автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Выбор путей снижения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с гидридными силовыми установками

На правах рукс>диси

НГУЕН ХАК ТУАН

ВЫБОР ПУТЕЙ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ С ГИБРИДНЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 Ш 2011

МОСКВА-

2011

4841415

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

«МАМИ»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

кандидат технических наук, профессор Селифонов Валерий Викторович

доктор технических наук, профессор Галевский Евгений Александрович

кандидат технических наук, доцент Фоминых Александр Борисович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ГНЦ РФ ГУП «НАМИ»

Защита диссертации состоится 21 апреля 2011 г. в 16— на заседании Диссертационного Совета Д.212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38," МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат размещён на сайте www.mami.ru Автореферат разослан « »_2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета , у Щетинин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для современного машиностроения характерны установившиеся тенденции улучшения эксплуатационных свойств (производительность, экономичность, экологичность и др.) вновь проектируемых и модернизируемых машин. Это является следствием, с одной стороны, жесткой конкуренции на мировом товарном рынке, и с другой стороны, сознания обществом проблемы конечности сырьевых ресурсов и необходимости бережного отношения к богатствам природы и к окружающей среде, неотъемлемой частью которой является человек. Поэтому в процессе совершенствования автомобильного транспорта значительные усилия направлены на снижение расхода топлива и токсичности выхлопных газов. Весьма перспективным направлением решения данных задач в настоящее время считается применение гибридных силовых установок.

Анализ ранее проведенных работ в области исследования автомобиля с ГСУ показывает, что большинство исследований гибридных силовых установок транспортных машин направлено на теоретическое и экспериментальное изучение управления таким автомобилем и на изучение управления топливной экономичностью автомобиля с ГСУ, на изучение автоматизированного синтеза и поиск оптимальных параметров энергосиловых установок и т.д. В некоторых конструкциях автомобилей с гибридной силовой установкой параллельного типа процесс запуска ДВС с ходу является режимом, предусмотренным алгоритмом управления гибридной силовой установкой. Однако в настоящее время нет общего подхода к определению динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу. Поэтому вопрос разработки теоретических и экспериментальных методов для исследования данной технической задачи до настоящего времени остается актуальным.

Цель работы. Выбор путей снижения динамических нагрузок в механических трансмиссиях автомобилей с ГСУ.

Объект исследования. Объектом исследования является механическая трансмиссия автомобиля с гибридной силовой установкой.

Методы исследования, используемые в работе приемы базируются на основных положениях теории автомобиля, на методах построения математических моделей систем автомобиля, на методах компьютерного моделирования, на методах инженерного эксперимента.

В качестве теоретической базы для проведения исследований использовались фундаментальные и прикладные труды ведущих российских и зарубежных ученых.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана рациональная расчетная схема механической трансмиссии автомобиля с ГСУ, описывающая процесс запуска ДВС с ходу. Разработана методика определения ее основных входных данных;

2. Построена математическая модель по разработанной расчетной схеме, на основании которой создан пакет программного обеспечения для определения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу;

3. Разработана методика исследования влияния структурных параметров и внешних моментов на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ при запуске ДВС с ходу;

4. Определены, проанализированы и проведены сравнения величин динамических нагрузок в трансмиссии экспериментального автомобиля УАЭ-3153 с ГСУ и на стенде, имитирующим трансмиссию автомобиля ВАЛДАЙ с ГСУ (МГТУ «МАМИ»),

5. Разработаны пути снижения динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ параллельного типа при запуске ДВС с ходу. Практическая значимость результатов диссертации. Предложенная методика позволяет определить динамические нагрузки, возникающие в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ, при характерных условиях эксплуатации автомобиля, а также исследовать влияние структурных факторов трансмиссии и внешних моментов на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля с ГСУ, что дает конструкторам возможность выбора наиболее обоснованного варианта конструкции. Таким образом, диссертация имеет достаточно весомое практическое значение.

Предложенная методика используется в учебном процессе при изучении дисциплины "Конструирование и расчет автомобиля" при исследовании динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу.

Реализация результатов диссертации работы. Разработанная методика расчета динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками будет полезна как инженерно - техническим

работникам автозаводов, так и студентам высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международном научном симпозиуме «Автотракторо-строение-2009» в г. Москве, на Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» в 2010г. во г. Владимире, в ходе Научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в г. Санкт-Петербурге в 2010г., на IX Международной научно-технической конференции «Вибрация—2010. Управляемые вибрационные технологии и машины» в г. Курске.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях по перечню ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц и 104 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность работы, формируются цели исследования и определяются пути достижения поставленной задачи.

В первой главе представлены конструкции механической трансмиссии автомобиля с ГСУ и дан обзор работ, касающихся исследования динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ.

Наиболее серьезные исследования, посвященные данной проблеме, выполнены за последние годы рядом российских ученых: C.B. Бахмутовым, Е.И. Блиновым, Е.А.Галевским, P.M .Галиевым, Н.В. Гулиа, О.Н. Дидма-нидзе, М.М. Дижуром, И.С. Ефремовым, В.А. Звоновым, С.А. Ивановым, Д.В. Изосимовым, A.A. Ипатовым, В.Ф.Каменевым, А.Л. Каруниным, И.П. Ксеневичем, JI.IO. Лежневым, В.В. Ломакиным, Б.И. Петленко, В.А. Петровым, В.Е. Розенфельдом, В.В. Селифоновым, А.Д. Степановым, В.А. Ум-няшкиным, Н.М. Филькиным, В.М. Фоминым, А.Б. Фоминых, Б.Я. Черняком, С.Ю. Шугуровым, A.A. Эйдиновым, В.Е. Юггом. Данную проблему также исследовали M.Berg, P. Chudi, R.Krishnamachari, A. Malmquist, J.

Maxwell, P. Papalambros, Fazal U. Syed, Ming L. Kuang, Cikanek S.R, J.A. MacBain и др.

Очевидно, что в настоящее время большинство исследований гибридных силовых установок транспортных машин направлено на теоретическое и экспериментальное изучение управления автомобилем, а также проблемы топливной экономичности автомобиля с ГСУ, автоматизированного синтеза, поиска оптимальных параметров энергосиловых установок и др.

Вопросы изучения динамических нагрузок и динамических процессов, происходящих в трансмиссии автомобиля с ГСУ при определённых условиях эксплуатации машин, связаны с оценкой качества энергосиловой установки и влиянием различных динамических процессов на такие показатели как надежность, долговечность, износостойкость, работоспособность.

Однако в настоящее время нет исследований по определению динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу. В связи с этим поставлены следующие задачи исследования:

1. Проанализировать конструкцию механической трансмиссии автомобиля с ГСУ, ее динамическую модель;

2. Разработать математическую модель, описывающую динамические процессы в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу;

3. Разработать пакет программного обеспечения на ПЭВМ для исследования динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ;

4. Определить и исследовать влияние разных параметров на формирование на этом режиме динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ;

5. Провести испытания и сравнить результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ. Проведен анализ методик определения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ разных типов.

Известен метод исследования динамических нагрузок агрегатов машин, в том числе трансмиссии автомобиля, - метод математического моделирования. Преимущества математических моделей состоят в том, что они позволяют осуществлять предсказания, которые можно сравнить с реаль-

ными данными, поставив эксперимент или проведя необходимые наблюдения. Следует отметить, что создание математической модели - трудная стадия моделирования; математической моделью любой реальной системы является некоторое уравнение или система уравнений с определенными значениями параметров и определенными граничными условиями. Во многих случаях для решения этих уравнений традиционными аналитическими методами требуется использование серьезного, порой очень сложного математического аппарата. При определенных условиях решения в аналитической форме отсутствуют. Эффективным путем преодоления этих трудностей считается компьютерное моделирование. В настоящее время существует довольно большое число программ, предназначенных для моделирования динамических процессов агрегатов машин, например, универсальных программ, MATLAB, MSC.ADAMS, а также программ, ориентированных на конкретные объекты, например, CARSIM, EASY5 (MSC Software), ALASKA, SIMDRIVELINE, ADVISOR, MODELICA и т.д. Все программы данного типа автоматизируют процесс формирования уравнений движения конкретной механической системы на основе описания инерционных, геометрических, кинематических параметров, моделей силовых взаимодействий, выбранных или заданных пользователем. Очевидно, что этот подход не может быть использован для моделирования сложной динамической системы, так как, во-первых, принципиально не поддерживает мультидоменные компонентные модели с ненаправленными связями и, во-вторых, не позволяет задавать описание элементарных компонент средствами входного языка, что приводит к появлению в модели искусственных структурных схем, не соответствующих структуре моделируемой системы. На основании вышеперечисленного анализа для исключения недостатков, о которых было сказано раньше, в данной диссертационной работе был использован метод построения математического моделирования при помощи языка MATLAB 7.0 и пакета моделирования SIMULINK.

