роботі на газі. На другому етапі шляхом дорожніх випробувань визначені показники тягово-швидкісних властивостей автобуса зі стандартною та модернізованою, створеною на базі стандартних сумісних агрегатів ГАЗ, трансмісіями (табл.1;
U0 – передаточне число головної передачі) при встановленні на ньому випробуваного двигуна.
Таблиця 1
Характеристика трансмісій автобуса ПАЗ-3205
Ряд передаточних чисел трансмісії | U0 | Передаточні числа коробки передач / трансмісії
U1/Uтр1 | U2/Uтр2 | U3/Uтр3 | U4/Uтр4 | U5/Uтр5
Стандартний ряд | 6,17 | 6,55/
40,41 | 3,09/
19,07 | 1,71/
10,55 | 1,0/
6,17 | -
Динамічний (оптимальний) ряд (І) | 6,40 | 7,22/
46,22 | 3,99/
25,54 | 1,995/
12,768 | 1,333/
8,531 | 1,0/
6,4
Модернізована трансмісія (ІІ) | 5,86 | 6,555/
38,412 | 3,933/
23,047 | 2,376/
13,923 | 1,442/
8,450 | 1,0/
5,86
Розбіжність між Uтрi
І та ІІ рядів, % | 16,89 | 9,76 | 8,3 | 0,93 | 8,44
Як це видно із табл. 1, розбіжність між передаточними відношеннями, що визначені як оптимальні за законом динамічного ряду, і передаточними числами модернізованої трансмісії на всіх передачах, крім першої (яка не є розгонною), не перевищує 10тобто модернізована трансмісія може бути використана в експериментальних дослідженнях для перевірки адекватності математичної моделі.
Дорожні випробування автобуса ПАЗ-3205 із стандартною та модернізованою трансмісіями проводились згідно ГОСТ 22576-90.
При проведенні випробувань автобуса було встановлено, що при роботі двигуна на бензині для стандартної і модернізованої трансмісій за номінальної потужності двигуна максимальна швидкість руху і час розгону на шляху 400 і 1000 м склали відповідно 22,47 і 22,28 м/с; 47,21 і 46,19 с; 84,31 і 76,79 с; за 0,85потужності двигуна – 21,05 і 20,83 м/с; 52,09 і 51,48 с; 87,92 і 85,18 с; за 0,75потужності двигуна – 19,61 і 19,42 м/с; 56,29 і 55,59 с; 99,22 і 94,69 с; при роботі двигуна на газі – 20,62 і 20,83 м/с; 52,91 і 51,48 с; 94,29 і 90,08 с.
За результатами опрацювання результатів замірів вибігу автобуса середнє значення коефіцієнта опору коченню склало f0 = 0,0112545, що на 2,26більше розрахункового.
Таким чином, проведеними експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність розробленої математичної моделі для визначення впливу передаточних відношень трансмісії на показники тягово-швидкісних властивостей автобуса. Так, у всьому діапазоні зменшення потужності двигуна максимальна похибка у визначенні нормованих ГОСТ 22576-90 показників тягово-швидкісних властивостей не перевищила 10
Застосування модернізованої трансмісії, створеної на базі сумісних агрегатів вантажних автомобілів Горьківського автомобільного заводу і автобусів Павловського автобусного заводу, передаточні числа якої з похибкою не більше 10 % відтворюють оптимальний динамічний ряд, призводить до зменшення часу розгону автобуса, що працює на газоподібному паливі, на 19,8 % і відповідного збільшення середньої швидкості руху і транспортної продуктивності автобуса.
У додатку наведено довідку про впровадження результатів досліджень.
ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ
1. Практика світового і вітчизняного автомобілебудування свідчить про доцільність застосування газоподібного палива (стисненого природного і зрідженого нафтового газу) на автомобільному транспорті. При цьому в ближчому майбутньому двигуни газобалонних транспортних засобів будуть двопаливними, тобто здатними працювати як на рідкому моторному, так і на газоподібному паливі. В залежності від конструктивних рішень, прийнятих при переобладнанні бензинових двигунів у двопаливні (підвищення ступеня стиску, регулювання кута випередження запалювання, оптимального складу суміші тощо) потужність двигуна при роботі на газоподібному паливі може змінюватися в широких межах (зменшення від 5 до 25
2. Оцінка ТШВ та паливної економічності газобалонних транспортних засобів в експлуатаційних умовах показує, що одним із шляхів забезпечення прийнятних їх показників є оптимізація параметрів системи “двигун – трансмісія”.
2.1. Запропонована методика визначення передаточних відношень трансмісії газобалонного автобуса, заснована на тому, що колові сили на ведучих колесах базової бензинової моделі і її газобалонної модифікації однакові.. За розробленою методикою визначені передаточні відношення трансмісії автобусів ЛАЗ-695, ПАЗ-3205 і ГАЗ-3302, що працюють на газоподібному паливі. Показано, що збільшенням передаточного відношення трансмісії відповідно у 1,3996, 1,1451 і 1,1303 рази забезпечується рівність колових сил базової моделі і її газобалонної модифікації.
2.2. Проведеними розрахунками встановлено, що у випадку зменшення потужності двигуна у порівнянні з номінальною на 5...10достатньо збільшити у визначену кількість разів передаточне відношення трансмісії, щоб забезпечити необхідні показники ТШВ. При подальшому зменшенні потужності двигуна тільки корекцією (збільшенням) передаточних відношень трансмісії уже неможливо забезпечити необхідні показники ТШВ автобусів, а необхідно створювати нову трансмісію зі своїми передаточними відношеннями, найбільш повно пристосовану до такого двигуна.
3. Встановлено, що для забезпечення найбільш високих розгонних якостей, а саме високих значень максимальних і середніх прискорень на передачах, мінімального часу та шляху розгону автобусів до максимальної швидкості кращими є динамічний ряд передаточних відношень та ряд передаточних відношень О.І.Токарєва. Разом з тим за показниками паливної економічності динамічний ряд передаточних відношень і ряд передаточних відношень О.І.Токарєва для автобусів, що розглядаються, майже однакові. Розбіжності у визначенні мінімальної витрати палива для всіх автобусів не перевищують 3,5тобто для оптимізації параметрів системи “двигун трансмісія” достатньо розглядати тільки тягово-швидкісні властивості.
4. Переобладнання автобусів у їх газобалонні модифікації призводить до зміни розподілу мас між осями та координати центра мас по висоті. Характерними у цьому відношенні є газобалонні автобуси ЛАЗ-695 і ПАЗ-3205 з розташуванням газових балонів на даху автобуса. Тому для таких автобусів необхідна перевірка показників стійкості, і перш за все поперечної стійкості.
4.1. Визначені показники поперечної стійкості газобалонної модифікації автобуса ЛАЗ у відповідності до методики ДСТУ UN/ECE R 111-00: 2002. Показано, що основний оціночний показник поперечної стійкості, а саме поперечне прискорення при перекиданні, менший допустимого, тобто стійкість переобладнаного автобуса при сталому коловому русі забезпечується.
