автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Исследование зависимости топливной экономичности и динамической нагруженности трансмиссии от режимов включения сцепления

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БА.АЛКАЛИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ топливной экономичности И ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРИЕННОСТИ ТРАНСМИССИИ . ОТ РЕ2ИШВ ВКЛЮЧЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ

(Специальность 05.05.03' - Автомобили и тракторы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена на кафедре "Автомобили11 Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорокного института.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор И.С. Шлиппе

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор О.С. Руктешель,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник С «И. Кондрашкин

Ведущая организация - Московский .автомеханический институт,

Защита состоится " "^¿¿^^¿^¿йЭЭ! г. в/^ч в ауд. ЧУ на заседании специализированного совета ВАК СССР К 053.30.09 при Московской автомобильно-доронном институте по адресу: 125829, Москва, ГСП-4-7, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института.

Телефон для справок 155-01-38.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять в специализированный совет института.

Автореферат разослан "" ^1991г.

Ученый секретарь специализированного совета К 053.30.09

кандидат технических наук,

доцент В.М. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технический прогресс в любой стране невозможен без использования автомобильного транспорта, и это убедительно доказывает рост численности автомобильного парка в развитых странах мира. Вместе с тем современный автомобиль, как известно, является одним из основных потребителей нефти, запасы которой ограничены. Поэтому задача снижения расхода топлива автомобильным транспортом гсегда была в центре внимания конструкторов ведущих автомобильных фирм. Следует отметить также, что в себестоимости перевозок расходы на топливо составляют 15...20% и, следовательно, снижение расхода топлива вызовет снижение эксплуатационных затрат. Проблема повышения топливной экономичности автомобиля тесно связана со снижением токсичности отработавших газоз. Известно, что при сжигании одной тонны топлива в атмосферу попадает от 0,3 т до 0,5 г отравляющих веществ. Снижение расхода топлива приводит к улучшению экологической обстановки, особенно в крупных городах.

Экономия топлива на автомобильном транспорте достигается как средствами технической эксплуатации, так и совершенствованием конструкции автомобиля. Причем технические мероприятия связаны с дальнейшим улучшением конструкции отдельных агрегатов автомобиля (особенно двигателя) и совершенствованием организации рабочих процессов. Расход топлива определяется режимами работы двигателя, на которые оказывают существенное влияние другие агрегаты автомобиля. На определенных этапах движения режим работы ЛВС определяется режимом работы сцепления. Организация рабочего процесса включения сцепления формирует и динамические нагрузки в элементах трансмиссии автомобиля. Для совершенствования организации рабочих процессов элементов силового агрегата автомобиля в последнее время интенсивно'ведутся работы по созданию систем автоматического управления (САУ). Поэтому выбор режимов работы сцепления для оптимального функционирования таких систем является актуальной задачей.

Цель работы. Целью работы является определение оптимальных режимов трогания автомобиля с места и разработка рекомендаций для создания программного обеспечения САУ сцеплением,

позволяющего улучшить топливную экономичность автомобиля и увеличить срок службы сцепления и элементов трансмиссии за счет уменьшения работы буксования и снижения динамических нагрузок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

усовершенствована методика теоретического определения расхода топлива на режиме трогания автомобиля с места с буксующим сцеплением;

обоснован закон управления сцеплением, позволяющий получить минимальный расход топлива при включении сцепления с различными темпами;

доказано, что предлагаемый закон управления сцеплением приводит к снижению динамических нагрузок в элементах трансмиссии;

разработана методика, позволяющая определить минимальное время включения сцепления.

Методы исследования. Теоретическое исследование рабочего процесса сцепления в элементах трансмиссии автомобиля, а так^е двигателя проводилось методом численного анализа, реализованным на современных ЭВМ. Проведена экспериментальная проверка основных теоретических положений в стендовых условиях.

Практическая ценность. Предлагаемые оптимальные режимы работы сцепления позволяют научно обоснованно составить алгоритмы функционирования САУ приводом сцепления.

Реализация работы. Рекомендации для создания алгоритма функционирования автоматизированного привода сцепления и стенда для его испытаний переданы для реализации в НВЦ "Луч"; (,г. Ленинград), а также для использования в учебном процессе по профилизации "Испытания автомобилей".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных научно-исследовательских конференциях МАДИ в 1988, 1989, 1990 годах.

