НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ГОРБАХА Микола Миколайович

УДК 629.113

ПОКРАЩАННЯ ПОКАЗНИКІВ ТЕХНІКО –

ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ АВТОМОБІЛІВ

ПРИ ЇХ ПЕРЕОБЛАДНАННІ

Спеціальність 05.22.02 — Автомобілі та трактори

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному підприємстві „ДержавтотрансНДІпроект” Міністерства транспорту і зв’язку України.

Науковий керівник : |

доктор технічних наук, професор

Сахно Володимир Прохорович,

Національний транспортний університет, завідувач кафедри „Автомобілі”.

Офіційні опоненти : |

доктор технічних наук, професор

Самородов Вадим Борисович,

Національний університет „Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри „Автомобіле- і тракторобудування”, заступник генерального директора ВАТ „Харківський тракторний завод імені С. Орджонікідзе”;

кандидат технічних наук, доцент

Левківський Олександр Петрович,

Національний транспортний університет, кафедра „Виробництво, ремонт та матеріалознавство”.

Провідна установа : |

Східноукраїнський національний технічний університет ім. В. Даля Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автомобілі”, м. Луганськ.

Захист відбудеться “24” лютого 2006 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 “17” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток автомобільного транспорту на всіх етапах характеризується поліпшенням споживчих властивостей автомобіля, у тому числі і техніко-експлуатаційних, пов’язаних з витратами при їх експлуатації. Більше 30 % цих витрат складають витрати на паливно-мастильні матеріали. Прагнення провідних автомобілебудівних компаній світу знизити собівартість перевезень призвело до широкого використання дизелів, у тому числі і для автомобілів категорії N1. Не дивлячись на те, що вартість дизеля вище вартості бензинового двигуна аналогічної потужності, застосування дизелів для автомобілів категорії N1 є економічно виправданим. Це стосується і автомобілів “ГАЗель” – єдиних автомобілів категорії N1 на пострадянському просторі. На сьогодні ці автомобілі комплектуються бензиновими карбюраторними двигунами ЗМЗ-402, ЗМЗ-406, УМЗ-4215. Однак за даними численних досліджень, ці двигуни мають високу витрату палива, постійні протіки мастила та бензину, малий ресурс. Тому обгрунтованим і перспективним є встановлення на означені автомобілі дизелів. Проте, як показали проведені раніше дослідження, передаточні відношення коробок передач автомобілів “ГАЗель” навіть для використання з двигуном ЗМЗ не є оптимальними, а із розширенням функціональних можливостей автомобіля і заміни бензинового двигуна дизелем ця проблема ще більш ускладнюється.

Звязок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в рамках Галузевої програми енергозбереження та впровадження альтернативних видів палива на транспорті за темою „Проведення досліджень ефективності впливу на енергетичні, паливно-економічні та екологічні показники КТЗ і двигунів дослідних зразків систем двигунів і пристроїв, призначених для зменшення забрудненості довкілля і економії енергоресурсів”, що виконувалася ДП „ДержавтотрансНДІпроект” у 2001-2005 роках.

Метою роботи є підвищення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів категорії N1 при встановленні на них дизелів за рахунок оптимізації параметрів системи “двигун-трансмісія”.

Для досягнення поставленої мети задачі дослідження сформульовані наступним чином: 

обгрунтувати показники тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності, математичну модель та методику їх визначення для автомобілів категорії N1 зі штатними бензиновими двигунами та дизелями; 

розробити методику визначення оптимального ряду передаточних чисел трансмісії автомобілів категорії N1 після заміни штатних бензинових двигунів дизелями (переобладнання); 

визначити методом багатоваріантних розрахунків на ПК показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів категорії N1 після переобладнання зі штатною трансмісією та трансмісією з оптимальним рядом передаточних чисел; 

провести випробування автомобіля сімейства “ГАЗель” до переобладнання та після переобладнання з перевіркою експлуатаційних властивостей; 

узагальнити техніко-економічні показники використання різних типів двигунів для автомобілів категорії N1 та надати пропозиції щодо обладнання ними автомобілів.

Об’єктом досліджень є тягово-швидкісні властивості і паливна економічність автомобілів категорії N1.

Предметом досліджень є вплив параметрів системи „двигун-трансмісія” на показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів категорії N1 з бензиновими карбюраторними двигунами та дизелями.

Методи досліджень передбачали багатоваріантні розрахунки на ПК показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів категорії N1 зі штатними бензиновими карбюраторними двигунами і дизелями (після переобладнання) зі стандартною трансмісією та трансмісією з оптимальним рядом передаточних чисел, та експериментальну перевірку цих показників на автомобілі сімейства „ГАЗель”.

Наукова новизна результатів досліджень полягає у визначенні:

оптимальних параметрів системи „двигун-трансмісія” автомобілів категорії N1, за якої забезпечуються необхідні показники як тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності в різних умовах експлуатації;  

комплексу показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності, їх математичної моделі та методики обгрунтування раціональних параметрів  трансмісії автомобілів категорії N1 як при встановленні заданого типу двигуна, так і за можливості вибору типу двигуна при їх переобладнанні.