4.2. Складені диференціальні рівняння руху газобалонного автобуса у загальному випадку, розв’язок яких дозволив встановити:–
показники маневреності газобалонного автобуса знаходяться на рівні базової бензинової моделі. Пояснюється це тим, що критична швидкість і мінімальний радіус повороту визначалися для плоскої “велосипедної” схеми автобуса, де перерозподіл нормальних реакцій на колесах однієї осі не враховується;–
приведена жорсткість керуючого колісного модуля суттєво впливає на показники стійкості руху переобладнаного автобуса. Так, за величини k Н/рад рух автобуса при швидкості 25 м/с є нестійким. При збільшенні приведеної жорсткості керуючого колісного модуля до 2000 Н/рад величина поздовжнього і поперечного прискорень змінюється як від швидкості руху, так і кута повороту керуючого колісного модуля. Якщо прийняти як нормативну величину бічного прискорення 4,5 м/с2, то за швидкості 25 м/с кут повороту керуючого колісного модуля не повинен перевищувати 0,05 рад (радіус повороту автобуса R ,8 м), а за швидкості 8 м/с – 0,36 рад (R=12,47 м). Отримані граничні кути повороту керуючого колісного модуля, радіусів повороту і швидкостей руху знаходяться в зоні експлуатаційних параметрів руху автобуса і тому повинні бути враховані при переобладнанні автобусів;–
у разі початкового збурення у вигляді “ривок рульового колеса” для газобалонного автобуса рух буде коливально нестійким. При збільшенні швидкості руху від 5 м/с до 8 м/с нестійкість стає дивергентною, причому після втрати стійкості прямолінійного руху центр мас автобуса виходить на новий стаціонарний режим, що є круговим і стійким;–
при виконанні маневру “переставка” за величиною зміни кутової швидкості колісного керуючого модуля стійкість руху газобалонного автобуса ЛАЗ-695НГ забезпечена.
6. Проведеними експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність розробленої математичної моделі для визначення впливу передаточних відношень трансмісії на показники тягово-швидкісних властивостей автобуса. Так, у всьому діапазоні зменшення потужності двигуна максимальна похибка у визначенні нормованих ГОСТ 22576-90 показників тягово-швидкісних властивостей не перевищила 10
7. Застосування модернізованої трансмісії, створеної на базі сумісних агрегатів вантажних автомобілів Горьківського автомобільного заводу і Павловського автобусного заводу, передаточні числа якої з похибкою не більшою 10відтворюють оптимальний динамічний ряд, призводить до зменшення часу розгону автобуса, що працює на газоподібному паливі, на 19,8і відповідного збільшення середньої швидкості руху і транспортної продуктивності автобуса.
8. Результати досліджень щодо визначення оптимального ряду передаточних відношень трансмісії при переобладнанні автобусів ЛАЗ, ПАЗ і ГАЗ у газобалонні прийняті до впровадження відділом конструкторських розробок та науково-технічних експертиз ДП “ДержавтотрансНДІпроект”.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Статті у наукових фахових виданнях:
1. Бумага О.Д. До визначення передаточних чисел трансмісії автобуса ЛАЗ-695 при його роботі на газоподібному паливі // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів – Київ: НТУ, ТАУ, 2002. – Вип. 15. – С. 33 .
2. Бумага О.Д., Горбаха М.М. До визначення передаточних чисел коробки передач автобуса ЛАЗ-695, що працює на газоподібному паливі // Вісник Національного транспортного університету та транспортної академії України. – Київ: НТУ, ТАУ, 2002. – Вип. 7. – С. 340 .
3. Сахно В.П., Бумага О.Д., Горбаха М.М. До визначення показників тягово-швидкісних властивостей газобалонного автобуса // Автошляховик України. Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2003. – Окремий випуск № . – С.129 .
4. Сахно В.П., Бумага О.Д. До визначення показників тягово-швидкісних властивостей автобуса ПАЗ-3205, що працює на газоподібному паливі // Наукові праці КДПУ / Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Кременчук: КДПУ, 2003. – Вип. 4 (21). – С. 86 .
5. Матейчик В.П., Яновський В.В., Бумага О.Д. Оцінка паливної економічності та екологічних показників газобалонних транспортних засобів в експлуатаційних умовах // Автошляховик України. – 2004. – № . – С.11 .
6. Філіпова Г.А., Бумага О.Д., Горбаха М.М. Вплив передаточних чисел трансмісії автобуса, що працює на газоподібному паливі, на показники його швидкісних властивостей // Управління безпекою та якістю транспортних засобів і перевезень / Автошляховик України. – 2003. – Окремий випуск. – С.102 .
