автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Оптимальная модель управления автомобилем

На правах рукописи

Сарымсаков Бакытбек Ашимбекович

ОПТИМАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 7 НОЯ 2014

005555874

Москва-2014

005555874

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Организация и безопасность движения»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рябчинский Анатолий Иосифович

Официальные оппоненты:

Кутенев Вадим Федорович,

доктор технических наук, профессор, ГНЦ РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)», председатель экспертного совета

Маткеримов Таалайбек Ысманалиевич,

доктор технических наук, профессор, «Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова», декан факультета транспорта и машиностроения

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Защита состоится 16 декабря 2014 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно - дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, аудитория 42.

Телефон для справок (499) 155-93-24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте http://madi.ru.

Автореферат разослан «/3 » Н,РМр^2014 г.

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

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н., доцент

Хазиев А. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Автотранспортные перевозки возникли и развиваются для удовлетворения потребностей общества в перемещении людей и грузов. Однако автотранспортные перевозки приносят не только пользу. Рост автомобилизации ускоряет истощение невосполнимых природных ресурсов, способствует глобальному потеплению на земле, оказывает вредное экологическое воздействие на окружающую среду, приводит к травмированию и гибели людей в дорожно-транспортных происшествиях. Поэтому существует задача минимизации вреда, наносимого дорожным движением.

Одной из важнейших проблем является обеспечение экологической безопасности при использовании автомобильного транспорта. Автомобильный транспорт является одним из источников выброса углекислого газа, создающего парниковый эффект и вредно воздействующего на организм человека. На его долю приходится 23% общего антропогенного загрязнения атмосферного воздуха, и эта цифра постоянно растет. Сжигание автомобильного топлива сопровождается выбросом 5 миллиардов тон углекислого газа в год. По сравнению с 1850 годом (доиндустриальным периодом) содержание СОг увеличилось на 41%. В настоящий момент содержание углекислого газа в воздухе составляет около 0,04 %. Это приводит к значительному потеплению на земле, следствием которого может стать уменьшение площади суши. Глобальное потепление оказывает воздействие на изменение устойчивости циркуляции водных и воздушных масс. Это в свою очередь приведет к увеличению стихийных бедствий. Другим последствием потепления является негативное воздействие на здоровье человека в результате распространения вредных инфекций и насекомых. Климатические изменения оказывают негативное влияние на продовольственную безопасность и др. По данным Всемирной метеорологической организации, мировой экономический ущерб от глобального потепления ежегодно составляет более 300 млрд. долларов. В будущем эта цифра может увеличиться втрое.

Не снижается актуальность повышения безопасности дорожного движения. Уменьшение аварийности на дорогах непосредственно связано с необходимостью снижения количества водителей превышающих безопасную скорость и занижающих безопасную дистанцию между автомобилями в потоке. Как показывает практика, экономичное вождение автомобиля сопровождается изменением поведения водителя на дороге в сторону повышения его безопасности.

Таким образом, разработка и использование оптимальной модели управления автомобилем позволяет обеспечить минимальные вредные выбросы (повышает экологическую безопасность), повышает о''.;<> г. ;< с ¡гость и эффективность эксплуатации автомобиля.

Объектом исследования оптимальная модель управления легковым автомобилем.

Предметом исследования процесс управление автомобилем и его оптимизация.

Целью исследований является разработка оптимальной модели управления автомобилем, обеспечивающей минимальные вредные выбросы, а также повышение безопасности и эффективности эксплуатации автомобиля.

Основные задачи исследования:

1. разработать теоретические основы экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

2. разработать менее трудоемкую методику расчетно-экспериментального определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

3. определить расчетно-экспериментальным методом алгоритм экономичного регулирования скорости легкового автомобиля.

4. разработать оптимальную модель (эффективного, безопасного и экологичного) управления и апробировать ее при проведении эксплуатационных испытаний.

Научная новизна заключается:

1. в разработке теоретических основ экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

2. в разработке расчетно-экспериментальной методики определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля в режимах разгона, установившегося движения и замедления.

3. в разработке оптимальной модели управления.

На защиту выносятся:

1. теоретические основы экономичного управления автомобилем.

2. методика экспериментально - расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

3. оптимальная модель управления автомобилем.

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается применением аттестованных средств измерения, обоснованностью применения математических методов при обработке экспериментальных данных, а также высокой сопоставимостью теории и экспериментальных результатов.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования позволяют, определять экономичные алгоритмы регулирования скорости транспортных средств и обучить водителей методам их реализации.