Публикации. Теоретические положения диссертации изложены в одной печатной работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Диссертация изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность'проблемы, ее новизна и практическая ценность, определены цели и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор существующих методик оценки топливной экономичности и надежности элементов трансмиссии автомобильного транспортного средства. Проведен анализ конструкций агрегатов системы "двигатель-трансмиссия" автомобиля с позиции автоматизации управления, рассмотрены способы управления включением сцепления.

Изучению рабочего процесса сцепления, его особенностей и способов автоматизации посвящено большое количество работ. Значительный вклад з теорию внесли такие ученые, как Е.А. Чудаков, И.Б. Барский, Б.В. Гольд, Н*В. Диванов, Ю.А. Ечеистов, ¡O.K. Есеновский-Дашков, Е.Д. Львов, А.И. Мамлеев, А.И. Нарбут, В.А. Петров, Д.Г. Поляк, Л.А. Румянцев, В.В. Селифоноз, B.C. Фель-кевич, А.К. Фрумкин, И.С. Цитович, Г.М. Шеренков и другие. Изучению динамической нагруженности элементов трансмиссии посвящены работы, выполненные Я.С. Агейкиным, P.A. Акопяном, И.Ф. Бочаровым, А.И. Гришкевичем, В.П. Хигаревым, С.И. Конд-рашкиньш, А.Н. Островцевым, И.Г. Пархиловским, Я.М. Певзнером, В.М. Семеновым, A.A. Хачатуровнм и другими авторами. Из работ, посвященных изучению вопросов, связанных с топливной экономичностью автомобиля, наиболее известны работы М.С. Высоцкого, Н.Я. Говорущенко, В.Н. Иванова, A.A. Токарева, И.С. Шлиппе.

Проведенный анализ показал, что несмотря на большое количество работ, посвященных этой проблеме, ряд вопросов не получил долнного освещения. Так, например, достаточно хорошо изучен рабочий процесс включения сцепления при трогании автомобиля с места, но в литературе н§. освещено ег,о _влияние_да режимы работы двигателя и топливную экономичность автомобиля. Есть работы, которые позволяют оценить динамическую нагружен-ность элементов трансмиссии в зависимости от режима включения сцепления, но в них отсутствует анализ влияния эеих режимов

ка топливную экономичность. В раоотах, ввязанных с совершенствованием самого рабочего процесса включения сцепления , иу.'-.как следствие, с улучшением его выходных характеристик (основной из которых является работа буксования I£ ), такие не рассматриваются вопросы топливной экономичности.

Мезду тем, при проектировании автоматически действующих сцеплений, особенно построенных на базе средств вычислительной техники, оптимальные алгоритмы управления не могут быть реализованы без учета топливной экономичности.

Поэтому на основании проведенного анализа;работ были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать методику расчета «алых расходов топлива на решше трогания автомобиля с места с буксующим сцеплением.

2. Определить пути снижения расхода топлива и способы их реализации.

3. Исследовать влияние способов включения сцепления, позволяющих получить минимальные расходы топлива при различных ренинах трогания, на динамическую нагрукенность элементов трансмиссии.

Ь. Разработать рекомендации для создания алгоритмов функционирования автоматизированного управления сцеплением.

5. Провести экспериментальную проверку основных теоретических положений в стендовых условиях.

Бо второй главе разработана методика расчета расхода топли ва при трогании автомобиля с места и математическая модель автомобиля с колесной формулой 4x2 с учетом податливости элементов трансмиссии. Оценка топливной экономичности автомобиля на неустановившихся режимах работы двигателя является очень слоаной задачей. Одна из основных проблем заключается в отсутствии некоторых данных о "динамических топливных характеристиках двигателей" под которыми понимается зависимость часового или удельного расхода топлива от оборотов и крутящих моментов, при изменении последних во времени. Вместе с тем надо иметь в виду, что для опре деления путей, ведущих к снижению расхода топлива в момент трога ния автомобиля с места, достаточно использовать общие закономерности зависимости расхода топлива от режимов .работы двигателя.'-Поэтому разработанная методика расчета расхода топлива при включении "сцепления основана на допущении о зависимости расхода 4.

топлива от величины затрачиваемой двигателем работы, в том числе и на буксование сцепления.

