автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Методика повышения энергоэффективности автомобилей многоцелевого назначения форсажными режимами работы моторно-трансмиссионных установок

На правах рукописи

-■'.Л

№

Гричанюк Максим Валерьевич

МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ФОРСАЖНЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 ЯНВ 2014

Челябинск 2013

005544335

005544335

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (научный исследовательский университет).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Драгунов Геннадий Дмитриевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кравец Владислав Николаевич ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», профессор кафедры «Автомобили и тракторы», г. Нижний Новгород;

кандидат технических наук, доцент

Бердов Евгений Иванович

ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная

агроинженерная академия», зав. кафедрой

тракторов и автомобилей,

г. Челябинск.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский государственный

машиностроительный университет (МАМИ)», г. Москва.

Защита диссертации состоится 19 февраля 2014 г., в 1300 часов, на заседании диссертационного совета Д212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1001.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по адресу: 454080 , г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ЮУрГУ, на имя ученого секретаря диссертационного совета. Тел./факс (351)267-91-23, электронная почта: D212.298.09@mail.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, / с

доктор технических наук, профессор '{ЛОЛ Е.А. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Улучшение тягово-скоростных свойств и опорной проходимости автомобилей многоцелевого назначения (АМН) является актуальной задачей отрасли. Степень приспособляемости к выполнению различных тягово-транспортных работ предлагается оценивать энергоэффективностью автомобиля. Энергоэффективность автомобиля определяется отношением полезной совершенной работы к расходу топлива при заданных условиях движения. На энергоэффективность оказывают значительное влияние режимы работы моторно-трансмиссионных установок (МТУ). Автомобили эксплуатируются при типовых режимах работы, заявленных заводами-изготовителями (тормозные, холостые, частичные и номинальные), а также кратковременно при форсажных режимах работы.

В ряде отечественных и зарубежных работ исследуются двигатели с временным форсированием (форсажные режимы) для управления мощностью в более широких пределах по сравнению с типовыми режимами. Результаты данных работ использовались для оценки эксплуатационных параметров двигателей.

В ходе обзора общедоступных печатных и интернет-источников выявлено отсутствие исследований по влиянию форсажных режимов работы МТУ на энергоэффективность АМН. Применение форсажных режимов при различных условиях движения автомобиля требует обоснования и проведения с этой целью соответствующих теоретических и экспериментальных исследований.

Цель исследования разработать методику повышения энергоэффективности АМН применением форсажных режимов работы МТУ, позволяющей при эксплуатации автомобилей в различных условиях обоснованно использовать форсажные режимы.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:

— описать условия возможного применения форсажных режимов работы МТУ для АМН;

— предложить критерий оценки энергоэффективности автомобилей при форсажных режимах работы МТУ.

— разработать алгоритм включения форсажных режимов работы МТУ при различных условиях движения автомобиля.

- разработать математическую модель движения АМН при типовых и форсажных режимах работы МТУ.

- выполнить экспериментальное исследование АМН УРАЛ-43203 при типовых и форсажных режимах работы МТУ для проверки адекватности предложенных математических формул.

- произвести оценку влияние форсажных режимов работы МТУ на усталостную долговечность деталей трансмиссии автомобиля.

Объект исследования. АМН УРАЛ-43203 с дизельным двигателем, оснащенным устройством переключения режимов работы МТУ.

Предмет исследования. Показатели энергоэффективности автомобиля при типовых и форсажных режимах работы МТУ.

Методологической основой работы являются исследования, базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории конечных автоматов, методах численного решения дифференциальных и алгебраических уравнений, методах электрических измерений неэлектрических величин.

Научная новизна работы:

- расширена классификация режимов работы МТУ, учитывающая, кроме общеизвестных типовых режимов, также форсажные режимы работы МТУ, которые ранее для исследования энергоэффективности автомобилей не использовались;

- предложен новый способ определения энергоэффективности автомобиля коэффициентом энергоэффективности, включающим в себя коэффициент нагрузки и коэффициент расхода топлива, которые характеризуют отношение полезной совершенной работы автомобилем к расходу топлива при заданных условиях движения;

- разработана математическая модель движения автомобиля с типовыми и форсажными режимами работы МТУ, позволяющая определять показатели энергоэффективности на всех режимах работы и обоснованно выбирать форсажный режим при различных условиях движения.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач; использованием методов и подходов, описанных в научной литературе; обоснованностью применяемых теоретических зависимостей и принятых допущений; проверкой адекватности модели посредством независимых и авторских натурных испытаний; отсутствием противоречий с общепризнанными теоретическими и экспериментальными результатами зарубежных и отечественных авторов.