В работе предложены математические модели для исследования динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ разных типов: трансмиссии автомобиля YA3-3153 параллельного типа, трансмиссии автомобиля смешанного типа с одним режимом (TOYOTA Prius) и с двумя режимами разделения мощности ДВС (автобус GM), а также математическая

модель стендовой трансмиссии автомобиля ВАЛДАЙ с ГСУ, разработанной на кафедре «Автомобили» МГТУ «МАМИ».

На рис. 1-2 представлена кинематическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ и ее расчетная модель.

#

Ь'

пш

С

'пне 'с

\Гэ

и

"о

Ь' с'

зш зш

Рис.1. Кинематическая схема трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ

Рис.2. Расчетная модель трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ В модели на рис.2 обозначены: моменты инерции, крутильные коэффициенты жесткости и коэффициенты демпфирования, приведенные к первичному валу коробки передач, а именно: /две - обобщенный момент инерции маховика, /э- обратимой электромашины; 1С - ведомого диска сцепления, /Кп - КП и раздаточной коробки; /пк, /зк - деталей переднего и заднего мостов включая колеса в сборе; /д - момент инерции эквивалентный поступательно-движущейся массе автомобиля; шесть упругих звеньев с э/сесткостями С и шесть демпфирующих звеньев с коэффициентами демпфирования Ь, из которых Сс и Ьс - характеризует эквивалентную крутильную жесткость и коэффициент демпфирования сцепления, Сэ и Ьэ - крутильную жесткость и коэффициент демпфирования звена, связывающего вал электродвигателя с раздаточной коробкой, Ст-р, Сзтр, ¿птр и ¿зтр,- крутильные жесткости и коэффициенты демпфирования деталей трансмиссий переднего и заднего мостов; Сгшь С3ш, ¿>пш и 6ЗШ - тангенциальные жесткости и коэффициенты демпфи-

рования шин соответственно передних и задних колес; внешние моменты: А/сп — сумма момента сопротивления подъему и аэродинамическому сопротивлению, Мэ- крутящий момент обратимой электромашины, Мс - момент трения в муфте сцепления, Мцпс ~ момент ДВС; А/п, М1и - моменты сопротивления качению на ведущих колесах переднего и заднего мостов.

Приведенные значения моментов инерции, углов поворотов инерционных масс, коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии, приведенных к первичному валу коробки передач, определяются следующим образом:

>. , \ 1 , Ч 7

1

/ = г I =/'/= /' '

ДВС 1 №'■ ' с С '1 э 1 э,

икп у

•/ =/• I 1

'*пк 1 пк\

г1ог'/;п У

и,м,г,

о"кп У

1 ) . . . ... 1'кл.

, •><Рм*с = <Рд1>с'><Рс = <Рс'><Рэ=<Рэ---><Ркп=Фкп '■№пк=Ч> чкЩикп>

\*<Ркп) иэ

"э 1 , I 1

<Рж = <Рж иоикп><Ра=<Р а и<Рюг>со = сс >'сэ = сэ "" ">спп- = сгпг,

\иКП ) I "о"«г,

С Г-Ц'"* -С [-±-

"о икп) \.Щикп) \Щ»КП

— I \ЪУ1Т=Ъ\т\—— \ ;ЬШ=Ь'ЗШ —— ;ЬПШ =Ь'П ки0икп] \Щ"кп) 1"о "кп)

где «э - передаточное число от вала обратимой электромашины до вторичного вала коробки передач; ит - передаточное число коробки передач; щ - передаточное число главной передачи.

Дифференциальные уравнения движения системы, приведенной на рис. 2, записываются в следующем виде:

1лкУлнс=Мт.-Мс\ 1эфэ=Мэ-Муэ\ 1сфс=Мс-Мус;

¡кпФкп = Мус+Муэ-Мт-МпгА КкФтс = Мтт ~Мпк~М,п> 1жфж=Мт,-Мж-М„, 1Афл=Мж+Мт-Ма7; Муэ=с3(1рэ-ф1<п)+Ьэ(фэ-ф/{п); Щс=сс(<рс-фкп)+Ьс(фс-фкп); мт>' = сгпЛ'Ркп ~<Рпк)+1>т,{фкп -фш(У, Мт=сш{<ркп -^ж)+Ьт(фкп-фж); Мж=Ст(<Р-ж-<Рл) + ьзш(Фзк-</>лУ> Мгк=спш{<рш-<рл) + Ьш]1{<1>пк-фл\ где: Муэ - упругий момент в приводе электромашины, МтР, А/зт[> - упругие моменты в приводе переднего и заднего мостов, Мщс, Л/зк - упругие моменты на колесах переднего и заднего мостов.

При запуске ДВС с ходу момент сопротивления ДВС описывается выражением:

м^=-ду„(£+Им) ,н-м

где: V,,, п - рабочий объем и обороты коленчатого вала ДВС; для бензинного двигателя В=0,4-0,5, Б =0,00035, (2=12,5.

Для учета темпа включения при определении динамических нагрузок в трансмиссии задается алгоритм изменения момента трения сцепления Мс в виде экспоненциальной зависимости от времени включения сцепления:

где: Мтт - максимальный статический момент трения в муфте сцеплении; к = 3//с — константа, характеризующая темп включения сцепления; -время включения сцепления. Её можно принять в пределах /„„¡„=0,015с, ^стах 1,5 с.

Таким образом, решая систему уравнений (1), определяем упругие моменты в ветвях трансмиссии, а также скорость и ускорение автомобиля при запуске ДВС с ходу.

В третьей главе приведено исследование влияния разных факторов на динамические нагрузки гибридной трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу на основании математической модели, приведенной в главе 2. Анализируются влияния коэффициентов жесткости, коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии, темпа включения сцепления, начальной скорости автомобиля, передаточного числа трансмиссии на упругие моменты, формирующиеся в трансмиссии автомобиля УАЭ-3153 с ГСУ при запуске ДВС с ходу.

Рис.3. Структурная схема 81М1ЛЛ№<. для определения динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ при запуске ДВС с ходу

Система уравнения (1) не имеет аналитического решения в общем виде, поэтому использована система БИШЛЛЫК, позволяющая решить исходную систему численным методом с высокой степенью точности, применяя метод Рунге-Кутта. На рис. 3 показана структурная схема БГМиЬШК для моделирования трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ при запуске ДВС с ходу. В схеме были использованы функциональные блоки и файлы функции Ма£1аЬ Гсп. Для подробного исследования динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ была написана программа на языке МАТЬАВ согласно математической модели, представленной в виде экрана редактирования входных данных. Программа позволяет определить и проанализировать влияние разных параметров на динамические нагрузки, возникающие в ветвях трансмиссии при запуске ДВС с ходу.

Рис.4. Изменение М„ф по времени при запуске ДВС с ходу на разных передачах без учета коэффициента демпфирования в сцеплении

Рис.5. Изменение Мтр по времени при запуске ДВС с ходу на разных передачах с учетом коэффициента демпфирования в сцеплении

На рис. 4-5 приведены результаты расчётов упругих моментов в приводе переднего моста при запуске ДВС с ходу на разных передачах в случаях без учета и с учетом коэффициента демпфирования в сцеплении соответственно. Из рисунков 4-5 видно, что коэффициент демпфирования в сцеплении влияет на максимальный момент в приводе переднего моста.

