автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Разработка экономичной модели управления автомобилем

На правах рукописи

САРЫМСАКОВ БАКЫТЕЕК АШИМБЕКОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭКОНОМИЧНОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЕМ

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

п

I о пл. / 2015 005568725

Москва-2015

005568725

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

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: Рябчинский Анатолий Иосифович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Карнаухов Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет (ТюмГНГУ)», профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта»

Кириллов Александр Геннадьевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ)», заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт»

ГНЦ РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)»

Защита состоится 16 июня 2015 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 при ФГБОУ ВПО «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 и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

http://wvyw.rnadi.rU/1266-uchenw-sovet-grafik:-2aschitv-dissertaciv.html.

Автореферат разослан « с~~г')> 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchsovet@madi.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Хазиев А.А.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из крупнейших потребителей нефтепродуктов является автомобильный транспорт. В 2014 году численность мирового автомобильного парка превысила 1 млрд единиц. По данным Международной автомобильной федерации (FIA) к 2050 году количество автомобилей может удвоиться и, соответственно, возрастет потребление топлива. Поэтому задача снижения потребления топлива автомобильным транспортом является актуальной.

Одним из эффективных методов снижения эксплуатационного расхода топлива является обучение водителей экономичному управлению транспортными средствами, которое позволяет снизить эксплуатационный расход топлива в среднем на 5-20%. Как показывает практика, экономичное управление связано с изменением поведения водителя в дорожном движении в сторону повышения его безопасности. Эмиссия выбросов углекислого газа автомобильным транспортом составляет 23% от общих выбросов. Снижение эксплуатационного расхода топлива является эффективным способом уменьшения выбросов углекислого"газа двигателями, работающими на углеводородном топливе. Таким образом, разработка и использование экономичного управления автомобилем позволят снизить эксплуатационный расход топлива, пропорционально уменьшить количество выбросов в атмосферу парниковых газов и токсичных веществ, а также повысить безопасность эксплуатации автомобильного транспорта.

Степень разработанности темы исследования. Большая часть исследований по разработке мер по экономии топлива в основном посвящена вопросам совершенствования конструкций автомобилей и рабочих процессов автомобильных двигателей.

Влияние особенностей управления автомобилем и рационального регулирования скорости движения на экономию топлива рассматривается в ограниченном числе работ, в которых в основном без обоснования даются предложения по использованию некоторых технических приемов при управлении автомобилем. Таким образом, можно считать, что тема диссертации является малоизученной и требует методической и экспериментальной проработки.

Целью исследований является уменьшение эксплуатационного расхода топлива автомобилем в результате соблюдения водителем определенных правил поведения в дорожном движении и применения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

Для реализации поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Теоретическое обоснование рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении и экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

2. Разработка экспериментально - расчетной методики экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

3. Определение экономичного алгоритма регулирования скорости легкового автомобиля и экспериментальная проверка эффективности разработанных методов экономичного управления.

4. Разработка рекомендаций для водителей по экономичному управлению легковым автомобилем.

Объект исследования - система «водитель - автомобиль».

Предмет исследования - процесс управления автомобилем, обеспечивающий минимизацию расхода топлива.

Научная новизна заключается:

- в разработке и теоретическом обосновании рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении;

- в теоретическом обосновании экономичного алгоритма регулирования скорости, выразившееся в разработке характеристики минимального расхода топлива при установившемся движении и критерия ограничения максимальной скорости на участках свободного движения;

- в разработке экспериментально - расчетной методики определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля в различных фазах цикла его движения.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении и экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования и разработанная методика позволяют определять экономичные алгоритмы регулирования скорости транспортных средств и обучать водителей методам управления автомобилем для снижения расхода топлива от 4 до 27%.

Методология и методы исследования. Комплексный подход к изучению качества функционирования системы управления «водитель-автомобиль».

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении.

2. Экспериментально-расчетная методика определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля в режимах разгона, установившегося движения и замедления.

3. Рекомендации для водителей по экономичному управлению легковым автомобилем.

Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается применением аттестованных средств измерения, обоснованностью применения математических методов при обработке экспериментальных данных, а также сопоставимостью теоретических расчетов с экспериментальными результатами.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационного исследования были доложены на международных конференциях: Автошкола-2012, IX Всероссийский семинар-совещание руководящих работников автошкол-2012, Автошкола-2013, X Юбилейный Всероссийский семинар-совещание руководящих работников автошкол-2013 и на 72 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ.

Результаты исследования подтверждаются актами о внедрении и были использованы:

1. При разработке Примерных программ профессионального обучения водителей транспортных средств различных категорий и подкатегорий, выполненной в рамках ФЦП «Повышение безопасности дорожного движения в 2013-2020 годах».