Практическая ценность работы. Разработанная методика повышения энергоэффективности АМН форсажными режимами работы МТУ может использоваться при проектировании новых и совершенствовании существующих образцов МТУ различных автомобилей для улучшения их тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

Реализация. Разработанная методика оценки энергоэффективности автомобилей используется при разработке перспективных моделей АМН в ОАО «Автомобильный завод «Урал».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались в период 2010-2013 гг. на Международном конгрессе по грузовым машинам, автопоездам и городскому транспорту под патронажем FISITA, Минск: БНТУ, 2010; III научно-практической конференции аспирантов и докторантов, ЮУрГУ, 2011; LI международной научно-технической конференции «Достижения науки — агропромышленному производству», ЧГАА, 2012; 64-й научной конференции, ЮУрГУ, 2012; 77-й Международной конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в

России: приоритеты развития и подготовка кадров», г. Москва, 2012; 5-й научной конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ, 2013.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, рекомендаций и общих выводов и содержит 118 страниц, в том числе 102 страницы машинописного текста, включающего 51 иллюстрацию, 18 таблиц, список литературы из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся актуальность темы, общая характеристика и краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса и поставлены задачи исследования. Приводится обоснование возможности повышения энергоэффективности АМН форсажными режимами работы МТУ как одного из направлений развития автомобилестроения.

Исследованиям энергоэффективности автомобилей посвящено множество работ. Среди них наиболее известны работы, авторами которых являются Валеев Д.Х., Великанов Д.П., Вохминов Д.Е., Евсеев П.П., Ерохов В.И., Зимелев Г.В., Карабцев B.C., Копотилов В.И., Крупченков B.C., Трембовельский Л.Г., McRae G.J., Nelson D.D., Onder C.H., Pfiffner R., Reilly J.M., Ross M., Small K.A., Taubert C., Van Dender K., Zahniser M.S. и др.

Результаты, достигнутые в исследованиях, показывают, что критерии энергоэффективности автомобилей не учитывают форсажные режимы работы МТУ, а также содержат величины, которые требуют дополнительных расчетов, помимо тех, которые осуществляются математическим моделированием движения автомобиля.

Различные математические модели движения автомобиля приводятся в работах следующих авторов: Андропов Ф.Е., Астапенко A.B., Бартош B.C., Блохин А.Н., Валеев И.Д., Вохминов Д.Е., Ган P.C., Гащук П.Н., Горелов В.А., Гришкевич А.И., Зеер В.А., Карабцев B.C., Катанаев Н.К., Ковальчук A.C., Котиев Г.О., Кравец В.Н., Лаврентьев М.М., L., Pacejka Н., Popp К., Rajamani R., Rill G., Schiehlen W., Sciaretta A., Seiffert U., Shramm D., Wallentowitz H. и др.

В рассмотренных математических моделях движения автомобилей для анализа их эксплуатационных свойств используются только типовые режимы работы МТУ, форсажные режимы работы не учитывались. В исследованиях Капитонова С.И., Николашина С.С., Погуляева Ю.Д., Садовского С.С. и др. исследовались форсажные режимы работы для оценки их влияния на эксплуатационные свойства двигателей.

В работе ставятся задачи по разработке методики повышения энергоэффективности АМН форсажными режимами работы МТУ.

Во второй главе приводится методика повышения энергоэффективности автомобилей при форсажных режимах работы МТУ и оценки влияния форсажных режимов долговечность деталей трансмиссии.

Предложенная классификация режимов работы МТУ (рис. 1) позволила выявить режимы работы МТУ, которые ранее при оценке энергоэффективности автомобилей не учитывались. Дальнейшие теоретические и практические этапы работы посвящены исследованиям влияния форсажных режимов работы на энергоэффективность автомобилей.

Рис. 1. Классификация режимов работы МТУ

Форсажные режимы работы МТУ предназначены для повышения приспособляемости АМН к выполнению различных тягово-транспортных работ. При эксплуатации рекомендуется использовать форсажные режимы в следующих случаях:

— для снижения риска возникновения угроз жизни и здоровью людей, участвующих в тягово-транспортных работах при экстремальных ситуациях путем повышения тягово-скоростных свойств АМН;

- для улучшения опорной проходимости АМН во время эксплуатации по различным типам дорог и местности при достаточном для устойчивого движения сцеплении ведущих колес с опорной поверхностью.

Энергоэффективность автомобиля зависят от степени соответствия требуемого режима движения автомобиля и режима работы его МТУ. Для выполнения данного условия выбор режима работы МТУ согласуется с частотой вращения коленчатого вала двигателя (далее частоты вращения двигателя) и положением педали подачи топлива.

Регулирование мощности двигателя осуществляется изменением положения педали подачи топлива. Положение педали подачи топлива оценивается коэффициентом hг, который равен отношению текущего положения педали подачи топлива /г, к предельному положению /гтах:

= — (1)

"max

При изменении положения педали подачи топлива происходит изменение частоты вращения двигателя в зависимости от действующей на него нагрузки. Для определения частоты вращения двигателя используется коэффициент h„, который равен отношению текущей 1-й и,- частоты вращения к частоте итах при максимальной мощности ДОС:

и ni

fcn.=--■ (2)

"max

Взаимосвязь коэффициентов hv и h„ характеризует реакцию МТУ автомобиля на нагрузку, подводимую к его ведущим колесам, при различных режимах работы МТУ и условиях эксплуатации. Отношение h„ к h„ предложено именовать коэффициентом нагрузки с, и рассчитывать по формуле:

Сг = 0Д^. (3)

"п

Каждому диапазону нагрузок соответствует определенный интервал значений сг и режим работы МТУ:

1) холостой ход, малые и средние нагрузки: 0,0 < сг < 0,8 - типовой режим;

2) максимальные нагрузки: 0,8 < сг < 1,0 - форсажный режим.