Рис.6. Зависимость Муэ1ШХ от значений коэффициентов демпфирования и жесткости сэ вала ОЭМ

Рис.8. Зависимость моментов Мпмик Мттах, МжпШх от тангенциальной жесткости шин задних колес сзш

Рис.7. Зависимость Мустах от значений коэффициентов демпфирования и жесткости сэ вала ОЭМ

2050 2000 | 1950

I

^ ,9(10

3 1050

9 1500

I

5 "50 Л

1700 1650

опмишьй .........

диапазон Ьзщ ■ ■ : ипи™

.............

.............. '*"—V •••.....

......

2000 3000 400С 5000 6000

Ьзш, н.м с/рад

Рис.9. Зависимость моментов Мпрта.ч,

Мцртах Мжтах, М,ктах от коэффициента

демпфирования шин задних колес Ьш

В диссертационной работе также проведен расчет максимальных упругих моментов в звеньях трансмиссии УАЭ-3153 при запуске ДВС с ходу в зависимости от разных значений коэффициентов жесткости и демпфирования звеньев трансмиссии (рис. 6-9).

В результате анализа графиков были найдены области значений коэффициентов жесткости и демпфирования (см. заключение), в которых макси-

мальные динамические моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля УАЭ-3153 с ГСУ, имеют близкие значения.

На рис. 10. представлены результаты расчета величины упругого момента Мпр в приводе заднего моста автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ при запуске ДВС с ходу на 1, 2, 3 и 4-ой передачах с разными темпами включения муфты сцепления. Исходные данные при расчете: Л/спих=220, Мэ=80 Н-м, начальная скорость автомобиля при запуске ДВС Ка=30 км/ч.

а) на 1-ой передаче б) на 2-ой передаче

в) на 3-ьей передаче Д) на 4"оГ1 передаче

Рис.10 . Зависимость величины упругого момента в приводе заднего моста М,тр от времени при запуске ДВС с ходу на разных передачах с разным временем включения сцепления Динамическую нагружённость трансмиссии удобно оценивать коэффициентом динамичности, под которым понимается отношение:

* '

где: М,шлх - максимальный упругий момент, возникающий в ветвях трансмиссии автомобиля при запуске ДВС с ходу;

Mim _ максимальный момент, развиваемый в той же ветви трансмиссии при движении на 1-ой передаче с Мдвс=Л/двстах-

На рис. 11 представлены результаты расчета коэффициентов динамичности в приводе переднего моста Кпт и на колесах заднего моста Кзк при запуске ДВС с ходу на 1, 2, 3, 4-ой передачах при изменении темпа включения сцепления от 0,1 до 1,5с.

Результаты расчетов показали, что чем ниже передача, на которой проводится запуск ДВС с ходу, тем большие максимальные моменты формируются в ветвях трансмиссии, чем выше темп включения сцепления, тем большие максимальные моменты возникают в ветвях трансмиссии автомобиля.

а) б)

Рис. 11. Зависимость динамических коэффициентов в приводе переднего моста К, и на колесах заднего моста К,к от времени включения сцепления /с Результаты расчетов показали, что увеличение времени включения сцепления гс проводит к уменьшению значения максимального момента в ветвях трансмиссии. Вместе с тем снижение этих величин характерно только до определенного момента (для 1-ой передачи /С=1,23с, для 4-ой передачи /С~0,5с), после которого максимальный упругий момент в ветвях трансмиссии автомобиля стремится к постоянной величине.

На рис. 12 показаны результаты расчетов упругого момента в приводе переднего моста при запуске ДВС на 2-ой и 3-ьей передачах соответственно и на начальных скоростях движения автомобиля Ка =20, 30 и 40 км/ч.

а) на 2-ой передаче б) на 3-ьей передаче

Рис.12. Зависимость упругого момента в приводе переднего моста Мтр от времени и скорости автомобиля при запуске ДВС

Зависимость максимального упругого момента в приводе переднего моста автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ от темпа включения и максимального момента трения сцеплении показаны на рис. 13. На рис. 14 приведена зависимость максимального упругого момента на колесах заднего моста от подводимых моментов от электродвигателя и муфты сцепления.

Мсмах. Нм 2шГ'

Момент ТЭД Нм

Рис. 13. Зависимость Мтрпш в приводе Рис.14. Зависимость Мпктах на колесах переднего моста от максимального мо- заднего моста от момента электродви-мента Мшах и времени включения сцеп- гателя М, и максимального момента в ления Гс сцеплении Мстах

Результаты расчета показали, что крутящий момент электродвигателя Мэ и момент трения сцепления Мс существенно влияют на динамические нагрузки в трансмиссии с ГСУ при запуске ДВС с ходу. Чем больше момент трения сцепления, а также чем больше крутящий момент электродвигателя при запуске ДВС с ходу, тем больше максимальные моменты, реализуются в ветвях трансмиссии автомобиля с ГСУ.

Рис.15. Зависимость скорости и уско- Рис.16. Изменение ускорения автоморения автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ от биля УАЗ-3153 с ГСУ при запуске ДВС темпа включения сцепления с ходу на разных передачах

На рис.15 рассматривается зависимость скорости и ускорения автомобиля от темпа включения сцепления при запуске ДВС с ходу на 2-ой передаче. На рис.16 показана зависимость ускорения автомобиля при запуске ДВС с ходу на разных передачах со скоростью автомобиля Уа= 20 км/ч.

Полученные результаты показали, что ускорение и скорость автомобиля при запуске ДВС с ходу зависят от таких факторов, как темп включения сцепления, номер передачи, начальная скорость автомобиля.

В диссертации представлены результаты расчета стендовой трансмиссии автомобиля "Валдай", качественные результаты которых аналогичны результатам расчета трансмиссии автомобиля УАЗ - 3153.

В четвертой главе описана конструкция объектов испытаний, приведены результаты экспериментальных исследований, выполнена проверка адекватности математической модели.

Рис. 17. Стендовые испытания и образец записи

Рис.18. Зависимость максимального Рис.19. Зависимость максимального момента на валу ОЭМ 2 стенда от темпа момента на валу ОЭМ 2 стенда от включения сцепления (при У.=3 Окм/ч) скорости автомобиля (при /С=0.2с)

В качестве объектов исследования использовались созданный на кафедре «Автомобили» МГТУ «МАМИ» экспериментальный образец автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ параллельного типа и стенд с последовательно-параллельной схемой ГСУ. Были проведены как стендовые (рис.17.), так и дорожные испытания (рис.20).

Рис. 20. Дорожные испытания на автомобиле УАЗ-3153 с ГСУ и образец записи

Стендовые испытания проводились для двух режимов работы. При первом режиме запуск ДВС осуществлялся включением электромагнитной

муфты, при втором - включением сцепления. При первом режиме разгонялась масса ОЭМ 2 (обратимый электродвигатель). По достижении частоты вращения 1300 мин"1 происходило включение электромагнитной муфты и осуществлялся запуск ДВС. Таким образом, имитировался запуск ДВС при движении автомобиля с начальной скоростью. В втором режиме аналогично разгонялась ОЭМ 2 при замкнутой электромагнитной муфте и разомкнутом сцеплении. Запуск ДВС осуществлялся при замыкании сцепления за время 0.2, 0.8, 1.4 с.

При дорожных экспериментах запуск ДВС с ходу на автомобиле УАЗ-3153 с ГСУ проводился при разном типе привода от ОЭД с разными скоростями движения при включении разных передач с разным темпом включения муфты сцепления.

На рис.18 и 19 показана зависимость максимального момента на валу ОЭМ 2 стенда от темпа включения (соответственно времени включения сцепления *о=0.1—1.5) и скорости маховика эквивалентной поступательно-движущейся массе автомобиля при запуске ДВС с ходу соответственно. На рис. 21-24 представлены результаты расчетов и экспериментов момента на валу электродвигателя автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ.