Результаты исследования используются в Кыргызском государственном техническом университете им. И. Раззакова при чтении лекций по дисциплинам «Организация и безопасность движения», «Взаимодействие видов транспорта», а разработанный оптимальным алгоритм управления автомобилем реализуется при подготовке водителей, которую проводит университет.

Результаты исследований также используются в учебном процессе кафедрой «Организация и безопасность движения» МАДИ при проведении лекционных занятий по дисциплинам «Основы управления автомобилем» и «Методы стажировки и повышения квалификации водителей».

Отдельные результаты исследований использованы при разработке рабочей программы подготовки водителей транспортных средств категории «В» автошколами - членами Межрегиональной ассоциации автошкол (МААШ).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования были доложены на международных конференциях «Автошкола 2012», «Автошкола 2013» и на 72 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 3 печатные работы, из которых 2 - в рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и 12 приложений. Основной текст размещен на 122 страницах, включает 43 таблиц и 22 рисунков. Библиографический список содержит 60 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность решаемых задач и их научная новизна. Дана характеристика современного состояния вопроса.

В первой главе рассматриваются современные направления повышения экономичности при управлении автомобилем. Снижение эксплуатационного расхода топлива путем повышения качества управления автомобилем является резервом повышения экологичности, безопасности и эффективности автомобильного транспорта, который до сих пор плохо используется. В настоящее время производители автомобилей направляют свои усилия на снижение расхода топлива, путем совершенствования конструкций автомобиля. В то же время, повышение качества управления автомобилем позволит дополнительно снизить расход топлива и выбросы отработавших газов на 20-30% при любой конструкции транспортных средств. Поэтому в странах Евросоюза вопрос снижения расхода топлива и выбросов С02 за счет повышения умения водителя экономично управлять автомобилем стал одним из ведущих направлений научных исследований. В диссертационном исследовании было проведено обобщение работ по экономичному управлению ряда Европейских стран, а также фирм автопроизводителей. Выявлено, что влияние мастерства водителя на эксплуатационный расход топлива проявляется в двух направлениях:

1. Предотвращение повышения эксплуатационного расхода топлива в повышения расхода электроэнергии.

2. Уменьшение эксплуатационного расхода топлива в результате применения экономичного алгоритма регулирования скорости в каждой фазе цикла движения: разгоне, установившемся движении, замедлении; ограничении максимальной скорости.

Проведенный анализ позволил сделать вывод об отсутствии теоретического обоснования рекомендаций по экономичному управлению легковым автомобилем.

В связи с описанным выше в диссертации поставлена задача разработать

теоретические основы экономичного управления автомобилем, и разработать экспериментально-расчетную методику определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля, с целью максимального сокращения количества заездов при испытаниях, необходимых для точного определения экономичного алгоритма регулирования скорости.

По результатам проведенного анализа была сформулирована цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ экономичного управления автомобилем.

При движении в транспортном потоке водитель реализует цикл «разгон установившееся движение - замедление» Чтобы экономично управлять автомобилем при разгоне и установившемся движении двигатель должен работать с максимально возможным КПД. А при замедлении необходимо максимально использовать энергию, накопленную при разгоне автомобиля, путем движения накатом. Рассмотрим, насколько водитель должен перемещать педаль акселератора при разгоне, чтобы двигатель работал с максимально возможным КПД, и при какой частоте вращения коленчатого вала переходить на более высокие передачи.

Количество энергии Е, затрачиваемое на разгон, пропорционально разности квадратов конечной и начальной скоростей разгона:

Е = (шУ22-ШУ,2)/2 (1)

ш - масса автомобиля; У2 - скорость

окончания разгона; V] - скорость начала разгона.

Из приведенного выражения следует, что ее величина не зависит от интенсивности разгона. Поэтому необходимо разгоняться с интенсивностью, которой соответствует максимальный КПД двигателя.

Современные двигатели оснащены системой нейтрализации отработавших газов, у них не происходит обогащение смеси при максимальной загрузке, снижающей КПД, поэтому водитель должен переместить педаль акселератора на 100% ее хода.

Чтобы определить частоту вращения коленчатого вала, при которой необходимо переходить на более высокие передачи, рассмотрим комплексную характеристику

Ъ 30 &

20

10

л 1

у р

/ д Ц

- / / / Р [71

/ / / У Д/ Г' Р

ч У 0

- --- ___

0 20 40 60 80 100 120 140 160 V. км/ч

Рис.1 Комплексная характеристика расхода топлива легкового автомобиля: 1-4-расход топлива при разгоне; 1а-4а-расход топлива при установившемся движении.