Соотношение коэффициентов нагрузки для каждого режима

определяются в зависимости от соотношения крутящего момента на типовом и форсажных режимах работы МТУ. Для автомобиля УРАЛ-43203 при работе на типовом режиме (двигатель работает по внешней скоростной характеристике), где коэффициент нагрузки сгТ = 0,8. Значение сгТ - 0,8 соответствует совершенной автомобилем полезной работой, при которой автомобиль начинает замедляться (при наименьшем передаточном отношении трансмиссии и достаточном сцеплении ведущих колес автомобиля с опорной поверхностью). Кратковременное форсирование двигателя на 20 % позволяет увеличить значение совершенной автомобилем полезной работы, при которой возможен останов двигателя. Для форсажного режима работы - crF = 1,0.

В зависимости от режимов работы автомобиля происходит соответствующее изменение удельного расхода топлива дд, которое определяют по формуле:

5д = 9еР ■ кц ■ кЕ, (4)

где деР — удельный расход топлива при максимальной мощности двигателя; ки - коэффициент, учитывающий зависимость дд от уровня нагрузки

двигателя; /се — коэффициент, учитывающий зависимость дд от скоростного режима двигателя.

При расчете дд возникает сложность определения ки, ввиду необходимости определения мощности, требуемой для равномерного движения автомобиля в заданных условиях. Для упрощения вычислений предложена обоснованная физическим подобием замена коэффициентов ки и кЕна йр и /?„, в результате получена формула:

Эд = ЗеР ■ К • V (5)

При значениях коэффициентов = й„ = 1 формула (5) преобразуется в формулу:

ЗДтах = ЗеР- (6)

Оценить расход топлива автомобиля предлагается через коэффициент

расхода топлива сд, который определяется отношением дд к дд тах по

следующей формуле: _ , , пл

Сд Пф ' "п* V'/

Взаимосвязь коэффициентов сг и сд для определенного автомобиля характеризует уровень совершенства его тягово-скоростных свойств и топливной экономичности. Повышение коэффициента нагрузки и снижение расхода топлива обусловливает повышение энергоэффективности автомобиля. Для типового и форсажного режимов коэффициенты расхода топлива принимают разные значения. При значениях коэффициентов нагрузки сгт = 0,8 и сгр — 1,0 коэффициенты расхода топлива принимают следующие значения сдт — 0,8 и сдр = 1,0 — для типового и форсажного режимов соответственно.

Энергоэффективность автомобиля характеризуется коэффициентом энергоэффектнвности ЕЕ. Значения коэффициента ЕЕ принимают значения от 0,0 до 1,0. Для расчета значений данного коэффициента необходимо определить функциональную зависимость ЕЕ = / (сг, Сд). Зависимость коэффициента ЕЕ от коэффициента нагрузки подобна изменению крутящего момента двигателя при фиксированном передаточном отношении трансмиссии. Для дизельных двигателей внешние скоростные характеристики с достаточной точностью аппроксимируются полиномами второй степени. Для бензиновых и электродвигателей зависимость может аппроксимироваться полиномами более высших степеней. Для определения энергоэффективности автомобиля на типовых и форсажных режимах работы МТУ с дизельным двигателем предлагается следующая формула:

а • с,2 + Ь ■ сг + с ЕЕ =-£---, (8)

С9Т

где ЕЕ — коэффициент энергоэффективности автомобиля; а, Ь, с — коэффициенты, определяющие форму параболы.

Расчет коэффициентов а, Ь и с для типовых режимов предлагается вычислять по следующим формулам:

cr3(EE2 -EEQ + c,, • ЕЕ) — crt • ЕЕ? a = __^ - Cri__(9)

cr3 • (СгЗ ~ Cri ~ Cri ) + Cri * cr2

ee2 - ЕЕ,

Ь = —-—--a • + Cr2 ). (10)

cr2 Cri

cr2 ' EEj — crj • EEi

c=------acrl-cr2, (11)

н-г ri

где с,/, с,л Oj - значения коэффициента нагрузки; ЕЕ,. ЕЕ}. ЕЕ3 - значения коэффициента энергоэффективноста.

Для автомобилей с дизельным двигателем (УРЛЛ-43203) взаимосвязь коэффициентов энергоэффективности. расхода топлива и нагрузки для типового режима EEt =/(с,т. свт) предлагается выражать формулой:

„„ -1.031 -сгГг + 1,728 Сгт

EEt --—-—. (12)

сят

Также для этих автомобилей взаимосвязь коэффициентов энергоэффсктнвностн, расхода топлива и нагрузки для форсажного режима EEf=f (с,р, Сдг) предлагается выражать формулой:

гг, -0,644-сур2 + 1,644 • crF

EEf --—-т—. (13)

V

Графики функций EEt =f(crT, ciT) и EEf -/(c,F, ctf) представлены на рис. 2.