Время 1. с

Передача

Рис.21. Изменение момента Муэ на валу Рис.22. Зависимость максимального

ОЭМ по времени при плавном включе- момента Муэ|1ИХ на валу ОЭМ от номера

нии сцепления (¿с =0.6 с) при запуске передачи при плавном включении сце-

ДВС с ходу на 1-ой передаче пления (гс =0.6 с) при запуске ДВС

Рнс.23. Зависимость максимального Рис.24. Изменение максимального мо-момента на валу ОЭМ от скорости ав- мента на валу ОЭМ при запуске ДВС с томобиля при запуске ДВС с ходу ходу на разных передачах (при скоро-на 3-ьей передаче сти автомобиля Ка= ЗОкм/ч)

На графиках 18,19,21,22,23 и 24 представлены результаты эксперимента, величины которых незначительно отличаются от результатов теоретических исследований. Погрешность расчетов не превышает 14%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана динамическая модель трансмиссии автомобиля с гибридной силовой установкой, учитывающая силовые, кинематические и инерционные характеристики привода как от двигателя внутреннего сгорания, так и от тягового электродвигателя (генератора).

2. Математическое моделирование выполнено с применением пакета моделирования 81МиЬШК для исследования динамических нагрузок, формирующихся в трансмиссии автомобиля, что позволяет подробно исследовать динамические процессы при нестандартном режиме запуска ДВС с ходу, с учетом влияния разных факторов (внешних моментов, структурных параметров трансмиссии и т.п.) на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля с ГСУ.

3. Разработана методика расчета динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу. Экспериментально подтверждена адекватность данной модели. Отклонение результатов моделирования режима запуски ДВС с ходу по сравнению с результатами замеров на экспериментальном образце находится в пределах 14%.

4. Как показали расчеты, упругие моменты в разных звеньях трансмиссии автомобиля могут в 1,5 - 3,1 раза превышать максимальный крутящий момент двигателя, что приводит к снижению долговечности деталей трансмиссии.

5. Упруго-демпфирующий элемент, встроенный в конструкцию муфты сцепления, на 94% снижает динамические моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля, в сравнении с динамическими моментами в трансмиссии без демпфирующего элемента. Кроме того, время полного затухания колебаний упругих моментов в приводе переднего и заднего мостов автомобиля с демпфирующим элементом сцепления при запуске ДВС с ходу на четвертой передаче составляет 1,5 с, а амплитуда высокочастотных колебаний упругих моментов стремится к нулю.

6. Наибольший упругий момент в приводе переднего и заднего мостов (2200 Н-м) возникает при запуске ДВС с ходу на низшей передаче при скорости 30 км/ч, а наименьший упругий момент (828 Н-м)- при запуске ДВС с ходу на высшей передаче при скорости 30 км/ч.

7. Динамические нагрузки в звеньях трансмиссии автомобиля существенно зависят от времени включения сцепления Гс. Увеличение времени включения сцепления приводит к уменьшению значений максимального упругого момента в ветвях трансмиссии; вместе с тем существует определенный уровень темпа включения (для 1-ой передачи ФС /с~ 1.3с, 4-ой передачи ¿С~0.5с), превышение которого не снижает величины максимального упругого момента в ветвях трансмиссии автомобиля.

8. При моменте трения сцепления 220 Н-м и коэффициенте демпфирования 4,6 Н-м-с/рад максимальная динамическая нагрузка в ветвях трансмиссии при варьировании крутящего момента электродвигателя от 40 Н-м до 130 Н-м изменяется от 600 Н-м до 750 Н-м при запуске ДВС на четвертой передаче.

9. Для снижения динамических нагрузок трансмиссии автомобилей с ГСУ при запуске ДВС с ходу необходимо рационально выбрать коэффициент жесткости и коэффициент демпфирования звеньев трансмиссии. Проведенными расчетами установлено, что для автомобиля УАЗ-3153 значения коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии должны лежать в следующих диапазонах: для деталей сцепления ¿с=5,35 - 6,58 Н-м-с/рад, сс=4238- 4464 Н-м/рад; для привода элек-

тродвигателя by= 3,24 - 4,16 Н-м-с/рад, сэ=1378- 1812 Н-м/рад; для привода заднего и переднего мостов ¿птр~^згр=3,8 - 4,0 Н-м-с/рад, Сщр«Сзт1>=7635 -7768 Н-м/рад; для шин передних и задних осей £пщ~6зш=1468 - 1675 Н-м-с/рад, сПт1>«Сзт1'=24556 -25685 Н-м/рад соответственно.

10. Время включения сцепления, обеспечивающее необходимые значения динамических нагрузок, зависит от передачи и скорости автомобиля при запуске ДВС с ходу. Для автомобиля УАЭ-3153 рациональное время включения сцепления при запуске ДВС с ходу на 1-ой передаче лежит в диапазоне tc =0,5-1,3 с, на 2-ой передаче — tc=0,5—1,1 с, на 3-ьей передаче

- /с =0,2-0,6 с и на 4-ой передаче - tc =0,2-0,4 с соответственно.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В научных журналах по перечню ВАК

1. Селифонов В.В., Нгуен Хак Туан. Исследование влияния структурных параметров на динамические нагрузки в механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками // Известия МГТУ «МАМИ». -2010. №2(10)-С. 75-78

2. Селифонов В.В., Нгуен X. Т. Выбор путей снижения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с комбинированной энергической установкой при запуске ДВС с ходу// Электронное научно-техническое издание «Наука и образование»,- 2011 - № 1. (http://technomag.edu.ru/doc/165187.html)

3. Селифонов В.В., Нгуен X. Т. Разработка динамической модели механической трансмиссии автомобиля с комбинированной энергетической установкой параллельного типа// Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». - 2011 - № 1. (http://technomag.edu.ru/doc/165160.html)

В других изданиях

4. Селифонов В.В., Нгуен Хак Туан. Метод определения динамических нагрузок в трансмиссиях автомобилей с гибридными силовыми установками при запуске ДВС с ходу// Сборник «65-ая Международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ)

- Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подго-

товки инженерных и научных кадров», МГТУ «МАМИ». - М., 2009. - С. 284-288.

5. Овсянников Е.М., Нгуен Куанг Тхиеу, Нгуен Хак Туан . Управление тяговым асинхронным электроприводом гибридных автомобилей по минимуму потерь и максимуму перегрузочной способности // Сборник «65-ая Международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) - Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», МГТУ «МАМИ». -М., 2009. - С. 120 - 129.

6. Нгуен Хак Туан. Моделирование и расчет динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками в среде программирования Matlab Simulink // Сборник науч. конф. «International scientific and technical conference Control vibration technologies and machines IX », Курск, 2010 - С. 96-102.

7. Нгуен Хак Туан. Нагруженность механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками при запуске ДВС с ходу// Сборник науч. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности » - С.-Петербург, 2010. - С.240 - 244.

8. Нгуен Хак Туан. Применение пакета Simulink-matlab для исследования динамических моментов в трансмиссии автомобилей с гибридными силовыми установками (ГСУ) // Сборник науч. конф. «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» "Регионы России - 2010"- Владимир, 2010 . - С. 274-277.

9. Нгуен Хак Туан. Математическая модель трансмиссии автомобиля с гибридной силовой установкой смешанного типа // Сборник Международной конференции по дифференциальным уравнениям и динамическим системам - Суздаль, 2010 . - С. 138 -139 .

10. Нгуен Чонг Хоан, Нгуен Хак Туан. Моделирование и расчет динамики гидромеханической трансмиссии автомобиля // Научно-технический журнал «Механик Вьетнама» - 2005 . № 98/5 - С. 44 - 46.

Нгуен Хак Гуач

Автореферат диссертации на соискание ученой степенп кандидата технических наук.

«Выбор путей снижения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками»

Подписано в печать Заказ № Тираж 100 экз.