-нагрузка 3 чел;---нагрузка

5 чел; — • — . — выбег

25 20

§15

^ 10 о-

5

О

0 1000 2000113000 4000 5000 6000 7000 п, мин *'

Рис. 2. Изменение путевого расхода

топлива в зависимости от частоты

вращения коленчатого вала в момент

переключения передач при разгоне легкового автомобиля от 0-120 км/ч

20Г

16

расхода топлива, приведенную на рис.1. Как можно видеть из графика, представленного на рис.1, при разгоне на всех передачах расход топлива не зависит от скорости, а зависит только от номера передачи. При каждом переключении расход топлива уменьшается пропорционально изменению отношения передаточных чисел трансмиссии. Из изложенного следует, что чем раньше мы будем переходить на более высокие передачи, тем меньше должен быть расход топлива при разгоне. Однако эксперимент показал, что существует оптимальная частота вращения коленчатого вала, при которой необходимо переключать передачи, и более раннее переключение увеличивает не только время разгона, но и расход топлива. Экспериментальный график изменения расхода топлива при разгоне, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач, приведен на рис. 2.

При движении с постоянной скоростью водитель может повышать загрузку двигателя, выбирая самую высокую передачу, на которой сохраняется устойчивая работа двигателя. На рис.3 приведен график изменения расхода топлива при установившемся движении на отдельных передачах. На нем показано, что для минимизации расхода топлива скорость движения на каждой передаче должна изменяться в узком диапазоне: от минимально-устойчивой скорости на этой передаче до минимально-устойчивой скорости на более высокой передаче, которую необходимо включить в случае повышения скорости до этой величины. На рис. 3 сплошной линией показана кривая изменения минимального расхода топлива при установившемся движении.

Существует мнение, что режим движения накатом опасен. Это не так, потому что при накате устойчивость ведущих колес против бокового скольжения самая высокая, поскольку максимальная величина поперечной реакции равна силе сцепления. При возникновении в пятне контакта продольной реакции, поперечная реакция уменьшается и становится равной нулю, когда продольная реакция увеличится до максимальной величины - равной силе сцепления. Обобщая можно сказать, что движение накатом не опаснее, чем движение при приложении тяговой или тормозной силы, создаваемой двигателем. Для безопасного управления необходимо другое: скорость, дистанция и боковой интервал всегда должны соответствовать безопасным значениям.

Наличие на автомобиле экономайзера принудительного холостого хода породило иллюзию того, что при замедлении путем торможения двигателем расход топлива меньше, чем при замедлении накатом. Это не так потому, что расход топлива необходимо сравнивать на одинаковых отрезках пути. Отрезком для

Рис. 3. Характеристика

минимального расхода топлива при установившемся движении легкового автомобиля

т тт ш расход топлива на передачах —— расход топлива при оптимальном переключении на пониженых передачах

сравнения является путь, проходимый автомобилем при движении накатом. Поскольку путь, проходимый автомобилем при торможении двигателем примерно в три раза короче, две трети пути на котором необходимо проводить сравнение, автомобиль проезжает с постоянной скоростью, равной скорости начала замедления. При этом расход топлива на участке применения торможения двигателем, превышает расход топлива при движения накатом.

Обобщая можно сделать вывод о том, что разработаны теоретические основы экономичного управления автомобилем.

Третья глава диссертации посвящена разработке расчетно -экспериментальной методике определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля. Как показано на рис.4 величину расхода топлива при разгоне необходимо сравнивать на одинаковых отрезках пути, расстояние, проходимое автомобилем при самом медленном разгоне (наименьшая частота вращения коленчатого вала в момент переключения передач), была принята за длину испытательного участка. При более быстрых разгонах, автомобиль после достижения заданной скорости проходит оставшуюся часть пути с постоянной скоростью, равной заданной скорости разгона. Расчет проводится в следующей последовательности.

1.Вычисление скорости автомобиля V в зависимости от заданной частоты вращения коленчатого вала производилось по формуле:

У= 0,377 пг./Уо км/ч (2)

где V - заданная скорость автомобиля в момент переключения на высшие передачи, км/ч; п - заданная частота вращения коленчатого вала в момент переключения на высшие передачи, мин'1; гк - радиус качения колеса, м; /', - передаточное отношение включенной передачи; ¡0 — передаточное отношение главной передачи.