Рис. 2. Графики функций EEt = /(с,т) и EEt ■ /(c,F) при ciT л 0,8 и с„р » 1,0

Для расчетной оценки коэффициентов энергоэффективностн автомобиля при типовых н форсажных режимах МГУ 1ребуется соответствующая математическая модель движения автомобиля. Переключение режимов работы осуществляется при сравнении значений коэффициентов ЕЕ!. ЕЕ/ и последующем выявлении максимального значения, которое соответствует определенному режиму.

При разработке математической модели движения автомобиля УРАЛ-43203 используются уравнения движения, описанные профессорами Г.Д. Драгуновым, И.А. Мурогом. В уравнениях движения учтены количество колес и осей автомобиля, сила сопротивления на буксировочном крюке. В правой части уравнений, учитываются моменты, возникшие от силовых реакций на колесах автомобиля при заданных геометрических параметрах автомобиля. Принятая схема действующих сил изображена на рис. 3.

продольной (а) и поперечной плоскостях (б)

С учетом принятых допущений движение автомобиля описывается системой дифференциальных уравнений:

"" + f ÍiX„ +r„-f. Z„ ■ cose, + гщ ■ siniQ + P„ ;

.1

+ М Y ¿(Z.-cosC)-

dt dt y dt " '

dt

В n В "

-тг ■ •cos íi - z.rcos - ^r ■ Z ■cos - •cos ív); i-i ¿ i-i

1 d!P-<, _ м dy dX _B dt1 ( '

É^r'J-í^'sinCrZ^áfJ-

i-/ I-I

-/•¿(Z^-cos^-Z^-cos^J-X^-y^)

(14)

,-1 j.l ,.1 1-1

x(to),y(to),z(ta), Vx(to), Vy(t(¡), Vz(to),y(tQ),X(to),fi(tQ)=O;x¡¡J=Rx,J-sm0¡J-,

I* -cosí?,; rs¡/ = -sin^; = fi^-cos^; zs(y .sin0,; z„ =Л„;,

где Ryij, Rz¡j — продольная, боковая и вертикальная реакции в контакте колеса /-й оси j-го борта с опорной поверхностью, Н; 0 - угол поворота колеса, рад; т — масса автомобиля, кг; Vx, Vy, Vz — продольная, боковая и вертикальная скорости автомобиля, м/с; Jx, Jy, Jz - моменты инерции автомобиля относительно продольной, горизонтальной и вертикальной осей соответственно, кг/м2; X, у, ¡i — углы тангажа, крена и рысканья соответственно, рад; hc - высота центра масс, м; В - колея автомобиля, м; /- коэффициент сопротивления качению колеса; Мс — момент сопротивления повороту колеса, Нм.

Уравнения (14) составляют основу математической модели движения автомобиля. В модель также включено математическое представление скоростных и регуляторных характеристик дизельного двигателя.

Нагрузки в МТУ при форсажных режимах отличаются от типовых режимов, что оказывает влияние на усталостную долговечность деталей МТУ. На основе методики расчета долговечности И.Б. Барского предложен

11

коэффициент Ау характеризующий отношение долговечности деталей на форсажных режимах к долговечности деталей на шповых режимах:

к„ = [ат + аФ ■ (ЬФ)Т] , (15)

где ат. аф - доля от обшего времени работы летали при действии эквивалентного силового фактора Мэ при типовых и форсажных режимах работы и ат+ аф= I; Ьф- показатель эквивалентного силового фактора на форсажных режимах при Л/><*,; да - показатель кривой выносливости; 5 -величина, зависящая от »ила деформации деталей: 5 ■ 1 - для палов при кручении; зш2- для зубчатых колес; з ~ 3 - для шарикоподшипников.

В отличие от методики И.Б. Барского для предложенного способа оценки не требуются абсолютные значения действующих факторов на форсажных режимах, а только их соотношение с соответствующими факторами на типовых режимах. Дтя автомобиля УРАЛ-43203 предложены следующие значения факторов: = 0,1 - доля работы на форсажном режиме от общего времени эксплуатации составляет 10%; Ьф 1,2 - повышение мощности двигателя на 20% по сравнению с типовым режимом.

Ниже представлены графики, показывающие нзхгененис усталостной долговечности деталей на форсажном режиме по сравнению с типовым режимом в зависимости о~ факторов Оф и ¿>«(рис. 4).

л)кцш/(аф), при переменном факторе аФ и постоянном факторе Ьф = 1,2; б) = /(Ьф), при переметом факторе Ьф и постоянном факторе ■ 0,1

В третьей главе описывается методика эксперимента для проверки предположения о влиянии форсажных режимов работы МТУ автомобиля УРАЛ-43203 на его энергоэффективность. С целью проведения эксперимента разработана измерительно-эегистрирующая система (рис. 5).