Достовірність результатів підтверджується: 

коректним використанням методів теорії автомобіля для визначення вихідних положень і складання рівнянь руху автомобілів категорії N1 з бензиновим двигуном і дизелем (до і після переобладнання) та адекватністю результатів математичного моделювання тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності експериментальним даним, які отримані при випробуваннях автомобіля сімейства „ГАЗель” категорії N1.

Практичну цінність результатів досліджень складають: 

методика визначення оптимальних параметрів системи “двигун- трансмісія” переобладнаних автомобілів категорії N1, за допомогою якої реалізується один із шляхів підвищення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів сімейства “ГАЗель”, а саме вибір трансмісії, передаточні відношення якої підібрані таким чином, що забезпечуються необхідні показники як тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності в різних умовах експлуатації.

Реалізація роботи. Матеріали дисертаційної роботи прийняті до впровадження ЗАТ „Бориспільський автозавод” при розробці сімейства автобусів на шасі вантажного автомобіля ГАЗ-3302 з різними силовими агрегатами, у тому числі і з дизелем Iveco, Mercedes-Benz, Andoria, VW DW, ГАЗ-5601, та ДП „ДержавтотрансНДІпроект” при узгодженні переобладнань автомобілів „ГАЗель” шляхом заміни штатних бензинових двигунів дизелями.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані у 9 наукових працях. Роботи [1-3] виконані самостійно. В роботах у співавторстві здобувачу належать: у роботі [4] – аналіз показників тягово-швидкісних властивостей газобалонних автобусів за різних рядів передаточних чисел трансмісії; у роботі [5] – аналіз результатів розрахунків передаточних чисел автомобілів КрАЗ; у роботі [6] – аналіз передаточних чисел трансмісії газобалонного автобуса; у роботі [7] – визначення передаточних чисел газобалонного автобуса за різними методиками; у роботі [8] – вибір критеріїв оптимальності при визначенні передаточних чисел трансмісії автомобіля; у роботі [9] – методика визначення оптимального ряду передаточних чисел трансмісії автомобілів КрАЗ.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи були викладені, обговорені та схвалені на 58-61 наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ (Київ, 2002-2005 рр.); науково-практичній конференції “Управління безпекою на автомобільному транспорті” (м. Київ, 15 жовтня 2004 р.).

Робота виконана у ДП „ДержавтотрансНДІпроект” Міністерства транспорту і зв’язку України. У ній представлені результати досліджень, проведених за участю автора у 2001  роках згідно з планами робіт ДП „ДержавтотрансНДІпроект”.

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані у 9-и статтях у наукових фахових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 156 сторінок; з них 29 ілюстрацій по тексту, 34 таблиці по тексту; 2 додатки на 2 сторінках; 104 найменувань використаних джерел на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, представлено загальну характеристику роботи, визначено мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів дослідження.

У першому розділі показано, що досягнення прийнятих показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів можливе за умови раціонального вибору параметрів системи “двигун-трансмісія”. Критичний огляд стану питання визначив відсутність комплексного системного підходу та цілісної методики для визначення показників техніко-експлуатаційних властивостей переобладнаних автомобілів, чим стримується розробка і пошук оптимальних рішень щодо їх конструкцій.

Другий розділ присвячений визначенню показників тягово - швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів.

При встановленні на автомобіль двигуна, не передбаченого заводом - виробником, важливою умовою ефективної експлуатації автомобіля є раціональний вибір параметрів системи „двигун – трансмісія”. Основною метою при переобладнанні автомобіля шляхом встановлення дизеля є поліпшення паливної економічності автомобіля при збереженні на прийнятому рівні показників тягово-швидкісних властивостей. Показники тягово-швидкісних властивостей серійних і переобладнаних автомобілів визначаються шляхом розв'язку диференціального рівняння руху, яке записується у вигляді

(1)

де прискорення автомобіля, м/с2; Мa – повна маса автомобіля, кг; об – коефіцієнт, який враховує обертові маси автомобіля; Pko – повна колова сила на ведучих колесах автомобіля, Н; сума сил опору руху автомобіля, Н.

При переобладнанні автомобілів їх масові і компонувальні параметри залишаються незмінними. Змінюється лише повна колова сила на ведучих колесах автомобіля та коефіцієнт, який враховує його обертові маси. Повна колова сила на ведучих колесах визначається параметрами двигуна, трансмісії і ведучих коліс автомобіля. Для визначення повної колової сили крива крутного моменту двигуна була апроксимована поліномом другого степеня

Mк = a2 + b + c, (2)

де a, b, c - сталі коефіцієнти, котрі визначають за допомогою інтерполяційної формули Лагранжа;

- кутова швидкість колінчастого валу двигуна, рад/с.