2. Зная значения скорости по экспериментальному графику «изменения скорости в зависимости от времени разгона» определяется время разгона на каждой

Рис. 4. Схема определения длины испытательного участка 8ИСП при разгоне. 1-проходимое автомобилем до заданной скорости при

самом медленном разгоне; 2-3-4-расстояния, проходимые

автомобилем до заданной скорости при более быстрых разгонах

V, км/ч

Рис.5 Схема определение времени разгона I до заданной скорости V. Уз1 - скорость завершения разгона на первой передаче; Ьч - время разгона до первой передаче

передаче до заданной скорости. На рис.5 показано как с помощью экспериментальных графиков определяется время разгона ^ на 1-й передаче до заданной скорости Уз1, а на рис.6, показано как с помощью экспериментальных графиков определяется время разгона на передачах выше 1-й.

3. По известным значениям времени разгона на каждой передаче и V в момент переключения передач, определяется среднее ускорение на каждой передаче по формуле:

], = (У2-У,)/3,6^ м/с2 (3) у К.\Й

где У/ - среднее ускорение разгона на /-й '

передаче, м/с2; V) -скорость начала разгона на /-й передаче км/ч; К?-скорость окончания разгона на /-й передаче км/ч; /р- время разгона на 1-й передаче, с.

4. По известным значениям V в момент переключения передач, 1р на каждой передаче и определяются пути разгона, проходимые автомобилем на этих передачах по формуле:

8р! = У(М)Ъ/3,6+М2/2м (4)

где ¿'р, - путь, пройденный автомобилем при разгоне на 1-й передаче, м; .у - скорость окончания разгона на предшествующей передаче, км/ч; /, - время разгона на 1-й передаче, с; у,- - среднее ускорение разгона на 1-й передаче, м/с2.

5. Определяется длина испытательного участка, равное расстоянию проходимым автомобилем при самом медленном разгоне по формуле:

§исп = м

где - длина испытательного участка, м; £5р1 - сумма длин участков самого медленного разгона, на передачах, вычисленных по формуле (4),м; Х^пер! - сумма длин участков, проходимого при переключении передач, вычисленных по формуле (6). ,м;

б.Определяется расстояние проходимое автомобилем при переключении передач по формуле:

8пер> = ^1.,)1пер/3,6м (6)

где Бпер - путь, проходимый автомобилем при переключении на г'-ю передачу, м; У(1 .¡) — скорость окончания разгона на предшествующей передаче, км/ч; 1„ер - время переключения передач, равное 0,5 с.

7. По известной длине испытательного участка, определяются длины испытательного участка и длины участков движения с постоянной скоростью при более быстрых разгонах по формуле:

вуст = Зисп-УБр; м (7)

Рис.6 Схема определения времени разгона I до заданной скорости V на передачах выше 1-й. У* - скорость завершения разгона на предыдущей передаче; У(,+1) - скорость завершения разгона на включенной передаче; 1р(Н-1) - время разгона на включенной передаче

(5)

где Бусщ - длина участка движения с постоянной скоростью при _)-м разгоне с более высокой интенсивностью, м; — длина испытательного участка, вычисленная по формуле (5), м; Хф - суммарная длина участков .¡-го разгона с более высокой интенсивностью, м;

8. За счет преобразования экспериментальных графиков «зависимости расхода топлива от пути разгона» определялись значения коэффициентов преобразования пути в расход топлива по формуле:

К50 = (3,\8р] (8)

где Кзд - коэффициент преобразования пройденного пути в расход топлива при разгоне на передаче см3/м; <¿1 - расход топлива при разгоне на передаче, см3; -путь, пройденный в процессе разгона на /-й передаче, м.

График определения коэффициента преобразования пути в расход топлива представлена на рис.7.

9. Определяются расход топлива на участках движения по формуле:

й = к,д см3 (9)

где - расход топлива при разгоне на ;-й передаче, см3; кф - коэффициент преобразования пройденного пути в расход топлива при разгоне на 1-й передаче , см3/м; 5,- путь, пройденный в процессе разгона на /-й передаче, м.

10. Суммарный расход топлива на прохождении испытательного участка при более быстрых разгонах определяется по формуле:

I О, =1 Ои + см3 (10)

где X 0/- расход топлива на прохождение испытательного участка в у'-м заезде, см3; X £?(/ ~~ расход топлива на участке разгона в у'-м заезде, см3; - расход топлива на прохождение участка установившегося движения ву'-м заезде, см3.