Ноутбук вагаилз 11540 с установленным специальным ПО (МАТЬАВ К2013а, АОСЬаЬ, ЫиеАУК. МБ ОГПсе)

г 1Г 1Г 1Г

Изшрнтелкяо-регнстряруухцнй комплекс 1_\-50и5В Расходомер 100.1»! ПОП1 Шыерителший прсобрыоаиель ИПТ-1 Вкауишое ка&щкше ■ Ш1» ■ МЗ ЬХСЕ1. ПО ли хамдорк шяа! М$ ЕХСЕЬ

1 1Г Л. "Г Л

II I В а II с В У: а II Датчик топлива \Т0 15 ОЕМ Текзоузел динамометрический Манометр стрелочний СРБ-наакитор Г>050}>1

1 1

ь.,% & гр кВт ч Р„ н р, МПа V,, КМ/Ч 1, С

Рис. 5. Структурная схема измерительно-регистрирующей системы

Целью эксперимента являлось определение следующих параметров автомобиля УРАЛ-43203 на типовых и форсажных режимах: частота вращения коленчатого вала двигателя п,; положение педали подачи топлива Ы; удельный расход топлива максимальная сила тяги на крюке Р^; скорость V, и время движения I.

Все измерительные приборы подключались к ноутбуку с установленным программным обеспечением. Для проведения ичмерениП использовалась современные технические средства и программное обеспечение. Перед проведением испытаний автомобиля выполнялась тарировка измерительной аппаратуры. Величина общей погрешности определения искомых параметров не превышает значения 3,24 %.

В четвертой главе приводятся результаты расчетных и экспериментальных исследований времени разгона до 60 км/ч, силы тяги на крюке (рис. 6, 7) и рекомендации по применению форсажных режимов для АМН на базе УРАЛ-432С. Приняты следующие сокращения: /•'Л/, ТХ/ —

форсажный и типовой режимы работы при расчетной оценке; ЕМехр, ТМ ехр - при экспериментальной оценке; ЕЕУх. ЕЕ_Ркр - значения энергоэффективности.

ЕЕ_\'х 10

09

01

0? 0« 0.5

0 10 20 30 40 50 60 1,0

Рис. 6. Расчетные (ЕЕЕМ, ЕЕ_Т\{) и экспериментальные (ЕЕЕМехр, ЕЕ ТМ ехр) значения энергоэффективности автомобиля УРЛЛ-43203 при определении времени разгоне до 60 км/ч на типовых (ГА/) и форсажных (ЕМ)

режимах работы МТУ

ЕЕ.Лр 08

06

С 4

0.2

в

■

ЕЕ ЕМ

ЕЕ_ЕМ_«р

¡»и» .

ЕЕ_ТМ_«ч>

0 I 2 I 4 $ 6 7 I 9 10 «.е Рис. 7. Расчетные (ЕЕЕМ, ЕЕТМ) и экспериментальные (ЕЕГМ ехр, ЕЕТМехр) значения эь;ерго эффективности автомобиля УРАЛ-43203 при определении максимальной силы тяги на крюке при типовых (ТМ) и форсажных (ЕМ) режимах работы МТУ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. При эксплуатации АМН рекомендуется использовать форсажные режимы работы МТУ в следующих случаях:

— для снижения риска возникновения угроз жизни и здоровью людей, участвующих в тягово-транспортных работах при экстремальных ситуациях путем повышения тягово-скоростных свойств АМН;

— для улучшения опорной проходимости АМН во время эксплуатации по различным типам дорог и местности при достаточном для устойчивого движения сцеплении ведущих колес с опорной поверхностью.

2. Предложен критерий оценки энергоэффективности - коэффициент энергоэффективности, включающий в себя коэффициент нагрузки и коэффициент расхода топлива, которые характеризуют отношение полезной совершенной работы автомобилем к расходу топлива при заданных условиях движения. Энергоэффективность автомобиля определяется соответствующим соотношением частоты вращения двигателя и положением педали подачи топлива при заданных условиях движения.

3. Разработан алгоритм переключения режимов работы МТУ на основе сравнения значений коэффициентов энергоэффективности автомобиля на типовых и форсажных режимах. Значения коэффициента энергоэффективности позволяют в зависимости от условий движения обоснованно выбирать форсажный режим или типовой режим работы МТУ для достижения энергоэффективности.

4. Разработана математическая модель движения автомобиля с типовыми и форсажными режимами работы МТУ, которая позволяет определять тягово-скоростные свойства, топливную экономичность и энергоэффективность автомобиля с достаточной точностью.

5. Адекватность разработанной методики подтверждена результатами сравнения расчетных и экспериментальных данных, разница между которыми не превышает 7,8%. В результате экспериментального исследования получены следующие данные для автомобиля УРАЛ-43203: на форсажном режиме время разгона сократилось на 5,1 секунд, сила тяги на крюке увеличилась на 10,6 кН, энергоэффективность автомобиля при этом увеличилась на 12,8%.

6. При различных условиях эксплуатации АМН с форсированием МТУ до 20% и соответствующем снижении усталостной долговечности деталей трансмиссии до 15 % по сравнению с типовыми режимами рекомендуется использовать форсажный режим работы МТУ в пределах 10% от общего срока службы.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1.Гричанюк, М.В. Экспериментальная оценка тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля при трехрежимном управлении / М.В. Гричанюк, H.A. Карпов, И.А. Мурог // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение».-2013.-Т. 13.-№1.-С. 97-101.

2. Гричанюк, М.В. Методика оценки энергоэффективности автомобилей / М.В. Гричанюк // Транспорт Урала. - 2013. - №4(39). - С. 8488.