Бумага типографская Формат 60x90/16

МГТУ «МАМИ», 107023, Москва, Б. Семеновская ул., дом 38.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 - СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Обзор конструкций механических трансмиссий автомобилей с гибридными силовыми установками.

1.2. Аналитический обзор ранее выполненных теоретических исследований трансмиссии автомобиля с ГСУ.

1.3. Выводы, постановка цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2 - ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ С ГСУ.

2.1. Разработка математической модели для исследования динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ.

2.1.1. Методы построения расчетных схем трансмиссии автомобиля для исследования динамической нагруженности трансмиссий.

2.1.2. Определение исходных данных для расчетной модели.

2.1.3. Математическая модель механической трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ.

2.1.4. Математическая модель экспериментальной трансмиссии автомобиля ВАЛДАЙ с ГСУ на экспериментальном стенде лаборатории автомобиля с ГСУ каф. «Автомобили» МГТУ «МАМИ».

2.1.5. Математическая модель трансмиссии автомобиля Toyota Prius с ГСУ с одним режимом разделения мощности ДВС.

2.1.6. Математическая модель трансмиссии автобуса фирмы GM с ГСУ с двумя режимами разделения мощности ДВС.

2.2. Метод компьютерного моделирования для исследования динамических нагрузок трансмиссии автомобиля.

2.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 3 - КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ С ГСУ ПРИ ЗАПУСКЕ ДВС С ХОДУ.

3.1. Определение внешних моментов, действующих на трансмиссию автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу.

3.2. Определение динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу.

3.2.1. Исследование влияния жесткости и коэффициента демпфирования звеньев трансмиссии на динамические нагрузки в механической трансмиссии автомобиля при запуске ДВС с ходу.

3.2.2. Исследование влияния темпа включения сцепления и номера передачи на динамические нагрузки в механической трансмиссии автомобиля при запуске ДВС сходу.

3.2.3. Влияние поступательной скорости автомобиля на динамические нагрузки в механической трансмиссии автомобиля при запуске ДВС с ходу.

3.2.4.Влияние максимального момента трения сцепления и крутящего момента электродвигателя на динамические нагрузки трансмиссии автомобиля при запуске ДВС с ходу.

3.2.5. Изменение ускорения и скорости автомобиля при запуске ДВС с ходу.

3.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 4 - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Объект эксперимента.

4.2. Стендовые эксперименты.

4.3. Дорожные эксперименты.

4.4. Методика обработки полученных сигналов и результаты проведения испытаний.

4.5. Сравнение результата испытаний с данными, полученными расчетным путем.

4.6. Выводы по главе.

Актуальность работы.

Для современного машиностроения характерны установившиеся тенденции улучшения эксплуатационных свойств (производительность, экономичность, экологичность и др.) вновь проектируемых и модернизируемых машин. Это является следствием, с одной стороны, жесткой конкуренции на мировом товарном рынке, с другой стороны, - это понимание в обществе проблемы конечности сырьевых ресурсов и необходимости бережного отношения к богатствам природы и к окружающей среде, неотъемлемой частью которой является человек. Поэтому в процессе совершенствования автомобильного транспорта значительные усилия направлены на снижение расхода топлива и токсичности выхлопных газов. Конструктивные меры, предпринимаемые для оптимизации работы традиционной силовой установки - поршневого ДВС и агрегата, изменяющего передаточное число трансмиссии, - практически находятся на грани исчерпания своих резервов.

В настоящее время рассматривается несколько возможных путей развития автомобильного транспорта, основными из которых являются:

• переход на альтернативные виды топлива, дающие менее токсичные выхлопы (этанол, растительные масла и их смеси с традиционным топливом, газообразное топливо и т.п.);

• более широкое использование топливных ячеек;

• применение гибридных силовых установок.

Первый путь наиболее кардинальный. Использование альтернативных видов топлива требует лишь незначительного и относительно недорогого (в пределах 5 % стоимости аналогичного автомобиля с ДВС) дооснащения машин, но при этом необходимо создание новой топливной инфраструктуры соответствующей мощности. Кроме того, часть уже созданной и эксплуатируемой топливной инфраструктуры окажется высвобождаемой.

Применение на автотранспорте топливных элементов может снять практически все проблемы. Полное окисление топлива обеспечивает предельно низкие уровни токсичности продуктов окисления топлива, к тому же возможно использование практически любого вида сырья в качестве топлива. Широкому использованию топливных ячеек в настоящее время препятствует только запредельно высокая стоимость самих топливных ячеек.

Гибридная силовая установка (ГСУ) объединяет двигатель внутреннего сгорания, одну или несколько электрических машин, накопитель энергии (аккумуляторная и/или конденсаторная батарея для хранения электроэнергии) и систему управления.

Гибридная силовая установка позволяет значительно сократить расход топлива и существенно снизить токсичность выхлопных газов искусственным ограничением диапазона работы двигателя по оборотам и нагрузкам с помощью использования наиболее оптимальных режимов, а также посредством рекуперации и сохранения для дальнейшего использования кинетической энергии автомобиля при торможении. Кроме того, первичный двигатель автомобиля с ГСУ имеет мощность в 2-3 раза меньше мощности двигателя аналогичного автомобиля с обычной силовой установкой.

Машины с ГСУ не требуют обязательного создания новой топливной инфраструктуры - они могут работать на традиционных видах топлива и использовать уже существующую топливную инфраструктуру. В дальнейшем, разумеется, гибридные машины можно было бы перевести на альтернативные виды топлива. Следует учитывать, что любой переход на новые технологии потребует переучивания персонала с соответствующими материальными затратами.

Гибридные автомобили стоят существенно дороже (на 50-70 %) аналога с ДВС, но не требуют отдельной топливной инфраструктуры. Токсичность же выхлопных газов у гибридных машин и машин на альтернативных видах топлива практически одинаковая.

Таким образом, в настоящее время оптимальным представляется следующий путь развития силовых установок для автотранспорта: создание гибридных силовых установок, использующих сложившуюся топливную инфраструктуру; плановую модернизацию топливной инфраструктуры (в которую включено как совершенствование качества топлива, так и постепенное развертывание инфраструктуры альтернативных видов топлива); создание силовых установок на альтернативных видах топлива и частичный перевод гибридов на альтернативные виды топлива; параллельное совершенствование технологии топливных ячеек; и, наконец, когда топливные ячейки станут экономически целесообразными, перевод транспорта на топливные ячейки.

Таким образом, применение гибридных силовых установок может рассматриваться как некоторое промежуточное решение, которое позволяет в настоящий момент снизить потребление топлива и выбросы токсичных веществ в выхлопных газах, создать инфраструктуру альтернативного топлива и дождаться эры применения топливных элементов. Перспективность автомобилей с гибридными силовыми установками сейчас ни у кого не вызывает сомнений, поэтому практически все производители наземных транспортных средств активно занимаются созданием гибридных силовых установок (ГСУ).

Наиболее серьезные исследования, посвященные данной проблеме, выполнены за последние годы рядом российских ученых: C.B. Бахмутовым, Е.И. Блиновым, Е.А.Галевским, Р.М .Галиевым, Н.В. Гулиа, О.Н. Дидма-нидзе, М.М. Дижуром, И.С. Ефремовым, В.А. Звоновым, С.А. Ивановым, Д.В. Изосимовым, A.A. Ипатовым, В.Ф.Каменевым, A.JI. Каруниным, И.П. Ксеневичем, Л.Ю. Лежневым, В.В. Ломакиным, Б.И. Петленко, В.А. Петровым, В.Е. Розенфельдом, В.В. Селифоновым, А.Д. Степановым, В.А. Ум-няшкиным, Н.М. Филькиным, В.М. Фоминым, А.Б. Фоминых, Б.Я. Черняком, С.Ю. Шугуровым, A.A. Эйдиновым, В.Е. Юттом. Данную проблему также исследовали M.Berg, P. Chudi, R.Krishnamachari, A. Malmquist, J.