2. В учебном процессе кафедрой организации и безопасности движения МАДИ при разработке программ по дисциплинам «Основы управления автомобилем» и «Методы стажировки и повышения квалификации водителей».

3. В образовательных учреждениях, осуществляющих профессиональное обучение водителей транспортных средств, входящих в Межрегиональную ассоциацию автошкол, при разработке рабочей программы по предмету «Основы управления транспортными средствами» и проведении практических занятий по вождению автомобиля.

4. В образовательных учреждениях, осуществляющих профессиональное обучение водителей транспортных средств, входящих в Ассоциацию юношеских автомобильных школ России, при разработке рабочей программы по предмету «Основы управления транспортными средствами» и проведения практических занятий по вождению автомобиля.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основной текст размещен на 146 страницах, включает 48 таблиц и 47 рисунков. Библиографический список содержит 82 источника.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проводится обзор литературных источников по экономичному управлению автомобилем. Исследования вопросов экономии топлива автомобилей проводились ведущими учеными Д.П. Великановым, Н.Я. Говорущенко, Г.В. Зимилевым, В.А. Иларионовым, В.Н. Карнауховым, В.Ф. Кутеневым, Н.В. Островским, Л.Г. Резником, Д.А. Рубцом, A.A. Токаревым, B.C. Фалькевичем, Е.А. Чудаковым, И.С. Шлиппе, В.Ф. Яковлевым и др.

Экономичное управление автомобилем исследовалось в работах Г.Б. Безбородовой, В.И. Ерохова, О.В. Майбороды, А.Н. Нарбута и др.

Экономичному управлению посвящены ряд публикаций фирм автопроизводителей: Вольво, Ниссан, Тойота, Фольксваген, Хонда и др.

Принципы экономичного регулирования скорости автомобиля были сформулированы в 30-40 годах- XX века академиком Е.И. Чудаковым. Однако интерес к их реализации возник совсем недавно, в связи с тем, что наряду с уменьшением расхода топлива и соответствующего ограничения вредных выбросов за счет совершенствования конструкции автомобиля (двигателя), были выявлены значительные потенциальные возможности уменьшения эксплуатационного расхода топлива путем использования определенных правил поведения водителем в дорожном движении и экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля. Как результат, в Австрии, Швеции и др. странах были приняты программы по обучению водителей экономичному вождению. Как показывает практика, экономичное вождение способствует и повышению безопасности дорожного движения. В диссертационном исследовании проведен анализ работ по экономичному вождению. Дополнительно был осуществлен анализ многопараметровой характеристики по удельному расходу топлива двигателя легкового автомобиля в зависимости от нагрузки и оборотов (скорости движения).

В итоге было выявлено, что влияние водителя на эксплуатационный расход топлива может проявляться в 3 направлениях:

- реализация экономичного алгоритма регулирования скорости при разгоне, установившемся движении и замедлении автомобиля;

- проведение мероприятий, направленных на: уменьшение сопротивления движению автомобиля, уменьшение механических потерь в двигателе и трансмиссии, уменьшение мощности, потребляемой дополнительным оборудованием;

- выполнение определенных правил поведения водителя в дорожном движении.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время отсутствуют: законченное

теоретическое обоснование экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля и имеются расхождения в обосновании экономичного алгоритма регулирования скорости при разгоне; обоснованные рекомендации по применению наката; модель рекомендуемого поведения водителя в дорожном движении; экспериментально-расчетная методика определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля. В связи с изложенным была поставлена цель и определены задачи исследования, направленные на устранение выявленных недостатков в существующих представлениях о методах экономичного вождения.

Вторая глава посвящена разработке теоретического обоснования экономичного управления автомобилем. Целью управления автомобилем является перемещение из одного пункта в другой. Управление автомобилем заключается в достижении цели наилучшим образом. Так как назначение транспорта состоит в обеспечении перемещения грузов и пассажиров, средняя скорость Vc является одним из показателей качества управления автомобилем. Ее величина равна отношению пройденного пути S ко времени прохождения этого пути tS; с учетом задержек в процессе движения:

g

Vc = —, км/ч

ts

Можно выделить две основные модели поведения водителя: модель «гонщика» и модель «перевозчика». Стремясь повысить среднюю скорость, водитель - гонщик старается увеличить скорость до максимально возможной величины на каждом участке свободного движения и обогнать ус км/ч

как можно больше автомобилей. Такие j^q'________________________________________________ /

водители уверены в том, что, непрерывно ~ /

маневрируя в потоке, можно существенно /

повысить среднюю скорость своего 100 /

движения относительно потока.