3. Драгунов, Г.Д. Математическое представление скоростных и регуляторных характеристик дизелей со всережимным регулятором / Г.Д. Драгунов, М.В. Гричанюк, О.Р. Якупов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение».-2012.-Вып. 19.-№ 12(271).-С. 93-96.

Другие публикации

1.Гонтарев, Е.П. Повышение тягово-скоростных свойств автомобиля применением форсажных режимов работы двигателя и снижением времени переключения передач [Электронный ресурс] / Е.П. Гонтарев, М.В. Гричанюк, Г.Д. Драгунов // Сборник трудов 77-й Международной конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», г. Москва. - 2012. — Режим доступа: http://www.mami.ru/science/aai77/scientific/article/s01/s01_08.pdf.

2. Гонтарев, Е.П. Анализ влияния управляющих систем автомобиля на его тягово-скоростные свойства / Е.П. Гонтарев, М.В. Гричанюк // Материалы LI международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: Изд-во ЧГАА, 2012. - Ч. VI. - С. 34-39.

3. Гричанюк, М.В. Организация повышения топливно-экономических и тягово-скоростных показателей автомобиля двухрежимной эксплуатацией / М.В. Гричанюк // Научный поиск: технические науки. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - С. 6-9.

4. Dragunov, G. Ultimate mode: Novelty and urgency of ultimate mode for high flotation truck type «URAL» / G. Dragunov, M. Grichanyuk // Book of papers of International Congress of Heavy Vehicles, Road Trains and Urban Transport. - Minsk: BNTU, 2010. - P. 217-222.

Гричанюк Максим Валерьевич

МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ФОРСАЖНЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 19.12.2013. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 658/797.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (национальный исследовательский университет)

На правах рукописи 04201 45621 5 ,

• и

ГРИЧАНЮК МАКСИМ ВАЛЕРЬЕВИЧ

МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ФОРСАЖНЫМИ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВОК

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Драгунов Г.Д.

Челябинск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................9

1.1 Направления повышения энергоэффективности автомобилей...............9

1.2 Обзор показателей энергоэффективности автомобилей.....................12

1.3 Обзор методик расчета показателей энергоэффективности..................20

1.4 Режимы работы МТУ при моделировании движения автомобиля.........29

1.5 Формулирование цели и задач исследования....................................32

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ФОРСАЖНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫХ УСТАНОВОК..............................34

2.1 Назначение и классификация режимов работы..................................34

2.2 Теоретическое представление энергоэффективности автомобиля..........37

2.3 Разработка принципов переключения режимов работы МТУ..............48

2.4 Разработка автоматной модели переключения режимов работы...........53

2.5 Математическое моделирование движения автомобиля при форсажных режимах работы МТУ.....................................................................58

2.6 Оценка влияния форсажных режимов работы на усталостную долговечность деталей МТУ............................................................72

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРСАЖНЫХ РЕЖИМОВ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ..................79

3.1 Цели и задачи экспериментального исследования............................79

3.2 Описание объекта исследования....................................................80

3.3 Методика проведения натурного эксперимента...............................81

3.4 Измерительно-регистрирующее оборудование...............................86

3.5 Описание способа переключения режимов работы МТУ....................93

3.6 Тарировка измерительной аппаратуры...........................................95

3.7 Оценка погрешностей измерений.................................................97

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ, АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ...........................................103

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.........................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................106

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Улучшение тягово-скоростных свойств и опорной проходимости автомобилей многоцелевого назначения (АМН) является актуальной задачей отрасли. Степень приспособляемости к выполнению различных тягово-транспортных работ предлагается оценивать энергоэффективностью автомобиля. Энергоэффективность автомобиля определяется отношением полезной совершенной работы к расходу топлива при заданных условиях движения. На энергоэффективность оказывают значительное влияние режимы работы моторно-трансмиссионных установок (МТУ). Автомобили эксплуатируются при типовых режимах работы, заявленных заводами-изготовителями (тормозные, холостые, частичные и номинальные), а также кратковременно при форсажных режимах работы.

В ряде отечественных и зарубежных работ исследуются двигатели с временным форсированием (форсажные режимы) для управления мощностью в более широких пределах по сравнению с типовыми режимами. Результаты данных работ использовались для оценки эксплуатационных параметров двигателей.

В ходе обзора общедоступных печатных и интернет-источников выявлено отсутствие исследований по влиянию форсажных режимов работы МТУ на энергоэффективность АМН. Применение форсажных режимов при различных условиях движения автомобиля требует обоснования и проведения с этой целью соответствующих теоретических и экспериментальных исследований.

Цель исследования разработать методику повышения энергоэффективности АМН форсажными режимами работы МТУ, позволяющей при эксплуатации автомобилей в различных условиях обоснованно использовать форсажные режимы.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования сформулированы и решены следующие задачи:

1. Описать условия возможного применения форсажных режимов работы МТУ для АМН.

2. Предложить критерий оценки энергоэффективности автомобилей при форсажных режимах работы МТУ.

3. Разработать алгоритм включения форсажных режимов работы МТУ при различных условиях движения автомобиля.

4. Разработать математическую модель движения АМН при типовых и форсажных режимах работы МТУ.

5. Выполнить экспериментальное исследование АМН УРАЛ-43203 при типовых и форсажных режимах работы МТУ для проверки адекватности предложенных математических формул.