11. Определяется путевой расход топлива при прохождении испытательного участка по формуле:

<7, = Ю0 I б/й™ л/100 км (11)

где д, - путевой расход топлива на испытательном участке, л/100 км; X Qj - расход топлива на прохождение испытательного участка в у-м заезде, - длина испытательного участка, м.

По результатам вычислений путевого расхода топлива строится график изменения путевого расхода топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Методика определение оптимальной по расходу топлива передачи при установившемся движении. При установившемся движении расход топлива зависит от скорости движения и выбранной водителем передачи. Вопрос выбора скорости не

Рис.7. Схема определения расхода топлива (} от пройденного пути 8

относится к определению алгоритма выбора передачи при установившемся движении. Водитель может снизить расход топлива, используя самую высокую для выбранной скорости передачу. Возможности использования высших передач при движении с постоянной скоростью определяются величиной минимальных устойчивых скоростей движения на передачах. На рис.3, показан график, иллюстрирующий правильный выбор передачи при движении с постоянной скоростью в зависимости от ее величины.

1. Определяется величина минимальных устойчивых скоростей движения на каждой передаче.

2. Строятся графики расхода топлива на различных передачах при движении с постоянной скоростью.

3. Выбирается оптимальная передача соответствующая минимальному расходу топлива на передачах при движении с постоянной скоростью.

Определение характеристики

расхода топлива при замедлении. Чтобы построить характеристику изменения путевого расхода топлива в зависимости от замедления, необходимо, так же как и при разгоне определить длину испытательного участка. Его длина определяется при предварительных натурных испытаниях путем измерения времени выбега автомобиля в заданном диапазоне скоростей. При повышении интенсивности замедления автомобиль проходит часть пути, равную разности между длиной испытательного участка и пути, проходимого с заданным замедлением. Схема изменения скорости на испытательном участке при реализации различных замедлений показана на рис.8.

Для определения характеристики расхода топлива при замедлении использовались полученные

экспериментально: время выбега ^ в заданном диапазоне изменения скорости и часовой расход (2 л/ч топлива на холостом ходу.

1. По известным значениям V и 1в находится среднее замедление выбега по формуле:

Ь = ^2-У,)/3,61, м/с2 (12)

где .¡в - среднее замедление выбега автомобиля, м/с2; VI - скорость в начале выбега, км/ч; У2- скорость в конце выбега, км/ч; 1В - продолжительность выбега, с.

2. По известным значениям V, 1В и находятся путь выбега по формуле:

8, = 1вУ,/3,6+У.2/2м (13)

где Б, - путь выбега, м; VI - скорость в начале выбега, км/ч; I, -продолжительность выбега, с; .¡в- среднее замедление выбега автомобиля, м/с2.

Уга/ч

Рис.8. Схема определения длины испытательного участка Бисп при замедлении. VI — скорость начала замедления; V2- скорость завершения замедления

3. Поскольку длина испытательного участка 8НСП равна пути выбега 8В, длина участка движения автомобиля с постоянной скоростью будет равна длине выбега минус путь, проходимый автомобилем при торможении по формуле:

8Уст = 8в-8Тр м (14)

где 8уст - длина участка пути, проходимого с постоянной скоростью, м; 8„ - путь выбега, равный длине испытательного участка, м; - путь, проходимый автомобилем при торможении, м.

4. Определяется время при торможении по формуле:

^У/З.б/Ц (15)

где Ц,- время при торможении, с; среднее замедление при торможении, м/с2.

5. Определяется путь пройденный при торможении 8,р по формуле:

втр = У% / 3,6 м (16)

где Б-ф - путь пройденный автомобилем при торможении, м; V - заданное значение скорости при торможении, км/ч; Ц - время торможения, с; ^ - среднее замедление при торможении, м/с2.

6. Определяется, расход топлива при выбеге по формуле:

qs= КХ^,/ 3,68ц л/100 км (17)

где qs- путевой расход топлива при выбеге, л/100 км; ц, - часовой расход топлива на холостом ходу, л/ч; - время выбега, с; Б, - путь выбега, м.

7. Определяем расход топлива на участках замедления с применением торможения двигателем и комбинированным торможением по формуле:

Ч5тр = ЮООУС1/ Бисп л/100 км (18)

где qSTp - путевой расход топлива при замедлении с использованием торможения, л/100 км; (2уст - расход топлива при установившемся движении 8ИСП = в,- длина испытательного участка, равная расстоянию выбега, м.