Параметри коробок передач, якими комплектуються двигуни, що встановлюють на автомобілі ГАЗ-3302 (подалі „ГАЗель”), наведені у табл. 1. Перші два варіанти розрахунку склали трансмісії зі штатними коробками передач, якими комплектуються ці двигуни; третій варіант – це штатна коробка передач „ГАЗель” з передаточними числами U1=4,05; U1=2,34; U3=1,39; U4=1,0; U5=0,849 за передаточного числа штатної головної передачі 5,125. Ще три інших варіанти розрахунку IV…VI склали ті ж трансмісії з іншим штатним передаточним числом головної передачі 4,556.

До основних параметрів технічної характеристики як серійного, так і переобладнаного автомобіля відносять максимальну швидкість руху. Цю швидкість визначають шляхом розв'язку рівняння потужнісного балансу автомобіля, яке записується у вигляді

, (3)

де k – коефіцієнт опору повітря, для автомобіля „ГАЗель” k=0,50 Нс2/м4; F – площа проекції автомобіля на площину, що перпендикулярна поздовжній осі автомобіля, F=ВЧH; В – колія передніх коліс автомобіля, В=1,7 м; Н – висота автомобіля, Н=2,22 м; kf – коефіцієнт, що враховує приріст сили опору кочення автомобіля від швидкості його руху, kf = 0,000036х2; f0 – коефіцієнт опору кочення за швидкості автомобіля 1 м/с, f0=0,010; Ga – сила тяжіння від повної маси автомобіля Ma=3500 кг, Ga=Ма9,81=34765 Н; Ne – максимальна потужність заданого типу двигуна, кВт; м - коефіцієнт корисної дії трансмісії, зм =0,92.

Розв’язок кубічного рівняння (3) здійснено за допомогою програмного забезпечення MаthCAD 8.0 Pro.

Окрім максимальної швидкості за енергетичними можливостями визначалася і максимальна швидкість руху автомобіля „ГАЗель” за кінематичними параметрами трансмісії. Результати розрахунків у цьому випадку показали на значні розбіжності у величинах максимальної швидкості руху. Тільки для автомобіля „ГАЗель” з двигунами Iveco-8140.43 та VW DV(1) максимальна швидкість за енергетичними можливостями перевищує максимальну швидкість за кінематичними параметрами. Це свідчить про те, що параметри силових агрегатів, що встановлюються на автомобілі „ГАЗель”, далекі від оптимальних.

Шляхом розвязку диференціального рівняння руху визначалися також час розгону автомобіля “ГАЗель” з місця до максимальної швидкості, шлях розгону, час та шлях розгону на вищих передачах, максимальне та середнє прискорення на передачах з різними двигунами і коробками передач (силовими агрегатами) та головними передачами. За цими показниками кращим є силовий агрегат з дизелем Iveco моделі 8140.43(2), найгіршим – силовий агрегат з дизелем Ford York 4AB(2). При цьому суттєвим є те, що час розгону автомобіля “ГАЗель” з дизелем Iveco значно менший, ніж у базової моделі.

Таблиця 1

Передаточні числа коробок передач, з якими агрегатуються двигуни, що встановлюються на автомобілі “ГАЗель”

Тип двигуна та його параметри:

Nмах, кВт/n, хв.-1;

Mмах, Нм/nM, хв.-1 | Варіант транс-місії

U1 | U2 | U3 | U4 | U5

VW DV (І):

68/ 3500; 195/2450;

VW DV (ІІ):

55/ 4300; 140/2250 | І | 5,01 | 2,53 | 1,47 | 1,00 | -

ІІ |

6,17 |

3,23 |

1,84 |

1,27 |

1,00

OM 616:

53/ 4400; 137/2400 | І | 6,157 | 3,148 | 1,743 | 1,278 | 1,00

ІІ | 5,45 | 2,705 | 1,542 | 1,00 | -

Ford York 4АВ:

51/ 4000;146/2500 | І | 3,89 | 2,08 | 1,34 | 1,00 | 0,82

ІІ | 4,17 | 2,24 | 1,47 | 1,00 | 0,82

Hyundai D4AB:

58,8/ 4200;159/2200 | І | 3,967 | 2,136 | 1,360 | 1,00 | 0,856

ІІ | 3,967 | 2,136 | 1,360 | 1,00 | 0,856

ГАЗ –5601:

70/ 3800; 200/2300 | І | 4,05 | 2,34 | 1,395 | 1,00 | 0,849

Iveco 8140.43:

90/ 3600; 285/1800 | І | 6,018 | 3,756 | 2,138 | 1,351 | 1,00

ІІ | 6,195 | 3,895 | 2,260 | 1,428 | 1,00

При розрахунках середньої швидкості руху автомобіля „ГАЗель” на маршруті та на дорозі, опір руху якої описується ймовірним законом розподілу, кращі результати мають автомобілі зі штатним силовим агрегатом, тому що основна частина шляху долається на останній і передостанній передачах, швидкість на яких для базової моделі автомобіля „ГАЗель” найбільша. Найгірші результати, як і за попередніми розрахунками, властиві автомобілю з силовим агрегатом Ford York 4AB. При погіршенні дорожніх умов, тобто при збільшенні опору руху, середня швидкість автомобілів з більш потужним двигуном Iveco-8140.43 стає більшою у порівнянні з автомобілями зі штатними силовими агрегатами. Пояснюється це тим, що подолання підвищеного опору руху автомобілем „ГАЗель” з силовим агрегатом Iveco-8140.43 здійснюється на IV та V передачах, у той час як усі інші автомобілі використовують і третю, і навіть другу передачі.