6. Произвести оценку влияние форсажных режимов работы МТУ на усталостную долговечность деталей трансмиссии автомобиля.

Объект исследования. АМН УРАЛ-43203 с дизельным двигателем, оснащенным устройством переключения режимов работы МТУ.

Предмет исследования. Показатели энергоэффективности автомобиля

_ /

при типовых и форсажных режимах работы МТУ.

Методологической основой работы являются исследования, базирующиеся на основных положениях теории автомобиля, теории конечных автоматов, методах численного решения дифференциальных и алгебраических уравнений, методах электрических измерений неэлектрических величин.

Научная новизна работы:

- расширена классификация режимов работы МТУ, учитывающая, кроме общеизвестных типовых режимов, также форсажные режимы работы МТУ, которые ранее для исследования энергоэффективности автомобилей не использовались;

- предложен новый способ определения энергоэффективности автомобиля коэффициентом энергоэффективности, включающим в себя коэффициент нагрузки и коэффициент расхода топлива, которые

характеризуют отношение полезной совершенной работы автомобилем к расходу топлива при заданных условиях движения;

- разработана математическая модель движения автомобиля с типовыми и форсажными режимами работы МТУ, позволяющая определять показатели энергоэффективности на всех режимах работы и обоснованно выбирать форсажный режим при различных условиях движения.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной постановкой задач; использованием методов и подходов, описанных в научной литературе; обоснованностью применяемых теоретических зависимостей и принятых допущений; проверкой адекватности модели посредством независимых и авторских натурных испытаний; отсутствием противоречий с общепризнанными теоретическими и экспериментальными результатами зарубежных и отечественных авторов.

Практическая ценность работы. Разработанная методика повышения энергоэффективности АМН форсажными режимами работы МТУ может использоваться при проектировании новых и совершенствовании существующих образцов МТУ различных автомобилей для улучшения их тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

Реализация. Разработанная методика оценки энергоэффективности автомобилей используется при разработке перспективных моделей АМН в ОАО «Автомобильный завод «Урал».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались в период 2010-2013 гг. на Международном конгрессе по грузовым машинам, автопоездам и городскому транспорту под патронажем БШТА, Минск: БНТУ, 2010; III научно-практической конференции аспирантов и докторантов, ЮУрГУ, 2011; Ы международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», ЧГАА, 2012; 64-й научной конференции, ЮУрГУ, 2012; 77-ой Международной конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в

России: приоритеты развития и подготовка кадров», г. Москва, 2012; 5-ой научной конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ, 2013.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и содержит 118 страниц, в том числе 113 страниц машинописного текста, включающего 51 иллюстрацию, 18 таблиц, список литературы из 124 наименований.

В главе 1 приводится современное состояние вопроса, обоснование актуальности представленной темы, обзор научных исследований и достижений, применяемых при оценке энергоэффективности автомобилей. На основе анализа научной проблемы и общедоступных результатов отечественных и зарубежных работ, формулируются цель и задачи исследования.

В главе 2 приводится теоретическое представление энергоэффективности автомобилей, классификация режимов работы МТУ по ряду признаков. Разрабатывается математическая формализация форсажных режимов работы МТУ. Разрабатывается алгоритм переключения типовых и форсажных режимов. Приводится математическая модель движения автомобиля при типовых и форсажных режимах работы. Производится оценка влияния форсажных режимов работы на усталостную долговечность деталей трансмиссии.

В главе 3 описывается методика экспериментального исследования влияния форсажных режимов работы МТУ автомобиля на его энергоэффективность при различных условиях движения. В качестве объекта экспериментального исследования принят автомобиль УРАЛ-43203, оснащенный дизельным двигателем КАМАЗ-740 с конструктивно измененным топливным насосом высокого давления и устройством переключения режимов работы.

В главе 4 приводится анализ результатов расчетной и

экспериментальной оценки энергоэффективности автомобиля для проверки адекватности разработанной математической модели движения автомобиля и предложенных формул для расчета энергоэффективности. По результатам работы предложены рекомендации по применению форсажных режимов работы МТУ для автомобиля УРАЛ-43203.

На защиту выносятся

Методика повышения энергоэффективности форсажными режимами работы МТУ; зависимости, определяющие энергоэффективность при типовых и форсажных режимах; алгоритм переключения режимов работы; результаты определения коэффициентов энергоэффективности при расчетной и экспериментальной оценке.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Направления повышения энергоэффективности автомобилей

Совершенствование эксплуатационных параметров автомобилей является актуальной научно-технической задачей в автомобилестроении. Автомобиль, как транспортное средство, в первую очередь, характеризуется эффективностью транспортирования грузов и людей. Эффективность автомобиля может определяться соотношением таких параметров как грузоподъемность (пассажировместимость), средней скоростью движения, соответствующим расходом топлива, а также уровнем выброса вредных веществ в окружающую среду и др. [8, 22, 71, 93, 102, 105, 123].

Эффективность системы - свойство системы выполнять работу с наименьшими затратами времени и энергии, что характеризует степень адаптации системы к поставленным задачам, а также является параметром качества ее работы. Энергия механической системы - способность системы совершать механическую работу.