Maxwell, P. Papalambros, Fazal U. Syed, Ming L. Kuang, Cikanek S.R, J.A. MacBain и др.

Очевидно, что в настоящее время большинство исследований гибридных силовых установок транспортных машин направлено на теоретическое и экспериментальное изучение управления автомобилем и топливной экономичности автомобиля с ГСУ, автоматизированного синтеза, поиск оптимальных параметров энергосиловых установок.

Вопросы изучения динамических нагрузок и динамических процессов, происходящих в трансмиссии автомобиля с ГСУ, при характерных условиях эксплуатации машин с целью оценки качества энергосиловой установки и влияния различных динамических процессов на такие показатели надежности, как долговечность, износостойкость, работоспособность, в настоящее время носят частный характер.

Поэтому очевидна потребность в теоретических и экспериментальных исследованиях и дальнейшем развитии данного научного направления. Это позволит на ранней стадии проектирования, когда отсутствует еще опытный образец, обосновать выбор технического решения и провести поиск наиболее рациональной конструкции. И как следствие, предоставит возможность существенно уменьшить затраты средств и времени на проектирование, конструирование, экспериментальные исследования и изготовление первой опытной партии АТС. Дополнительный экономический эффект, как правило, более весомый в сравнении с эффектом разработки и постановки изделия на производство, получается от реализации в конструкциях машин оптимальных конструктивных и мощностных характеристик.

Цель работы. Выбор путей снижения динамических нагрузок в механических трансмиссиях автомобилей с ГСУ.

Объект исследования. Объектом исследования является механическая трансмиссия автомобиля с гибридной силовой установкой.

Методы исследования, используемые в работе приемы базируются на основных положениях теории автомобиля, на методах построения математических моделей систем автомобиля, на методах компьютерного моделирования, на методах инженерного эксперимента.

В качестве теоретической базы для проведения исследований использовались фундаментальные и прикладные труды ведущих русских и зарубежных ученых.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана рациональная расчетная схема механической трансмиссии автомобиля с ГСУ, описывающая процесс запуска ДВС с ходу. Разработана методика определения ее основных входных данных;

2. Построена математическая модель по разработанной расчетной схеме, на основании которой создан пакет программного обеспечения для определения динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу;

3. Разработана методика исследования влияния структурных параметров и внешних моментов на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ при запуске ДВС с ходу;

4. Определены, проанализированы и проведены сравнения величин динамических нагрузок в трансмиссии экспериментального автомобиля УАЗ-3153 с ГСУ и на стенде, имитирующим трансмиссию автомобиля ВАЛДАЙ с ГСУ (МГТУ «МАМИ»).

5. Разработаны пути снижения динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ параллельного типа при запуске ДВС с ходу. Практическая значимость результатов диссертации. Предложенная методика позволяет определить динамические нагрузки, возникающие в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ, при характерных условиях эксплуатации автомобиля, а также исследовать влияние структурных факторов трансмиссии и внешних моментов на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля с ГСУ, что дает конструкторам возможность выбора наиболее обоснованного варианта конструкции. Таким образом, диссертация имеет достаточно весомое практическое значение.

Предложенная методика используется в учебном процессе при изучении дисциплины "Конструирование и расчет автомобиля" при исследовании динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу.

Реализация результатов диссертации работы. Разработанная методика расчета динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми установками будет полезна как инженерно - техническим работникам автозаводов, так и студентам высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международном научном симпозиуме «Автотракторо-строение-2009» в г. Москве, на Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» в 2010г. во г. Владимире, в ходе Научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в г. Санкт-Петербурге в 2010г., на IX Международной научно-технической конференции «Вибрация-2010. Управляемые вибрационные технологии и машины» в г. Курске.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях по перечню ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана динамическая модель трансмиссии автомобиля с гибридной силовой установкой, учитывающая силовые, кинематические и инерционные характеристики привода, как от двигателя внутреннего сгорания, так и от тягового электродвигателя (генератора).

2. Математическое моделирование выполнено с применением пакета моделирования 81МиЬШК для исследования динамических нагрузок, формирующихся в трансмиссии автомобиля, что позволяет подробно исследовать динамические процессы при нестандартном режиме запуска ДВС с ходу, с учетом влияния разных факторов (внешних моментов, структурных параметров трансмиссии и т.п.) на динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля с ГСУ.

3. Разработана методика расчета динамических нагрузок в трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу. Экспериментально подтверждена адекватность данной модели. Отклонение результатов моделирования режима запуски ДВС с ходу по сравнению с результатами замеров на экспериментальном образце находится в пределах 14%.

4. Как показали расчеты, упругие моменты в разных звеньях трансмиссии автомобиля могут в 1,5 - 3,1 раза превышать максимальный крутящий момент двигателя, что приводит к снижению долговечности деталей трансмиссии.

5. Упруго-демпфирующий элемент, встроенный в конструкцию муфты сцепления, на 94% снижает динамические моменты, возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля, в сравнении с динамическими моментами в трансмиссии без демпфирующего элемента. Кроме того, время полного затухания колебаний упругих моментов в приводе переднего и заднего мостов автомобиля с демпфирующим элементом сцепления при запуске ДВС с ходу на четвертой передаче составляет 1,5 с, а амплитуда высокочастотных колебаний упругих моментов стремится к нулю.

6. Наибольший упругий момент в приводе переднего и заднего мостов (2200 Н-м) возникает при запуске ДВС с ходу на низшей передаче при скорости 30 км/ч, а наименьший упругий момент (828 Н-м)- при запуске ДВС с ходу на высшей передаче при скорости 30 км/ч.

7. Динамические нагрузки в звеньях трансмиссии автомобиля существенно зависят от времени включения сцепления 1С. Увеличение времени включения сцепления приводит к уменьшению значений максимального упругого момента в ветвях трансмиссии; вместе с тем существует определенный уровень темпа включения (для 1-ой передачи ФС ¿С~1.3с, 4-ой передачи /С~0.5с), превышение которого не снижает величины максимального упругого момента в ветвях трансмиссии автомобиля.

8. При моменте трения сцепления 220 Н-м и коэффициенте демпфирования 4,6 Н-м-с/рад максимальная динамическая нагрузка в ветвях трансмиссии при варьировании крутящего момента электродвигателя от 40 Н-м до 130 Н-м изменяется от 600 Н-м до 750 Н-м при запуске ДВС на четвертой передаче.

9. Для снижения динамических нагрузок трансмиссии автомобилей с ГСУ при запуске ДВС с ходу необходимо рационально выбрать коэффициент жесткости и коэффициент демпфирования звеньев трансмиссии. Проведенными расчетами установлено, что для автомобиля УАЗ-3153 значения коэффициентов жесткости и коэффициентов демпфирования звеньев трансмиссии должны лежать в следующих диапазонах: для деталей сцепления 6С=5,35 - 6,58 Н-м-с/рад, сс=4238- 4464 Н-м/рад; для привода электродвигателя ¿э=3,24 - 4,16 Н-м-с/рад, сэ=1378- 1812 Н-м/рад; для привода заднего и переднего мостов ЬПтр^зтр=3,8 - 4,0 Н-м-с/рад, сПтр~сзтр=7635 —7768 Н-м/рад; для шин передних и задних осей 6пш~6зш=1468 - 1675 Н-м-с/рад, сптр~сзтр=24556 -25685 Н-м/рад соответственно.

10. Время включения сцепления, обеспечивающее необходимые значения динамических нагрузок, зависит от передачи и скорости автомобиля при запуске ДВС с ходу. Для автомобиля УАЭ-3153 рациональное время включения сцепления при запуске ДВС с ходу на 1-ой передаче лежит в диапазоне ¿с =0,5-1,3 с, на 2-ой передаче - ¿с=0,5-1,1 с, на 3-ьей передаче - =0,2-0,6 с и на 4-ой передаче — =0,2-0,4 с соответственно.

1. Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов / Б.А. Афанасьев, и др.; Под общ. ред. A.A. Полунгяна. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, Т.2, 2009 - 572 с.:ил.