Аналіз показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля „ГАЗель” показав, що тільки за цими показниками однозначної відповіді про кращий двигун або силовий агрегат зробити не можна. Для остаточного вибору силового агрегату необхідно розглянути і паливну економічність автомобіля „ГАЗель” .

Згідно з опитуванням власників автомобілів „ГАЗель”, які отримували узгодження на переобладнання автомобілів шляхом встановлення дизелів чи силових агрегатів з дизелем різних фірм-виробників в ДП „ДержавтотрансНДІпроект”, було зроблено висновок, що 80% автомобілів експлуатуються в місті. Тому для порівняльної оцінки паливної економічності автомобіля „ГАЗель” достатньо розглянути мінімальну витрату палива (за паливно-економічною характеристикою), витрату палива в міському циклі на дорозі, паливну характеристику усталеного руху.

Розрахунки витрати палива автомобілем у різних режимах руху були виконані за методикою, запропонованою Я.Є. Фаробіним.

На рис. 1 наведені результати розрахунків витрати палива автомобілем “ГАЗель” у міському їздовому циклі і часу виконання циклу, із яких слідує, що за часом виконання циклу найкращі показники притаманні автомобілю з двигуном Iveco 8140.43 та трансмісією І варіанту, найгірші – автомобілю з дизелем OM616 та трансмісією ІІІ варіанту. Пояснюється це тим, що при виконанні циклу рух автомобіля здійснюється на нижчих передачах, де прискорення автомобіля „ГАЗель” з силовим агрегатом Iveco 8140.43 в 1,3...1,7 рази вищі, ніж у цього ж автомобіля, але з іншими силовими агрегатами.

За показником паливної економічності найкращі результати забезпечені автомобілем з дизелем ОМ616, найгірші – з бензиновим двигуном, а при незначній потужності дизеля Mercedes-Benz OM616 і незначній швидкості виконання циклу витрата палива таким двигуном буде найменшою.

Майже такі ж результати отримані і при визначенні мінімальної витрати палива (за паливно-економічною характеристикою) автомобілем „ГАЗель” з різними силовими агрегатами. Так, найменшу витрату палива має автомобіль „ГАЗель” з силовими агрегатами Ford York 4AB і OM616, найбільшу – автомобілі „ГАЗель” зі штатними силовими агрегатами.

Дещо інші результати отримані при визначенні середньої кілометрової витрата палива автомобілем „ГАЗель” у розглянутих вище умовах. Так, для автомобіля з різними дизельними силовими агрегатами і різними бензиновими силовими агрегатами витрата палива при русі по дорогах з асфальтобетонним покриттям у кожній групі автомобілів майже однакова. Пояснюється це тим, що збільшена витрата палива автомобілем з більш потужним двигуном компенсується більшою середньою швидкістю руху і в результаті майже однаковою середньою кілометровою витратою палива. При русі автомобіля по дорогах з перехідними типами покриття різниця між мінімальною і максимальною витратою палива автомобілем з різними дизельними силовими агрегатами значно збільшується і вже складає 11,6%, тому що для автомобілів з незначною потужністю двигуна збільшується частка руху на нижчих передачах, що призводить до підвищеної витрати палива.

Третій розділ присвячений вибору раціональних параметрів системи “двигун-трансмісія” переобладнаних автомобілів.

На основі тягового розрахунку автомобіля “ГАЗель” при заміні штатного бензинового двигуна тим чи іншим дизелем, параметри якого наведені у табл.1, встановлено, що існує суттєва різниця між штатним передаточним числом головної передачі і тим, за якого реалізується максимальна швидкість руху за енергетичними можливостями автомобіля. Тому доцільним є вибір із існуючого ряду головних передач такої, щоб забезпечувалося необхідне співвідношення між максимальною швидкістю руху і кінематикою трансмісії.

а)

б)

Рис.1. Діаграми витрати палива у міському їздовому циклі (а) і часу

виконання циклу (б) за ГОСТ 20306-90 автомобілем „ГАЗель”

з різними силовими агрегатами (примітка: _3 - для автомобіля

зі штатною коробкою передач автомобіля „ГАЗель”)

У запропонованій методиці покладено рівність тягових зусиль на колесах автомобіля при заміні бензинового двигуна дизелем. Для цього необхідно визначити повну колову силу на ведучих колесах автомобіля.

Pкол.i = Aiх2 + Biх + Ci, (4)

де , , ,

Ui  загальне передаточне відношення трансмісії автомобіля на і-ій передачі; rд та rк  динамічний радіус та радіус кочення колеса, м.

Таким чином, для одержання однакових показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля „ГАЗель” зі штатним бензиновим двигуном ЗМЗ-4063, який найбільш часто встановлюють на автомобіль „ГАЗель”, що переобладнується, і автомобілем з дизелем необхідно, щоб праві частини рівняння (4) були або однаковими, або мало відрізнялися між собою, тобто

Aiбх2 + Biбх + Ciб=Aiдх2 + Biдх + Ciд (5)

Виразимо передаточне відношення трансмісії автомобіля, переобладнаного шляхом заміни бензинового двигуна дизелем, через передаточне відношення базової моделі.