Согласно Федеральному закону РФ от 23.11.2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...»: энергетическая эффективность - характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу...»

Согласно Директиве Комиссии Евросоюза по энергетике и транспорту «DIRECTIVE 2009/125/ЕС» энергетическая эффективность автомобиля характеризуется уровнем выбросов углекислого газа в граммах на километр.

Кроме предложенных понятий «энергоэффективность» существует также ряд других, близких к понятию коэффициента полезного действия (КПД). Существующие определения не учитывают первостепенную важность

качества выполнения автомобилями различных тягово-транспортных задач. Качество выполнения указанных задач характеризуется в большей степени уровнем совершенства тягово-скоростных свойств автомобиля. Показатели энергоэффективности автомобиля должны объединять в себе как показатели топливной экономичности, так и показатели тягово-скоростных свойств автомобиля.

Создание энергоэффективных наземных колесных транспортных средств осуществляется по разным направлениям. С одной стороны, ведутся разработки перспективных моделей, например, электромобилей (Tesla Model S, Mitsubishi i-MiEV, Chevrolet Volt, Nissan Leaf), гибридных автомобилей (Toyota Prius, Honda Hybrid Civic, Lexus RX400h), водородных автомобилей (BMW Hydrogen 7, Mazda RX-8 Hydrogen, Ford E-450), а также других, которые обладают высокими эксплуатационными показателями. С другой стороны, существуют неоспоримые преимущества автомобилей традиционной конструкции и высокий уровень развития их производственной и сервисной инфраструктуры.

Важным аспектом разработки любого из направлений является эффективность от применения и себестоимость внедрения конструктивных изменений в виде разнообразных технических решений. Эффективные технические решения, которые обладают относительно низкой себестоимостью внедрения в существующие конструкции автомобилей, являются наиболее перспективными. Для второго направления примерами таких уже частично используемых в массовом производстве решений могут служить: непосредственный впрыск топлива, применение различных видов наддува, отключение цилиндров двигателя, автоматические коробки передач с двойным сцеплением, подвески с изменяемым клиренсом на основе адаптивного управления и т.д. [84, 92, 99, 100, 106, 115, 119].

Третье направление существует с момента появления первых серийных автомобилей, модернизация которых производилась владельцами автомобиля. В настоящее время для любой модели автомобиля доступны

услуги модернизации (автотюнинга), как способа изменить технические параметры автомобилей, которые находятся в эксплуатации.

Таким образом, повышение энергоэффективности в настоящее время происходит по трем направлениям:

1) разработка перспективных и принципиально новых конструкций автомобильной техники;

2) улучшение эксплуатационных параметров автомобилей традиционной конструкции на стадии производства.

3) модернизация (автотюнинг) автомобильной техники, которая находится в непосредственной эксплуатации.

Исходя из этого, является целесообразным проведение теоретико-практических изысканий с целью дальнейшего повышения энергоэффективности автомобилей по всем указанным направлениям.

На энергоэффективность автомобиля наибольшее влияние оказывают параметры двигателя и трансмиссии, а также эффективность их взаимодействия. Физическое объединение двигателя и трансмиссии автомобиля представляет собой моторно-трансмиссионную установку (МТУ) [3,7, 9...15, 104].

Совершенствование выходных параметров МТУ оказывает наибольшее влияние на тягово-скоростные свойства и топливную экономичность по сравнению с остальными эксплуатационными свойствами, которые также испытывают влияние параметров МТУ. Параметры МТУ характеризуются скоростными и нагрузочными характеристиками, а также диапазоном и временем изменения передаточных чисел [14, 80, 86, 88].

Указанные параметры МТУ автомобилей должны иметь такие значения и их распределение во времени с учетом влияния различных факторов, которые позволяют автомобилю достигать высокой энергоэффективности при различных условиях движения. Энергоэффективность автомобиля определяется не только его эксплуатационными свойствами, но также способом оценки энергоэффективности.

1.2 Обзор показателей энергоэффективности автомобилей

Оценка энергоэффективности автомобилей может осуществляться различными способами. Суть оценки заключается в сравнении автомобиля при различных режимах работы МТУ и выборе наиболее энергоэффективного режима работы, а также в сравнении различных автомобилей при одинаковых условиях движения и определении наиболее энергоэффективного из них.

Исследованиям энергоэффективности автомобилей посвящено множество работ. Среди них наиболее известны работы, авторами которых являются Валеев Д.Х., Великанов Д.П., Вохминов Д.Е., Евсеев П.П., Ерохов В.И., Зимелев Г.В., Карабцев B.C., Копотилов В.И., Крупченков B.C., Лепешкин A.B., Московкин В.В., Наркевич Э.И., Петров В.А., Петрушов

B.А., Погосбеков М.И., Подригало Н.М., Романченко М.И., Русаков С.С., Титаренко B.C., Трембовельский Л.Г., Токарев A.A., Фаробин Я.Е., Фасхиев Х.А., Чудаков Е.А. и др.

Среди зарубежных исследователей известны труды Babiker М., Dallmeyer J., DeCicco J., Fiala E., Guzzella L., Jimenez J. L., Karplus V.J., Knit