Для подтверждения этого предположения и анализа влияния различных способов управления двигателем и сцеплением при тро-гании с места на топливную экономичность была составлена математическая модель, в основу которой заложена 'двухыасвовая динамическая система. Моменты на двигателе и сцеплении изменялись линейно в зависимости от времени и при достижении своих максимумов оставались постоянными. Расход топлива определялся по уравнению

Результаты расчетов путевого расхода топлива для различных сочетаний темпов нарастания моментов на двигателе ( К ) и зцеплении ( ) и при некоторых начальных частотах вращения коленчатого вала двигателя приведены на рис. I и 2. Как видно лз рис. I, соблюдение условия равенства моментоз на двигателе л сцеплении, а следовательно и темпов К, и | дает снижение путевого расхода топлива на 37$ по сравнении с режимами, у юторых К, < к'г (точки I и Г на рис.1) ипдо 26по сравнению : режимами, у которых К, (точки I и I на рис. I).

Проведенные расчеты позволили установить связь менду вели-шной работы буксования и путевым расходом топлива. Так, напри-!ер, наименьшее увеличение расхода топлива с ростом частоты окон-¡ания буксования оказалось для групп вариантов с К (для ■очек 2 и 2')равным 18$, для этих же вариантов отмечен и нак-1еньший рост работы буксования (в 1,2 раза). Таким образом, ¡еличина работы буксования влияет на путевой расход топлива и го снижение за счёт оптимальной организации процесса вклю-

о

где ^е - удельный эффективный расход топлива, определяемый по характеристике двигателя; М - мощность двигателя; & - время буксования. Величину работы буксования при трогании автомобиля с места можно определить из уравнения

/г

чения сцепления приводит к снижению путевого расхода топлива. / Полученные результаты дали основание оставить для дальнейшего анализа только случаи, когда тейпы нарастания цементов на двигателе и сцеплении равны, т.е. когда выполняется условие

. В соответствии с известной методикой весь процесс включения разбивался на 3 этапа и общая работа двигателя за время включения сцепления определяется как

и 'М. ЁкЩ-й,

где Л? - момент инерции подвижных деталей двигателя; к - темп нарастания крутящего момента двигателя; угловая частота вращения коленчатого вала; величина момента, поддерживаемого на валу двигателя; ¿чЛц^* - время окончания отдельных этапов.

Расход топлива за время включения сцепления определяется как произведение совершаемой работы и удельного расхода топлива:

о ° ,

где - удельный расход топлива.

Текущее значение удельного расхода топлива определяется как

где удельный расход топлива при работе двигателей на

неустановившемся режиме; Ки, - коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива двигателем при изменении нагрузки.

Коэффициент для расчета расхода топлива в зависимости от степени использования мощности двигателя определяется по выражению

Ки-А+ВЦ+си',

где Ц= 4" - степень использования мощности двигателя;

Паст

.а £ ~ постоянные коэффициенты, определяемые по ' 7 реальной нагрузочной характеристике двигателя.

Рис. I. Зависимость путевого расхода топлива от угловой скорости коленчатого вала двигателя

-о

- К< =Кг.

Рис. 2. Зависимость путевого расхода топлива от темпа включения сцепления

Для общего расхода топлива за весь период буксования поручено следующее уравнение:

¿Ц, -Мцс Ые[-и].

Для сравнительной оценки результаты, полученные после подсчета по этому выражению, были отнесены к пройденному пути за время буксования. Расчеты проводились для полностью груженого легкового автомобиля ВАЗ-2106 при трогании на сухом ровном асфальтированном участке горизонтального шоссе.

Для анализа влияния способов управления сцеплением и двигателем при трогании автомобиля с места была разработана модель многоыассовой динамической системы, эквивалентная схема которой показана на рис. 3. Система дифференциальных уравнений, описывающая движение масс динамической системы исследуемого типа автомобилей, базируется на уравнении Лагранна П рода и для случен незамкнутого демпфера выглядит следующим образом:

%<ре - ф,)+Мщ=о ;

кб-Ры ~Мк-ак - =0; Х- £ + }1П, ~м!=а ;

где -1, , Д», 1г1> - приведенные ыоменты инерции подвиг

ных деталей двигателя, сцепления, первичного и вторичного валов коро ки передач и колеса, соответственн