Отримаємо:

Uтрд=Uтр (6)

Розвязок рівняння (5) з урахуванням виразу (6) дозволяє визначити коефіцієнт . У табл. 2 наведені значення коефіцієнта для автомобіля „ГАЗель”, переобладнаного заміною штатного бензинового двигуна дизелем, а також передаточні відношення головної передачі автомобіля як з урахуванням коефіцієнта , так і ті, що необхідні для забезпечення максимальної швидкості руху.

Проведеними розрахунками встановлено, що тільки для автомобіля „ГАЗель” з силовим агрегатом VW DV і Mercedes-Benz OM616 передаточне відношення головної передачі U0, що визначено за умови забезпечення максимальної швидкості руху і рівності тягових зусиль автомобіля до і після переобладнання, можна вважати вдалим. Проте і для цих автомобілів штатне передаточне відношення головної передачі суттєво відрізняється від розрахункового. У всіх інших випадках U0 повинно змінюватися, причому у досить широких межах. Тому необхідно розглянути і інші методи визначення параметрів системи „двигун-трансмісія” при переобладнанні автомобілів „ГАЗель”, зокрема методи оптимізації передаточних чисел трансмісії.

Таблиця 2

Значення коефіцієнта , передаточного відношення на останній передачі Unn та передаточного відношення головної передачі U0 для автомобіля „ГАЗель” при переобладнанні

Марка, модель силового агрегату з двигуном |

Unn | U0

за умови рівності тягових зусиль на передачах | за умови забезпечення vmax

ГАЗ-5601 | 0,849 | 1,08 | 5,535 | 5,782

Iveco-8140.43(1) | 1,0 | 0,501 | 2,568 | 4,194

Iveco-8140.43(2) | 1,0 | 0,489 | 2,506 | 4,194

Hyundai D4AB | 0,856 | 1,405 | 7,202 | 5,752

VW DV(1) | 1,0 | 0,913 | 4,769 | 4,577

VW DV(2) | 1,0 | 1,092 | 5,597 | 5,894

OM 616(1) | 1,0 | 1,171 | 6,001 | 6,182

OM 616(2) | 1,0 | 1,264 | 6,478 | 6,182

Ford York 4AB(1) | 0,82 | 1,536 | 7,872 | 6,944

Ford York 4AB(2) | 0,82 | 1,497 | 7,672 | 6,944

Сьогодні для визначення ряду передаточних відношень трансмісії автомобіля використовують математичний апарат чисельних методів оптимізації. При виборі критеріїв для оптимізації параметрів системи ”двигун-трансмісія” необхідно добиватися того, щоб абсолютні значення критеріїв були одного порядку, оскільки в противному разі один із критеріїв може перевищити всі останні, а це, в свою чергу, не забезпечить оптимальних показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля. З цією метою в ДП „ДержавтотрансНДІпроект” була розроблена спеціальна опитувальна анкета, в якій власникам транспортних засобів пропонувалося визначити критерії оптимізації для показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності при переобладнанні автомобілів та коефіцієнти вагомості для них. За результатами опитування були прийняті такі критерії: G1 – час розгону до швидкості 16,67 м/с( 60 км/год), с; G2 – швидкість автомобіля на шляху 400 м, м/с; G3 – швидкість автомобіля на шляху 1000 м, м/с; G4 – швидкість автомобіля на ухилі 3%, м/с; G5 – середня швидкість руху на дорозі змінного поздовжнього профілю, м/с; G6 – середня швидкість руху на асфальтобетонній дорозі, м/с; G7 – середня швидкість руху на дорозі з перехідними типами покриття, м/с; G8 – максимальний долаємий підйом на першій передачі, град.; G9 – максимальний долаємий підйом на останній передачі, град.; Q1– контрольна витрата палива, л/100 км; Q2 – витрата палива за швидкості 16,67 м/с, л/100 км; Q3 – витрата палива у міському їздовому циклі, л/100 км; Q4 – середня витрата палива на асфальтобетонній дорозі, л/100 км; Q5 – середня витрата палива на дорозі з перехідними типами покриття, л/100 км.

Зауважимо, що вибрані критерії не є обов’язковими для всіх автомобілів, що підлягають переобладнанню, і в залежності від цілей, які ставить перед собою дослідник, та умов експлуатації ці критерії можуть змінюватися.

Кожний із наведених критеріїв є функцією як параметрів двигуна, що встановлюється при переобладнанні автомобіля, так і передаточних відношень трансмісії (коробки передач і головної передачі), тобто Gі=f (Um1, Um2, … Umk) і Qi=f1(Um1, Um2, … Umk). Проте, при таких обраних критеріях, як показує аналіз, критерії G1, Q1- Q5 повинні досягати свого мінімального значення, а критерії G2-G9 - свого максимального значення.