По результатам вычислений строится график изменения расхода топлива при снижении скорости на заданную величину в зависимости от величины замедления.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям и расчету экономичного алгоритма регулирования скорости легкового автомобиля. Эксперимент проводился на автомобиле с рабочим объемом двигателя 2000 см3. В экспериментальной части ставилась задача определить следующие характеристики автомобиля:

1. Зависимости скорости автомобиля от времени разгона на каждой передаче;

2. Зависимости расхода топлива от пути разгона на каждой передаче;

3. Зависимости путевого расхода топлива от скорости при установившемся движении на каждой передаче;

4. Времена выбега автомобиля в заданных диапазонах снижения скорости;

5. Часовой расход топлива на холостом ходу.

1000 2000 3000 4000 5000 6000 п, мин'1

Рис. 9. График изменения путевого расхода топлива при разгоне с места до 60 км/ч в зависимости от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передачи

13 12

В 11 § 10

Ъ 9

£ 8

7

6

5

1000 2000 3000

4000 5000 6000 п, мин"1

Рис. 11. График изменения путевого расхода топлива при разгоне с 40 до 90 км/ч в зависимости от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 п, мин*1

Рис. 10. График изменения путевого расхода топлива при разгоне с места до 90 км/ч в зависимости от частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передачи

Определение минимального расхода топлива при разгоне.

Расчет был произведен по методике, описанной в 3-й главе. Расчет был проведен для следующих диапазонов скоростей: разгон с места до скорости 60 км/ч; разгон с места до скорости 90 км/ч; разгон от 40 до 90 км/ч.

Как можно видеть из рис. 9, 10, 11 оптимальная частота вращения коленчатого вала в момент переключения передач равна:

• при разгоне с места до 60 км/ч-1500 мин"1

• при разгоне с места до 90 км/ч-2500 мин"1

• при разгоне от км/ч 2500 мин'1.

40-90

Определение оптимальной по расходу топлива передачи при установившемся движении. Чтобы минимизировать расход топлива при установившемся движении, необходимо выбирать такую передачу, на которой при заданной скорости расход топлива будет минимальным. Диапазоны скоростей и соответствующие им оптимальные передачи приведены на рис. 3. Как видно из рисунка минимально устойчивая скорость равна: 1- передача - 5 км/ч; 2- передача -10 км/ч; 3 - передача-20 км/ч; 4 - передача-30 км/ч; 5 - передача-40 км/ч.

Определение экспериментально расчетным методом замедления автомобиля. Расчеты производились по методике, описанной в третьей главе. Расчеты производились для диапазонов замедления:

- замедление автомобиля от 60 км/ч до 0;

- замедление автомобиля от 90 км/ч до 40 км/ч.

Для проведения расчетов необходимы экспериментальные данные: время выбега и в заданном диапазоне изменения скорости от У2 до VI и часовой расход топлива О л/ч на холостом ходу которые приведены в табл. 2.

Таблица 2

Время выбега в заданном диапазоне скорости и часовой расход топлива

(У2-У|), км/ч 60-0 90-40

1в,С 111,1 92,5

С?, л/ч 1,1

В результате проведения расчетов были получены графики изменения путевого расхода топлива в зависимости от величины замедления, приведенные на рис. 12 и 13.

2,5 3 3,5 ],м/с2

Рис.12. График зависимости путевого расхода топлива от замедления при снижении скорости от 60 км/ч до 0.

2,5 3 3,5 .Ь м/с2

Рис.13. График зависимости путевого расхода топлива от замедления при снижении скорости от 90 км/ч до 40 км/ч

Как можно видеть из графика минимальному расходу топлива соответствует замедление автомобиля путем применения наката.

На основании результатов разработки экономичного алгоритма управления автомобилем была разработана методика приближенного определения экономичного алгоритма регулирования скорости легковым автомобилем. Отличия в алгоритмах экономичного управления различными моделями легковых автомобилей определяются номинальной частотой вращения коленчатого вала, соответствующей максимальной мощности двигателя. Проведенное исследования показали, что отношение оптимальной частоты вращения коленчатого вала, в момент переключения на более высокие передачи при разгоне, к номинальной частоте вращения коленчатого вала в среднем равно 0,45 ± 0,05.

пштг/пн0м = 2500/5600 = 0,45 (19)

Преобразовав формулу (19) получим выражение для вычисления оптимальной частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне: Попт= 0,45 пном, мин"' (20)

Используя выражение (19) были вычислены значения оптимальной частоты вращения коленчатого вала п0ПТ в момент переключения передач при разгоне для различных значений пном. Результаты вычислений приведены в табл.3.