Рис. 3. Расчетная динамическая схема автомобиля

Ve , <Рч, <fi>e, '/¿г , У* ~ соответствующие ускорения

масс перечисленных выше элементов трансмиссии; С,Св,С,Са,С - жесткости прузшн гасителя

крутильных колебаний, первичного зала коробки передач, приведенная жесткость элементов коробки передач, карданной передачи и полуосей соответственно;

4-, 4 ~ коэффициенты демпфирования соответствующих элементов;

UK,U0 - передаточные числа коробки передач и главной передачи;

Ме(°(,Фе)- крутящий момент двигателя внутреннего сгорания, задаваемый по экспериментально полученным характеристикам;

Мщ - момент трения сцепления;

/%. - приведенный упругодемпфирующий момент коробки передач, равный

М* - -<ftr& 6л(фт ~ ifir.s/i/J ;

- упругодемпфирующий момент на полуосях ведущего . моста, равный •

Mi - упругодемпфирующий момент на ведущих колесах автомобиля

ML-G.fr.-

г< - радиус качения ведущих колес;

Pj,,Pjz- силы сопротивления качению соответственно передних и задних колес.

Разработанная математическая модель реализована в виде программы ЦУМ MIX'S , написанной на языке FORTM^ для персональных ЭВМ типа PC, PC-XT, РС-АТ.

В третьей главе проведено исследование влияния режимов включения сцепления на расход топлива и определены пути их снижения. По разработанной математической модели были проведены расчеты для полностью груженого автомобиля ВАЗ-2106 в случае трогания его с места на ровном участке сухого асфальтированного шоссе. Определялись: полная работа двигателя и работа буксования за время включения сцепления, скорость движения и пройденный автомобилем путь, абсолютный и путевой расходы топлива.

При анализе полученных результатов установлено, что абсолютный расход топлива за период включения сцепления возрастает при увеличении начальной частоты вращения коленчатого вала двигателя и при уменьшении тейпа включения сцепления. Так же изменяется полная работа двигателя и работа буксования сцепления. Бто еще раз подтверждает вывод о том, что одним из путей снижения расхода топлива является снижение работы буксования, которое кокег сыть получено за счет совершенствования организации самого процесса буксования.

Применяя в качестве оценочного критерия путеЕОй расход топлива, были получены зависимости его изменения от темпа нарастания момента на сцеплении и от частоты вращения коленчатого вала двигателя, при котором оканчивается буксование. Установлено, что путевой расход топлива практически линейно зависит от частоты окончания буксования сцепления, и при уменьшении последней вдвое (от 160 с--'- до'80 с-*) уменьшается примерно на 35...40%. Аналогично изменяется путевой расход и от изменения темпа нарастания момента на сцеплении, так как с уменьшением темпа снижается путегой расход топлива.

Таким образом, на основании проведенного исследования можно утверждать, что для снижения путевого расхода топлива при трога-нии автомобиля с места процесс включения сцепления надо организовать таким образом, чтобы работа буксования была минимальной. Если ставится задача минимально возможного расхода топлива и не имеет значения интенсивность разгона, то можно рекомендовать следующие режимы, обеспечивающие минимальный расход топлива: темпы нарастания момента на сцеплении и двигателе должны быть равными и не долены превышать 50 Н.м.с-^, а частота вращения коленчатого вала двигателя должна быть постоянной и не должна превышать 100 •

При высоких темпах открытия дроссельной заслонки соблюдение условия К,=Кг может привести к значительным динамическим нагоузкам, поэтому задача заключается в определении ограничений на темп включения сцепления с целью недопущения возникновения значительных динамических нагрузок. По разработанной матемгти-ческой модели были проведены расчеты, которые показали (рисЛ), что рекомендуемый закон включения сцепления не вызывает увеличения динамической нагруженности элементов трансмиссии.

Так как темп изменения момента сцепления в практической эксплуатации замерить достаточно трудно, то в качестве информационных параметров, по которым можно опоеделить его значение, были выбраны воемя нажатия на педаль управления дроссельной заслонкой и минимальный угол открытия.

Проведенные исследования позволили установить зависимость минимально возможного времени включения сцепления от времени нажатия на педаль подачи топлива и начальной угловой скорости коленчатого вала двигателя для различных углов откштия дроссельной заслонки, которые приведены в диссертации.