Для усіх варіантів трансмісії (І...VІ) і кожного типу двигуна були розраховані показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля, які прийняті у якості критеріїв оптимізації.

Якби за обраної потужності двигуна всі критерії Gі і залежали б тільки від передаточного відношення трансмісії, то оптимальну трансмісію слід було б шукати за параметром, який задовольняє комплексному показнику, що враховує мінімуми функцій G1, Q1-Q5= f1(Umi) i максимуми функцій G2-G9= f2(Umi) з урахуванням вагомості кожного із критеріїв. Це був би одномірний, добре вивчений пошук, який дозволив би визначити таку трансмісію, яка найбільш повно відображає вимоги до трансмісії при переобладнанні автомобілів.

Проте, для реального автомобіля і реальних умов експлуатації показники як тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності залежать не тільки від параметрів двигуна і одного конкретного передаточного відношення трансмісії (коробки передач, головної передачі), 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 варіанти можливих трансмісій при переобладнанні автомобіля, які забезпечують оптимальні показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля у певних умовах експлуатації. При цьому дуже важливим є обґрунтований вибір критеріїв вагомості для обраних показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля. Ці коефіцієнти були встановлені за результатами обробки опитувальної анкети, табл. 3.

Таблиця 3

Критерії оптимізації та коефіцієнти вагомості

Критерій | G1 | G2 | G3 | G4 | G5 | G6 | G7 | G8 | G9 | Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Q5

Коефіцієнт вагомості | 0,12 | 0,06 | 0,05 | 0,06 | 0,04 | 0,07 | 0,05 | 0,11 | 0,09 | 0,05 | 0,10 | 0,12 | 0,03 | 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, контрольна витрата палива автомобілем); , якщо максимізується значення окремого критерію (наприклад, величина прискорення на останній передачі); Aj, Al – коефіцієнти вагомості для тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності відповідно.

У якості оптимальної трансмісії при переобладнанні автомобіля і заміні штатного бензинового двигуна дизелем приймаємо таку, за якої забезпечується мінімальне значення цільової функції.

За результатами розрахунків значення цільової функції для всіх варіантів трансмісії автомобіля при його переобладнанні, виконаних за допомогою програмного забезпечення Mathcad 8 Pro, для кожного типу двигуна встановлено варіант трансмісії, за якого забезпечуються кращі показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності.

У разі, коли є наявність вибору дизеля і варіанту трансмісії, то необхідно розглянути ще і обмеження на окремі критерії. Ці обмеження визначаються найгіршими, але ще допустимими значеннями критерію. При цьому вводиться штрафна функція

,

де - найгірші, але ще допустимі значення окремих критеріїв; - вагові коефіцієнти штрафних функцій; - число введених обмежень на штрафні функції.

Аналіз нормативних документів щодо показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності, умов експлуатації переобладнаних автомобілів, а також побажань замовників щодо переобладнання автомобілів і заміни бензинового двигуна дизелем встановлено, що такими обмеженнями можуть бути: G1 – максимальна швидкість руху – не менше 30 м/с; G2 – час розгону до швидкості 60 км/год – не більше 25 с; G3 – максимальний підйом, що може подолати автомобіль з повним вантажем, – не менше 28%; G4 – вартість переобладнання – не більше 40 $ США на одиницю встановленої потужності; Q1 – контрольна витрата палива – не більше 7,5 л/100 км; Q2 – витрата палива у міському їздовому циклі – не більше 11,5 л/100 км; Q3 – витрата палива при русі по асфальтобетонній дорозі – не більше 10,5 л/100 км.

З урахуванням значення штрафної функції встановлено, що мінімальне значення цільової функції Н досягається при заміні штатного бензинового двигуна дизелем Mercedes-Benz OM616 і коробкою передач з передаточними числами uk1=4,05; uk2=2,34; uk3=1,395; uk4=1,0; uk1=0,849 і штатною головною передачею автомобіля “ГАЗель” з передаточним числом u0=5,125 (Дещо гірші, але ще прийнятні значення можна отримати при заміні штатного бензинового силового агрегату дизельним силовим агрегатом VW (II) і головною передачею з передаточним відношенням u0=4,556 ( Таке переобладнання може бути рекомендоване як основне при заміні штатного бензинового двигуна автомобіля “ГАЗель” дизелем.

Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобіля з різними силовими агрегатами.

Метою експериментальних досліджень була перевірка адекватності розробленої математичної моделі і вихідних положень, покладених в основу розрахунку параметрів тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів категорії N1.

В програму експериментальних досліджень входило визначення показників швидкісних властивостей автомобіля „ГАЗель” до переобладнання зі штатним силовим агрегатом ЗМЗ-4063 та після переобладнання з дизельним силовим агрегатом Mercedes-Benz OM616.912 відповідно до ГОСТ 22576-90 та показників паливної економічності автомобіля відповідно до ГОСТ 20306-90.

Об’єктом досліджень був автомобіль БАЗ-2215 на шасі автомобіля категорії N1 ГАЗ-3302 з бензиновим силовим агрегатом ЗМЗ-4063 і дизельним силовим агрегатом Mercedes-Benz OM616.912.