7. Бумага О.Д. До визначення показників стійкості руху переобладнаного автобуса ЛАЗ-695 НГ // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. – Київ: НТУ, ТАУ, 2003. – Вип. 17. – С. 12 .
8. Сахно В.П., Бумага О.Д. Експериментальні дослідження тягово-швидкісних властивостей переобладнаного автобуса ПАЗ-3205 // Управління безпекою на автомобільному транспорті. / Автошляховик України. – 2004. – Окремий випуск. –С. 42 .
Тези доповідей на наукових конференціях
9. Бумага О.Д. До визначення показників поперечної стійкості автобуса ЛАЗ-695НГ // 60 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національ-ного транспортного університету. Тези доповідей. – Київ: НТУ, 2004. – С. 28.
АНОТАЦІЇ
Бумага О.Д. Покращання показників техніко-експлуатаційних властивостей міських газобалонних автобусів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 – Автомобілі та трактори. – Національний транспортний університет, Київ, 2005.
У роботі проведено дослідження впливу передаточних відношень трансмісії і параметрів компонування газобалонних автобусів на показники їх тягово-швидкісних властивостей, паливної економічності і стійкості руху. Запропонована методика визначення передаточних відношень трансмісії газобалонних автобусів.
Визначені показники поперечної стійкості газобалонного автобуса ЛАЗ. Складені диференціальні рівняння руху газобалонного автобуса у загальному випадку, розв’язок яких дозволив встановити, що показники маневреності цього автобуса знаходяться на рівні базової бензинової моделі, а приведена жорсткість керуючого колісного модуля суттєво впливає на показники стійкості його руху.
Матеріали дисертаційної роботи впроваджені у відділі конструкторських розробок та науково-технічних експертиз ДП “ДержавтотрансНДІпроект” при розробці нормативної документації на переобладнання бензинових моделей автобусів ЛАЗ, ПАЗ і ГАЗ у газобалонні.
Ключові слова: газобалонний автобус, передаточні відношення трансмісії, тягово-швидкісні властивості, паливна економічність, стійкість руху, колісний модуль.
Бумага А.Д. Улучшение показателей технико-эксплуатационных свойств городских газобаллонных автобусов. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 – Автомобили и тракторы. – Национальный транспортный университет, Киев, 2005.
В работе проведено исследование влияния передаточных отношений трансмиссии и компоновочных параметров автобуса на показатели тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и устойчивости движения газобаллонных автобусов.
Оценка тягово-скоростных свойств и топливной экономичности газобаллонных транспортных средств в эксплуатационных условиях показывает, что одним из путей обеспечения приемлемых их показателей является оптимизация параметров системы “двигатель-трансмиссия”.
Предложена методика определения передаточных отношений трансмиссии газобаллонного автобуса, основанная на обеспечении одинаковых окружных сил на ведущих колесах базовой бензиновой модели и ее газобаллонной модификации. По разработанной методике определены передаточные отношения трансмиссии автобусов ЛАЗ-695, ПАЗ-3205 и ГАЗ-3302, работающих на газообразном топливе. Установлено, что в случае уменьшения мощности двигателя на 5...10по сравнению с номинальной достаточно увеличить в определенное количество раз передаточное отношение трансмиссии, чтобы обеспечить необходимые показатели тягово-скоростных свойств. При дальнейшем уменьшении мощности двигателя только коррекцией (увеличением) передаточных отношений трансмиссии уже невозможно обеспечить необходимые показатели тягово-скоростных свойств автобусов, а необходимо создавать новую трансмиссию со своими передаточными отношениями, наиболее полно приспособленную к двигателю, работающему на газообразном топливе. Для рассматриваемых автобусов доказано, что лучшими для определения передаточных отношений трансмиссии являются динамический ряд и аналогия с “идеальной” трансмиссией.