Так как на процесс буксования ведущих колес большое влияние оказывает вес автомобиля, то было проведено исследование с цельв определения зависимости минимально допустимого времени включения сцепления от массы автомобиля.

. В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению расхода топлива, которые проводились в стендовых условиях на силовом агрегате ВАЗ-2106. На начальной стадии экспериментальных исследований были получены основные показатели топливной экономичности, которые после обработки использовались в качестве исходных данных при теоретическом расчете расхода топлива.

Для проведения экспериментальных исследований с целью определения расхода топлива при буксующем сцеплении была разработана и создана специальная установка, которая позволяла организовать процесс включения сцепления с различными нарастаниями моментов на двигателе и сцеплении. В качестве исполнительных устройств использовались механизмы типа МПШ-2 ( для привода дроссельной заслонки карбюратора) и ШШ-4 (для привода механизма сцепления. Комбинированная схема управления была выполнена на аналоговых ключевых элементах. Для замера расхода топлива ,12

————-

Рис .4

1 - угловая скорость коленчатого вала двигателя}

2 - угловая скорость Еедомого диска сцепления;

3 - угловая скорость колеса;

4 - угловая скорость первичного вала коробки передач;

крутящий момент двигателя; тз

/%,- момент на переднем валу коробки передач

использовался индуктивный датчик перемещений, шток которого изменил свое положение в зависимости от уровня топлива в поплавковой камере карбюратора. Чтобы уменьшить погрешность измерений, применен метод отсечки топлива, используемый в работах Н.Ы. Сергеева. Точность фиксации уровня топлива составляла 0,05 мм. В процессе экспериментов регистрировались частоты вращения коленчатого вала двигателя и первичного вала коробки передач, угол открытия дроссельной заслонки карбюратора и расход топлива, который приведен на рис.5 (пунктирные линии). Так как в настоящем исследовании не ставилась цель создания системы управления с высокой точностью отработки реализуемых законов, в осноьу построения экспериментальной установки были положены соображения простоты изготовления и малой стоимости. Но, как показали экспериментальные исследования, системы управления подобного класса обладают малым быстродействием и, следовательно, точность-обработки предлагаемого закона оказалась не очень высокой, максимальное отклонение частоты вращения коленчатого вала двигателя при включении сцепления для различных темпов составляло от 7 до 26$. Эти особенности СУ внесли дополнительные погрешности и, как показали экспериментальные исследования (рис.5), увеличили расход топлива. Разница между теоретически и экспериментально полученными данными по расходу топлива составила от 9,7 до 22,1%. Это позволило сделать вывод об удовлетворительной сходимости и, следовательно, о достаточно большой точности математической модели и возможности ее использования при теоретических исследованиях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика и комплекс программ для ЭБЫ позволяют на стадии проектирования определить расход топлива •л уровень динамической нагрухенности элементов трансмиссии в зависимости от режимов включения сцепления.

2. доказано, что с уменьшением раооты буксования уменьшается и путевой расход топлива при трогании автомобиля с места, т.е. за счет совершенствования организации рабочего процесса включения сцепления можно достигнуть снижения расхода топлива при трогании до 37%.

5. Установлено, что предлагаемый закон, при котором в

к

- Расчетный расход топлива

--- Экспериментальный'расход топлива

Рис.5. Расход топлива при включении сцепления

момент буксования САУ поддерживает равенство моментов на двигателе и сцеплении, не вызывает увеличения динамической нагру-некности элементов трансмиссии.

Установлено, что минимальный расход топлива может быть получен при включении сцепления с малыми темпами нарастания моментов на двигателе ( не более 50 Н.м.с-*) при низкой углово скорости вращения коленчатого вала двигателя (не более 100 с-^)

5. Экспериментально установлено, что расход топлива зависит от качества регулирования процесса буксования и увеличивается с увеличением разницы между Ме и Мщ .

Основные результаты диссертации изложены в следующей работе:

Ба Алкали. Влияние режима включения сцепления на расход топлива при трогании автомобиля // Повышение производительности и безопасности автомобиля: Сб. науч.тр./ МАЛИ. - Ы., 1989. - С. 52-57.

ЦАДИ.3.1291 т.ХОО 27.12.90г.