Таблица 3

Оптимальные значения частоты вращения коленчатого вала при переключении

на высшие передачи для различных значений номинальной частоты

Пном, МИН"' Попт? МИН"'

5500-6000 2500 - 2750

5000-5500 2250-2500

4500-5000 2000-2250

4000-4500 1750-2000

После достижения выбранной скорости включить самую высокую передачу, обеспечивающую устойчивую работу двигателя (если разгон, снижение скорости были завершены на другой передаче).

В зависимости от скорости установившегося движения необходимо выбирать следующие передачи: 5-я передача - при скорости 45 км/ч и выше; 4-я передача - при скорости 35-45 км/ч; 3-я передача - при скорости 25-35 км/ч; 2-я передача - при скорости 15-25 км/ч; 1-я передача - при скорости до 15 км/ч.

В результате проведения экспериментально-расчетного исследования определен экономичный алгоритм регулирования скорости управления легкового автомобиля.

Оптимальная частота вращения коленчатого вала в момент переключения передач равна: при разгоне с места до 60 км/ч - 1500 мин-1; при разгоне с места до 90 км/ч - 2500 мин-1; при разгоне от 40 до 90 км/ч - 2500 мин'1

Минимально устойчивая скорость равна: 1 - передача - 5 км/ч; 2 - передача -10 км/ч; 3 - передача - 20 км/ч; 4 - передача - 30 км/ч; 5 - передача - 40 км/ч.

Подтверждено что применение наката обеспечивает минимальный расход топлива при замедлении.

Разработана методика приближенного определения экономичного алгоритма управления легковым автомобилем.

5-я глава диссертации посвящена разработке оптимальной модели (эффективного, безопасного и экологичного) управления автомобилем и ее апробации при проведении эксплуатационных испытаний.

При проведении эксплуатационных испытаний водитель управлял, реализуя оптимальную модель управления автомобилем, в основе которой лежал

разработанный экономичный алгоритм регулирования скорости автомобиля. Вторым элементом оптимальной модели управления является модель оптимального поведения водителя.

В результате проведенных исследований предложена оптимальная модель управления автомобилем состоящая из модели поведения водителя в дорожном движении и экономичного алгоритм управления автомобилем.

1. Оптимальная модель поведения водителя:

1.1. Разгон:

- разгон при встраивании в поток и его пересечении, обгоне автомобилей производить с необходимой для безопасного выполнения маневра интенсивностью;

1.2. Установившееся движение:

- максимальная скорость в свободном транспортном потоке - разрешенная скорость +10 км ч

- ограничение максимальной скорости по сравнению с разрешенной на участках свободного движения при снижении уровня удобства движения в транспортном потоке.

- по возможности двигаться равномерно со скоростью транспортного потока;

- дистанция - не менее 3 - 4 е.;

- обгон (опережение) только тех транспортных средств, которые двигаются медленнее транспортного потока.

- при многополосном движении сменять полосы только для выполнения поворотов и опережения транспортных средств, движущихся медленнее транспортного потока.

1.3.3амедление:

- по возможности снижать величину замедления, используя движение накатом, торможение двигателем.

2. Экономичный алгоритм регулирования скорости автомобиля:

2.1. Разгон:

- разгон производить при перемещении педали акселератора на 100% ее хода;

- переключение на высшие передачи производить при разгоне до 60 км/ч при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин."1.

- переключение на высшие передачи производить при разгоне до скорости выше 60 км/ч производить при частоте вращения коленчатого вала 2500 мин."1.

2.2. Движение на подъем:

- при въезде на подъем управление педалью акселератора производить так, чтобы скорость движения на подъеме оставалась постоянной;

- если скорость снижается , педаль акселератора переместить на 100% ее хода;

- если скорость продолжалась снижаться - производить переход на пониженные передачи при частоте вращения коленчатого вала 1800 мин."1.

2.3. Движение с постоянной скоростью:

- движение с постоянной скоростью производить на самой высокой передаче, при которой двигатель работает устойчиво, использовать в зависимости от скорости следующие передачи: 1 - при скорости до 10 км/ч; 2 - при скорости 10 - 20 км/ч; 3 -при скорости 20 - 30 км/ч; 4 - при скорости 30 - 40 км/ч; 5 - при скорости более 40 км/ч.

- при движении с постоянной скоростью зафиксировать положение педали акселератора и изменение его производить только при необходимости устранить отклонения скорости от заданного значения;

2.4.Движение на спуске:

- использовать движение накатом, если скорость движения на спуске изменяется по отношению к скорости в начале спуска в пределах ±5 км/ч;

- использовать торможение двигателем, если автомобиль начинал разгоняться, использовать передачу обеспечивающую движение на спуске с выбранной скоростью;

- применять комбинированное торможение при невозможности обеспечить движение с выбранной скоростью при торможении двигателем.