Для визначення показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля було використано вимірювальний комплекс БВК-1 виробництва ДП “ДержавтотрансНДІпроект”, за допомогою якого вимірювались: швидкість руху, шлях і час руху тощо. Для вимірювання витрати палива автомобілі обладнувалися датчиком витрати витіснюючого типу серії FP2140H ONO SOKKI.

Стендові дослідження автомобіля з бензиновим силовим агрегатом та дизельним силовим агрегатом проводилися в лабораторії випробувань та діагностики автомобілів ДП “ДержавтотрансНДІпроект” на стенді для діагностики тягових властивостей автомобілей. Дослідження проводились за допомогою випробувального комплексу для проведення випробувань за їздовими циклами при визначенні паливної економічності автомобілів.

На рис.2 представлена паливно-економічна характеристика автомобіля БАЗ-2215 з різними силовими агрегатами. Співставлення даних експериментальних досліджень з розрахунковими показує на задовільну збіжність результатів. Максимальні відхилення розрахункових значень від експериментальних не перевищують 7,2%.

Рис. 2. Паливна характеристика усталеного руху автомобіля

"ГАЗель" з різними силовими агрегатами

Проведеними експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність розробленої математичної моделі для визначення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів. Так, при визначенні показників тягово-швидкісних властивостей максимальне відхилення розрахункових значень від експериментальних не перевищило 9,0 %, витрати палива у міському їздовому циклі – 9,1%, витрати палива в усталеному русі – 7,2%.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Практика експлуатації автомобілів сімейства „ГАЗель” свідчить про доцільність переобладнання автомобілів категорії N1 заміною бензинового силового агрегату дизельним. У залежності від конструктивних рішень, прийнятих при переобладнанні автомобілів, потужність двигуна може змінюватися в широких межах (для автомобіля “ГАЗель” від 51 кВт – двигун Ford York 2.51D 4AB до 90 кВт – двигун Iveco 8140-43). Проте, як показали проведені раніше дослідження, передаточні відношення трансмісії автомобілів “ГАЗель” навіть з бензиновими двигунами ЗМЗ не є оптимальними, а із розширенням функціональних можливостей автомобіля і обладнання його різними дизелями ця проблема ще більш ускладнюються.

2. Проведеними розрахунками показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності автомобілів сімейства „ГАЗель” встановлено, що жоден із 10 розглянутих силових агрегатів, зокрема з двигунами Hyundai D4AB, Iveco 8140-43, Ford York 2.5 ID 4AB, Mercedes-Benz OM 616, VW DW, ГАЗ-5601 не забезпечує оптимальні значення максимальної швидкості руху, часу та шляху розгону до максимальної швидкості, середніх і максимальних прискорень, сили тяги на гаку, середньої швидкості на маршруті та на дорозі, опір руху якої описується ймовірним законом розподілу, а також за мінімальною витратою палива (за паливно-економічною характеристикою), витрати палива в міському їздовому циклі та часу виконання цього циклу.

3. Встановлено, що за більшістю показників тягово-швидкісних властивостей кращим є автомобіль „ГАЗель” з силовим агрегатом Iveco 8140.43. Проте неузгодженість енергетичних і кінематичних параметрів автомобіля з цим силовим агрегатом не дозволяє рекомендувати його для встановлення на автомобіль без повної модернізації трансмісії.

За прийнятими показниками паливної економічності автомобілі сімейства „ГАЗель” з усіма дизельними силовими агрегатами майже однакові, у той час як за мінімальною витратою палива (за паливно-економічною характеристикою) та витратою палива у міському їздовому циклі перевагу слід віддати автомобілям з силовими агрегатами Ford York 4AB та Mercedes-Benz OM616.

4. Розроблена математична модель для узгодження енергетичних і кінематичних параметрів системи „двигун-трансмісія”, за результатами дослідження якої встановлено:

- для автомобіля „ГАЗель” з силовим агрегатом VW DV і Mercedes-Benz OM616 передаточне відношення головної передачі, що визначено за умови забезпечення максимальної швидкості руху і рівності тягових зусиль базової бензинової моделі і переобладнаної, можна вважати задовільним не зважаючи на незначне погіршення показників тягово-швидкісних властивостей у порівнянні з базовою бензиновою моделлю, зокрема по максимальній швидкості на 9,8%, часу проходження дільниці 400 м – на 9,77%, 1000 м – на 7,37%, часу розгону до швидкості 90 км/год – на 13,77%. Проте при цьому мінімальна витрата палива (за паливно-економічною характеристикою) зменшується на 26,4%, а витрата палива у міському циклі – на 37,0%;

- кращі показники тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності забезпечуються: при заміні штатного силового агрегату дизелем VW (I) – трансмісією VІ типу; дизелем VW (II) – трансмісією IV типу; дизелем Iveco 8140-43 – трансмісією VІ типу; дизелем Mercedes-Benz OM616 – трансмісією ІІІ типу; дизелем Ford York – трансмісією І типу; дизелем Hyundai D4AB – трансмісією ІІІ типу; дизелем ГАЗ-5601 – трансмісією ІІ типу.