2. Бахмутов C.B., Карунин A.JL, Селифонов В.В., Карпухин К.Е., Круташов A.B., Ломакин В.В., Баулина Е.Е., Урюков Ю.В. Конструктивные схемы автомобилей с гибридными силовыми установками. Учебное пособие. М.: МГТУ «МАМИ» 2007г.

3. Ломакин В.В., Карпухин К.Е., Кондратов В.Н. Тенденции развития автомобилестроения. Учебное пособие М.: МГТУ «МАМИ» 2008.

4. C.B. Бахмутов, В.В. Селифонов, В.В. Ломакин, A.B. Круташов, К.Е. Карпухин, Е.Е. Баулина. Автомобиль с гибридными силовыми установками. М.: МАМИ, 2009, 136с.

5. К.Е. Карпухин Принципы и алгоритм управления автомобилем с гибридной силовой установкой - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук 05. 05. 03, Москва, 2008.

6. Филькин Н.М. Оптимизация параметров конструкции энергосиловой установки транспортной машин — Реферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук 05. 05. 03, Ижевск, 2001.

7. Сериков С.А., Бороденко Ю.Н. Силовая установка гибридного автомобиля как объект управления // Сб. науч.тр. Харьков: ХНАДУ. - №3, 2009 - С 45-50.

8. Умняшкин В.А., Филькин Н.М., Музафазов P.C., Хамидулин Р.П. Выбор мощности тягового электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания ипараметров накопителей гибридных силовых установок автомобилей. Учебное пособие, Ижевск, 2006.

9. Эйдинов A.A. Автотранспортные средства с комбинированными энергоустановками. М.: МГТУ «МАМИ», 2000.

10. Эйдинов A.A. Расчет автомобилей с комбинированными энергоустановками. М.: МГТУ «МАМИ», 2003.

11. Эйдинов A.A., Каменев В.Ф., Лежнев Л.Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ.// Автомобильная промышленность. № 11 2002г., с 9-12.

12. Галлиев Р.К. Обоснование и выбор параметров конструкции комбинированной энергосиловой установки легкового автомобиля. — Диссертация кандидата технических наук. Ижевск: ИжГТУ 2002 г.

13. Селифонов В.В., Фиронов А.М., Губанов И.О. «Комбинированная энергетическая установка городского автобуса и система управления », М.: МАДИ, 1991.

14. Аль-Масуд Тауфик, Прохоров В.А., Петленко А.Б. Гурьянов А.И. Электропривод индивидуального транспортного средства особо малого класса// Научно-техн. Прогресс в автомобилестроении/ Тез. Докл. Научно-техн, Конф. -М.: МАМИ, 1994.

15. Петленко А.Б. «Инвалидная коляска с раздельным электроприводом колес и комбинированной энергоустановкой», М.: МАМИ, 1997.

16. Петленко Б.И «Математическое моделирование электромобиля с комбинированной энергоустановкой», Электричество, №11, 1991. С 56-59.

17. Сериков С.А. Постановка задачи оптимального управления гибридной силовой установкой // Вестник ХНАДУ Сб. науч.тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2008.

18. Кондрашкин A.C., Филькин Н.М., Сальников В.Ю. Методика оптимизации параметров энергосиловой установки автомобиля.// Автомобильная промышленность №4, 2002.- С 32-33.

19. Кондрашкин A.C., Филькин Н.М., Сальников В.Ю. Легковые автомобили с гибридной силовой установкой. Результаты экспериментов .// Автомобильная промышленность №11, 2001.С 9-10.

20. Кондрашкин А.С, Умняшкин В.А., Филькин Н.М. Для улучшения топ-ливно-скоростных показателей легкового автомобиля.// Автомобильная промышленность №1 1987г. С 11-13.

21. Кондрашкин A.C., Филькин Н.М., Мезрин В.Г. Комбинированная слио-вая установка для электромобиля, // Автомобильная промышленность №4, 1996.-С 9-10.

22. Умняшкин В.А., Филькин Н.М. Создание гибридных микролитражных автомобилей как эффективное направление решения экологических проблем крупных городов. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова №8 2004г.

23. Ежова Елена Владимировна. Электромеханический преобразователь комбинированной энергетической установки гибридного автомобиля : Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.09.01 Самара, 2006.

24. Лежнев Л.Ю. Улучшение топливо-экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания в составе комбнированных энергетических установок автотранспортных средств. М.: ГНЦРФ ФГУП «НАМИ» 2005.

25. Некрасов В.Г. «Каким быть ДВС для комбинированной силовой установки?» // Автомобильная промышленность №2, 2003. С 6-8.

26. Некрасов В.Г. «Топливная экономичность автомобиля с комбинированными силовыми агрегатом» // Автомобильная промышленность №12, 2000.

27. И.С. Цитович, В.Б. Альгин. Динамика автомобиля, Мн.: Наука и техника 1981 191с, ил.

28. Альгин В.Б, Павловский В.А. Динамика трансмиссии автомобиля и трактора. Мн.: Наука и техника, 1986. - 216 с.

29. Гришкевич А.И., Вавула В.А. и др. Автомобили, конструкция, конструирование и расчет, трансмиссия. -М.: Вышэйшая школа, 1985. -240с.

30. Галевский Е. А. Основы создания механических трансмиссий транспортных машин с согласованными динамическими параметрами Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук 05. 05. 03, Москва, 1998.

31. Тольский В.Е. и др., Колебания силового агрегата автомобиля. М.: Машиностроение, 1976, 264 с.

32. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем. Минск: «Дизайн ПРО», 1997. 640с.

33. Селифонов В.В. Теория автомобиля, М.: Гринлайт, 2009. 206 с.

34. Никитин В.А., Бойко C.B. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Учебное пособие 2-е изд. перераб. и доп.- Оренбург ГОУ ОГУ, 2004. - 462 с.

35. Набрут А.Н. Автомобили. Рабочие процессы и расчет механизмов систем, М.: Издательский центр «Академия», 2008. 256 с.

36. Леонтьев М.К. Тензометрирование в авиационных ГТД: Учебное пособие, М.: изд-во. МАИ 2001, 36 с.:ил.

37. Масаидов М. С. Исследование крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля: Дисс. канд. техн. наук. -М., 1970. — 151 с.

38. Маслов Г. С. Расчёты колебаний валов. Справочник. М.: Машиностроение, 1980.- 152 с.

39. Певзнер Я. М., Гридасов Г. Г., Конев А. Д., Плетнев А. Е. Колебания автомобиля. Испытания и исследования / Под. ред. Я. М. Певзнера. М.: Машиностроение, 1979.-208 с.

40. Полунгян А. А. «Динамика колесных машин». — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1975. 68 с.

41. Румшиский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: «Наука», 1971. 192 с.

42. Стефанович Ю. Г. Москалев В. Н. Лунев И. С. Определение крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля ГАЗ-51 // Автомобильная промышленность». 1960. № 10. - С 24 - 29.

43. Шарипов В.М., Крумбольдт Л.Н., Маринкин А.П. Планетарные коробки передач колесных и гусеничных машин. М.: МАМИ, 2000. 142с.

44. Фрумкин А. К. Теоретическое и экспериментальное исследование динамических нагрузок в колёсной машине. Дисс. . док. техн. наук. -М., 1958.

45. Хачатуров А. А., Афанасьев В. Л., Васильев В. С. Динамика системы дорога шина - автомобиль - водитель/ Под. ред. А. А. Хачатуров. - М.: Машиностроение, 1976. — 535 с.

46. Цзе Ф. С., Морзе И. Е., Хинкл Р. Т. Механические колебания. М. Машиностроение, 1966— 508 с.

47. Шупляков В. С. Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля. -М.: Транспорт, 1974. 328 с.

48. Эткин Л. Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика. М: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2004. - 408 с.

49. Корчемный Л. В., Минкин Л. М., Тольский В. Е. Математическое моделирование колебаний силового агрегата автомобиля и оценка его виброизоляции. // Автомобильная промышленность. — 1979. № 2.