Переоборудование автобусов в их газобаллонные модификации приводит к изменению распределения масс между осями и координаты центра масс по высоте. Характерными в этом отношение являются газобаллонные автобусы ЛАЗ-695 и ПАЗ-3205 с расположением газовых баллонов на крыше автобуса. Для определения показателей устойчивости таких автобусов разработана математическая модель, на основе которой выполнена проверка показателей устойчивости переоборудованных автобусов.
Определены показатели поперечной устойчивости газобаллонного автобуса ЛАЗ в соответствии с методикой ДСТУ UN/ECE R 111-00: 2002. Показано, что основной оценочный показатель поперечной устойчивости, а именно поперечное ускорение при опрокидывании, меньше допустимого, то есть устойчивость переоборудованного автобуса при устойчивом круговом движении обеспечивается.
Составлены дифференциальные уравнения движения газобаллонного автобуса в общем случае, решение которых позволило установить, что показатели маневренности газобаллонного автобуса находятся на уровне базовой бензиновой модели. Объясняется это тем, что критическая скорость и минимальный радиус поворота определялись для плоской “велосипедной” схемы автобуса, где перераспределение нормальных реакций на колесах одной оси не учитывается. Приведенная жесткость k управляющего колесного модуля существенно влияет на показатели устойчивости движения переоборудованного автобуса. Так, при величине k = 100 Н/рад движение автобуса при скорости 25 м/с является неустойчивым. При увеличении приведенной жесткости управляющего колесного модуля до 2000 Н/рад величина продольного и поперечного ускорений изменяется как от скорости движения, так и угла поворота управляющего колесного модуля. Если принять как нормативную величину бокового ускорения 4,5 м/с2, то при скорости 25 м/с угол поворота управляющего колесного модуля не должен превышать 0,05 рад (радиус поворота автобуса R ,8 м), а при скорости 8 м/с – 0,36 рад (R ,47 м). Полученные предельные углы поворота управляющего колесного модуля, радиусов поворота и скоростей движения находятся в зоне эксплуатационных параметров движения автобуса и потому должны быть учтены при переоборудовании автобусов.
В случае начального возмущения в виде “рывок руля” для газобаллонного автобуса движение будет колебательно неустойчивым. При увеличении скорости движения от 5 м/с до 8 м/с неустойчивость становится дивергентной, причем после потери устойчивости прямолинейного движения центр масс автобуса выходит на новый стационарный режим, который является круговым и устойчивым. При выполнении маневра “переставка” по величине изменения угловой скорости колесного управляющего модуля устойчивость движения газобаллонного автобуса ЛАЗ-695НГ обеспечена.
Проведенными экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность разработанной математической модели для определения влияния передаточных отношений трансмиссии на показатели тягово-скоростных свойств автобуса. Так, во всем диапазоне уменьшения мощности двигателя максимальная погрешность в определении нормированных ГОСТ 22576-90 показателей тягово-скоростных свойств не превысила 10
Материалы диссертационной работы внедрены в отделе конструкторских разработок и научно-технических экспертиз ДП “ГосавтотранНИИпроект” при разработке нормативной документации на переоборудовании бензиновых моделей автобусов ЛАЗ, ПАЗ и ГАЗ в газобаллонные.
Ключевые слова: газобаллонный автобус, передаточные отношения трансмиссии, тягово-скоростные свойства, топливная экономичность, устойчивость движения, колесный модуль.
Bumaga A.D. Improving the technical properties of urban gas buses. – Manuscript.
Thesis on competition for the scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.22.02 – Automobiles and tractors. – National Transport University, Kiev, 2005.
In thesis has been investigated the influencing of transmission’s gear box ratios and parameters of gas buses layout on indexes of tracktive properties, fuel profitability and moving stability. The method for determination the gear ratios of a gear boxes, which used on gas buses is proposed.
The lateral stability indexes has been determined for the gas bus LAS model. The differential equations of this bus motion in a common transport routes was compound, the solution