5. Розроблена математична модель для вибору параметрів системи „двигун-трансмісія” при переобладнанні автомобілів сімейства „ГАЗель” за наявності різних типів дизелів та коробок передач. За критеріями оптимальності тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності та їх коефіцієнтами вагомості були встановлені оптимальні параметри системи „двигун-трансмісія”. Мінімальне значення цільової функції з урахуванням штрафної функції досягається при заміні штатного бензинового двигуна дизелем Mercedes-Benz OM616 і незмінній трансмісії автомобіля „ГАЗель”.

6. Проведеними експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність розробленої математичної моделі для визначення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів. Так, при визначенні показників тягово-швидкісних властивостей максимальне відхилення розрахункових значень від експериментальних не перевищило 9,0%, а паливної економічності – 9,1%.

7. Результати досліджень щодо аналізу взаємозв'язків між базовими конструктивними параметрами переобладнаних автомобілів та показниками їх тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності прийняті до впровадження відділом конструкторських розробок та науково-технічних експертиз ДП “ДержавтотрансНДІпроект” та ЗАТ “ Бориспільський автозавод”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Горбаха М.М. До питання переобладнання вантажних автомобілів в Україні // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів. – К., 2002. – №15. – С. 65 – 68.

2. Горбаха М.М. До визначення показників тягово-швидкісних властивостей та паливної економічності автомобіля „ГАЗель” // Автошляховик України. Окремий випуск. Управління безпекою на автомобільному транспорті. – 2004. – С. 135 – 140.

3. Горбаха М.М. Визначення показників тягово-швидкісних властивостей автомобіля „ГАЗель” з різними силовими агрегатами // Вісник Національного транспортного університету. – К., 2003. – №8. – С. 307 – 310.

4. 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. – К., 2002. – № 7. – С. 340 – 344.

5. Сахно В.П., Павленко О.В., Горбаха М.М. Аналіз ефективності оптимізації передаточних чисел трансмісії автомобілів КрАЗ за різними критеріями оптимальності // Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру транспортної академії України. – 2002. – №5. – С. 73 – 75.

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” // Автошляховик України. Окремий випуск. Управління безпекою та якістю транспортних засобів і перевезень. – 2003. – С. 102 – 105.

7. Сахно В.П., Бумага О.Д., Горбаха М.М. До визначення показників тягово-швидкісних властивостей газобалонного автобуса // Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру транспортної академії України. – 2003. – Окремий випуск №6. – С.129 – 133.

8. Сахно В.П., Павленко О.В., Горбаха М.М. Математична постановка задачі оптимізації передаточних чисел трансмісії автомобіля // Автошляховик України. Окремий випуск. Вісник Північного наукового центру Транспортної академії України. – 2004. – №7. – С. 135 – 138.

9. Сахно В.П., Павленко А.В., Горбаха М.М. Анализ применения методов безусловной оптимизации передаточных чисел трансмиссии грузового автомобиля повышенной проходимости // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. – Кременчук: КДПУ, 2004. – Вип. 4(27). – С. 123 – 126.

АНОТАЦІЯ

Горбаха М.М. Покращання показників техніко-експлуатаційних властивостей автомобілів при їх переобладнанні. — Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 — Автомобілі та трактори. — Національний транспортний університет, Київ, 2006.

В роботі проведено дослідження показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів „ГАЗель” шляхом заміни штатного бензинового двигуна дизелем.

Розроблена математична модель для вибору параметрів системи „двигун-трансмісія” при переобладнанні автомобілів сімейства „Газель” за наявності різних типів дизелів та коробок передач.

Встановлено, що за більшістю показників тягово-швидкісних властивостей кращим є автомобіль „ГАЗель” з силовим агрегатом Iveco 8140.43. Проте неузгодженість енергетичних і кінематичних параметрів автомобіля з цим силовим агрегатом не дозволяє рекомендувати його для встановлення на автомобіль без повної модернізації трансмісії.

Розроблена методика визначення оптимальних параметрів системи “двигун- трансмісія” переобладнаних автомобілів категорії N1, за допомогою якої реалізується один із шляхів підвищення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів сімейства “ГАЗель”, а саме вибір трансмісії, передаточні відношення якої підібрані таким чином, що забезпечуються необхідні показники як тягово-швидкісних властивостей, так і паливної економічності в різних умовах експлуатації.

Проведеними експериментальними дослідженнями підтверджена адекватність розробленої математичної моделі для визначення показників тягово-швидкісних властивостей і паливної економічності переобладнаних автомобілів.

Ключові слова: автомобіль, двигун, система “двигун-трансмісія”, тягово-швидкісні властивості, паливна економічність.

АННОТАЦИЯ

Горбаха Н.Н. Улучшение показателей технико-эксплуатационных свойств автомобилей категории N1 при их переоборудовании. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 — Автомобили и тракторы. — Национальный транспортный университет, Киев, 2006.

Практика эксплуатации автомобилей семейства „ГАЗель” свидетельствует