50. Ковальчук А. В. Снижение вибронагруженности легкового автомобиля с передним поперечно расположенным силовым агрегатом: Дисс. . канд. техн. наук. Тольятти, 1991. - 225 с.

51. Кондрашкин С. И., Контанистов С. П., Семенов В. М. Принципы построения математических моделей динамики движения автомобиля // Автомобильная промышленность. 1979. № 7.

52. Иванов Ю. Б. К вопросу снижения динамических нагрузок в силовой передаче транспортных машин. Дисс. . канд. техн. наук. -М., 1955.

53. Вермеюк В. Н. Нелинейные колебания в трансмиссии автомобиля: Дисс. канд. техн. наук. -М., 1978. 151 с.

54. Автомобильный справочник: Пер. с англ. 2-е изд. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.

55. Бахмутов C.B., Безверхий С.Ф., Статическая обработка результатов и планирование эксперимента при испытаниях автомобиля. — М.: МАМИ, 1994

56. Контанистов С.П., Исследование переходных процессов в динамической системе «Двигатель сцепление - трансмиссия - подвеска» грузового автомобиля: Дисс. канд.техн.наук. - М., 1979. - 255 с.

57. Ломакин В. В. Исследование совместных колебаний систем трансмиссии и подвески трехосных автомобилей типа 6x6 при движении по неровностям. Дисс. . канд. техн. наук. -М., 1971.

58. Лукин П.П., Гусаков Н.В., Наследов П.В., Исследование крутильных колебаний в трансмиссии переднеприводного автомобиля с учетом реактивных элементов // Межвузовский сборник научных трудов «Безопасность и надежность автомобиля» М.: 1981. - Вып. 3.

59. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Наука, 1968. 478 с

60. Блинов Е.И. Динамика и энергетика колесных машин. М. Машиностроение 1, 156 с.

61. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием -М.: Академия, 2006. -272 с.

62. Тимошенко С.П., Колебания в инженерном деле. Пер. с амер. изд., 2-е изд., - М.:Наука, 1967, 444 с.

63. Щупляков B.C., Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля. -М.: Транспорт, 1974. 328 с.

64. Яценко H.H., Колебания, прочность и форсированные испытания грузовых автомобилей. — М.: Машиностроение, 1972. -368 с.

65. Перов В.А. Автоматические системы транспортных машин. М.: Машиностроение, 1974 г. — 336 с

66. Петров В.А. Автоматические сцепления автомобилей. М.: Машиностроение 1961, 278 с.

67. Селифонов В.В. Автоматическое управление сцеплением, Методические указания к практическим работам по дисциплине «Теория автоматических систем автомобиля и трактора», М.: МАМИ, 28с.

68. Бахмутов С.Г., Кезин А.Н. Тензометрирование деталей автомобиля, Методические указания по курсу «Испытания автомобиля», М.: МАМИ, 1986, 22 с.

69. Геля В.М. и др., Автомобили. Испытания, Мн.:Выш шк , 1991. 187 с. ил.

70. Коновалов В.В., учебное пособие по курсу «Динамика машин» Рекомендуется для направления подготовки 653200 (специальности 150300), М.: МАПИ 2004.- 100с.

71. Проскурин А.И. Теория автомобиля Примеры и задачи Ростов на Дону: Фениск, 2006. -200 с.:ил.

72. Puhs, Allen Е., Hybrid vehicles CRC Press, London NewYork 2009. - 505 P

73. The Math Works, Inc. 2002 Simulink Model-Based and System-Based Design.

74. The mesurement instrumentation and sesors hanbook CRC Press LLC 1999, 2587 p.

75. D.R. Myers and A.P. Pisano Torque measurements of an automotive half shaft// Transducers 2009, Denver, CO, USA, June 21-25, 2009, p. 1726-1729.

76. Petter Strandh. Combustion Engine Models for Hybrid Vehicle System Development Lund University, Lund 2002

77. Lino Guzzella, Antonio Sciarretta Vehicle Propulsion Systems — Spinger. Veilag Berlin Heidelberg 2005. - 384 p.

78. Fazal U. Syed, Ming L.Kuang, John Czubay, Hao Ying, Derivation and experimental Validation of a Power-split Hybrid electric vehicle model // IEEE transactions on vehicular technology, vol.55,№ 6 , 2006 p 1731-1747.

79. John M. Miller, P.E., PhD J-N-J Miller, P.L.C. Comparative Assessment of Hybrid Vehicle Power Split Transmissions // January 12, 2005 4'th VI Winter Workshop Series.

80. Andrew J. Fox, Design and Analysis of a Modified Power Split Continuously Variable Transmission, Master's thesis, Morgantown, West Virginia, 2003.

81. Donghyun Kim, Sungho Hwang, and Hyunsoo Kim Vehicle Stability Enhancement of Four-Wheel-Drive Hybrid Electric Vehicle Using Rear Motor Control // IEEE Transactions on vehicular technology, vol. 57, no. 2, march 2008

82. C. Liu, V. Monkaba, C. Tan, C. Mckenzie, H. Lee, and S. Suo, "Driveline torque-bias-management modeling for vehicle stability control," in Proc.SAE Conf., 2002, pp. 233-234. Paper 2002-01-1584.

83. A. S. Elliott, "A highly efficient, general purpose approach for co-simulation with ADAMS," presented at theMDI North Amer. User Conf.,MI, 2000.

84. T. D. Gillespie, Fundamentals of Vehicle Dynamics. Warrendale, PA:SAE,1992.

85. M. Green, "How long does it take to stop? Methodological analysis of driver perception-brake times," Transp. Hum. Factors, vol. 2, no. 3,pp. 195-216, 2000.

86. Abe, S. (Toyota Motor Corp.) (2001) 'Toyota Prius: best engineered car of 2001', Automotive Engineering International, SAE International, March, p.27-35.

87. Tenberge, P. (1999) 'Electric-mechanical hybrid transmission', International Congress on Continuously Variable Power Transmission, Eindhoven, pp. 196201.

88. Gregory A. Hubbard. Modeling and control of ahybrid-electric vehicle drivetrain. Master's thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1996.

89. Thomas D. Gillespie. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Society of Automotive Engineers, Inc., 1992.

90. Husain, Iqbal. (2003). Electric and Hybrid Vehicles. CRC Press.

91. U. Zoelch and D. Schroeder, "Dynamic optimization method for design and rating of the components of a hybrid vehicle," Int. J. Veh. Des., vol. 19, no. 1, pp. 1-13, 1998.

92. Capitani, R., Delogu, M. and Pilo, L. (2001) Analysis of the influence of a vehicle's driveline dynamic behaviour regarding the performance perception at low frequencies, SAE Technical Paper Series, no 2001-01-3333, Warren-dale PA

93. Crescimbini, F. and Solero, L. (2005) Advances in propulsion systems of hybrid and electric vehicles. University ROMA TRE, Roma, Italy.

94. Crowther A.R., Zhang, N. and Singh, R. (2005) Development of a clunk simulation model for a rear wheel drive vehicle with automatic transmission, SAE Technical Paper Series, no 2005-01-2292, Warrendale PA

95. Ehsani, M., Rahman, K. M. and Toliyat, H. A. (1997) Propulsion system design of electric and hybrid vehicles. IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 44, No.l.

96. Tim M. Grewe, Brendan M.Conlon, Alan G. Holmes, "Defining the general Motors 2-Mode hybrid transmission ", SAE 2007 01-0273.

97. Schulz, M. (2005) Low-frequency torsional vibrations of a power split hybrid electric vehicle drive train. Journal of Vibration and Control, 11: 749-780.

98. O.Michael Blundell, Damian Harty, Multibody Systems Approach to Vehicle Dynamics 2004. 54lp.111.http://www.modelica.org/112.http://www.mscsoftware.ru/products/mdadamscar113.http://www.mathworks.com/products/simulink/114. http://www.ca rsim.com/