2.5. Замедление:

- плановые замедления начинать выполнять путем движения накатом, переходя к торможению двигателем и нажатия на педаль тормоза, в случае необходимости, в завершение снижения скорости;

Эксплуатационные испытания проводились на дорогах Москвы и Московской области. Общий пробег по городским дорогам составил 2300 км, по шоссе - 2960 км.

В процессе эксплуатационных испытаний подтверждена эффективность применения оптимальной модели управления автомобилем. Применение разработанной модели оптимального управления позволило снизить эксплуатационный расход топлива в сравнении с нормативом Минтранса России: в городских условия движения на - 29%, и при движении в не населенных пунктах- 36%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты выполненного исследования состоят в следующем:

1. Повышение качества управления автомобилем является резервом повышения экологичности, безопасности и эффективности автомобильного транспорта. Ведущие страны развитой автомобилизации и фирмы производители автотранспортных средств реализуют программы по экономичному вождению автомобиля.

2. Разработаны теоретические основы экономичного управления автомобилем, включающие методы регулирования скорости автомобиля в режимах разгона, установившегося движения и замедления. Показано, что для снижения эксплуатационного расхода топлива при разгоне педаль акселератора необходимо перемещать на 100% ее хода. Обоснованы и предложены рекомендации по определению оптимальной частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне и по выбору оптимальной передачи при движении с постоянной скоростью.

Предложена методика определения максимальной скорости на участках свободного движения, превышение которой приводит к снижению эффективности расходования топлива.

Обоснована и определена зависимость эксплуатационного расхода топлива от средней величины замедления автомобиля. Показано что движение накатом является наиболее эффективным способом снижения скорости.

На основании анализа сил, действующих в пятне контакта колеса с дорогой, показано, что применение наката не снижает активную безопасность.

3. Разработанная менее трудоемкая методика экспериментально-расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля, позволяет более точно определить оптимальные частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне до 60 км/ч и при разгоне до более высоких скоростей.

4. Определен экспериментально-расчетным методом алгоритм экономичного регулирования скорости автомобиля позволяющий существенно сократить количество испытаний в режиме разгона и значительно расширить количество исследуемых вариантов для выбора оптимальной частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне. Для определения оптимальных передач при движении с постоянной скоростью, предусмотрено определение минимальной устойчивой скорости при движении на каждой передаче. Разработана методика определения характеристики расхода топлива в зависимости от величины замедления автомобиля и величины начальной скорости замедления.

5. Проведена апробация оптимальной модели управления автомобилем при движении по дорогам общего пользования и показано что его применение позволило снизить расход топлива по сравнению с нормативом Минтранса России в городских условиях на 29% а при движении по дорогам вне населенных пунктов на 36%.

6. Разработанная модель оптимального управления автомобилем, включающая модель поведения водителя в дорожном движении и алгоритм экономичного регулирования скорости автомобиля позволяет:

- снизить до 30% расход топлива и выбросы парникового газа;

- снизить пропорционально уменьшению расхода топлива ресурс расходов на эксплуатацию транспортного средства;

- включить в программу профессионального обучения водителей и программы повышения квалификации водителей транспортных средств, раздел «Основы эффективного, безопасного и экологичного управления транспортных средств».

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих печатных

работах:

в рецензируемых научных изданиях:

1. Сарымсаков Б.А. Роль автопроизводителей в распространении экономичного алгоритма управления автомобилем / О.В. Майборода, А.И. Рябчинский, Б.А. Сарымсаков // Журнал ассоциации автомобильных инженеров. - 2014. - №1. - С. 810.

2. Сарымсаков Б.А. Теоретические основы управления автомобилем / О.В. Майборода, А.И. Рябчинский, Б.А. Сарымсаков // Отраслевой ежемесячный научно-производственный журнал Автотранспортное предприятие. - 2014. - №1. - С. 48 - 52.

в других изданиях:

3. Сарымсаков Б.А. Методика экспериментально - расчетного определения экономичного алгоритма управления автомобилем / О.В. Майборода, А.И. Рябчинский, Б.А. Сарымсаков//Депон. в ВИНИТИ.-2014.-№89.-С. 23

Подписано в печать: 10.10.2014 Тираж: 100 экз. Заказ № 1199 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект, д. 74 (495)790-47-77; www.reglet.ru