Представленный на рис.1 график показывает, как изменяется скорость Vc при управлении легковым автомобилем с конструктивной скоростью 160 км/ч при движении по двухполосной загородной дороге. Как можно видеть на представленном графике, на участках свободного движения средняя скорость V растет пропорционально максимальной скорости Vmax. Однако уже на границе между свободным А и частично связанным В транспортными потоками (180 авт/ч) после того как Vmlv превысит 55 км/ч," рост скорости Vc начинает замедляться, и при Уля, равной 120 км/ч, Vc будет равна

79,5

63,0

i. 54.0 т 50.0 46,5

100 Утах, км/ч

Рис. /. Зависимость средней скорости Ус от максимальной скорости на участках свободного движения при различных уровнях удобства движения в транспортном потоке легкового автомобиля с конструктивной скоростью 160 км/ч. Л,¡1С,I),!■:,!■'- уровни удобства движения в ТП

только 79,5 км/ч. Дальнейшее ухудшение уровня удобства движения ускоряет данный процесс. На границе между частично связанным В и связанным стационарным С транспортными потоками (360 авт/ч) скорость Ус, несмотря на попытки водителя повысить ее, снижается до 63 км/ч. При дальнейшем ухудшении уровня удобства движения (600 авт/ч и выше) увеличение Утлх выше определенной скорости не вызывает даже самого незначительного увеличения скорости Ус. Из изложенного следует, что при снижении уровня удобства движения необходимо ограничивать максимальную скорость Утах.

Расход топлива является одним из показателей качества управления автомобилем. При наличии двух показателей эффективности управления автомобилем возникает необходимость в применении комплексного показателя, позволяющего оценить изменение эффективности управления при одновременном изменении средней скорости и расхода топлива. %юо»А (л»ч)

Таким показателем является отношение средней скорости Ус к расходу топлива К^= — , 100км2/(л*ч) К,,у условно назовем коэффициентом эффективности использования топлива. Его величина показывает, какую скорость обеспечивает каждый литр топлива, израсходованный на 100 километров пути. На рис.2, представлен график изменения КЧУ в зависимости от скорости установившегося движения легкового автомобиля ВАЗ - 2105. Как можно видеть, на представленном графике величина КЧУ имеет максимум в диапазоне скоростей 100 - 110 км/ч. Это означает, что до этой скорости расход топлива увеличивается медленнее, чем скорость, а после достижения КЧУ максимума расход топлива начинает расти быстрее, чем увеличивается скорость автомобиля. Очевидно, что превышать скорость, соответствующую максимуму Ц», нецелесообразно.

Из изложенного следует, что роль водителя заключается в его умении определить максимальную скорость при движении в свободном и частично связанном транспортных потоках (см. уровни удобства А и В на рис.1). При ухудшении уровня удобства движения следует двигаться со скоростью транспортного потока. При появлении участков свободного движения необходимо ограничивать максимальную скорость таким образом, чтобы увеличить время движения с постоянной скоростью.

Скорость является главным фактором риска в дорожном движении. Поэтому Правила дорожного движения во всех странах устанавливают ограничения максимальной скорости в зависимости от условий движения. Ограничение максимальной скорости для повышения эффективности управления одновременно повышает и безопасность. Не меньшую опасность представляет отклонение максимальной скорости от скорости потока. Чем больше величина отклонения (в любую сторону), тем выше риск ДТП.

Реализация водителем модели поведения гонщика в транспортном потоке существенно увеличивает неравномерность движения (шум ускорения). "Шум

Рис.2. Зависимость коэффициента эффективности использования топлива при управлении легковым автомобилем ВАЗ -2105

ускорения» - показатель, необходимый для оперативной оценки качества организации дорожного движения, определяется как среднее квадратическое отклонение ускорения. Повышение неравномерности движения способствует увеличению расхода топлива и риска ДТП.

При реализации модели поведения «перевозчика» водитель стремиться двигаться по возможности равномерно со средней скоростью транспортного потока, что увеличивает путь, проходимый с постоянной скоростью. При движении на свободных участках дороги не разгоняется до максимально возможной скорости. Совершает обгоны только тех автомобилей, которые двигаются медленнее транспортного потока, увеличивает дистанцию таким образом, чтобы тормозить с меньшим замедлением, чем ведущий автомобиль. При реализации водителем такой модели поведения уменьшается эксплуатационный расход топлива и повышается безопасность управления автомобилем. Таким образом, на основе использования и анализа выше указанных показателей качества управления автомобилем были разработаны основные положения рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении приведенные в 5 главе.

Рекомендуемая модель поведения водителя является основой эффективного управления автомобилем. Чтобы снизить эксплуатационный расход топлива до возможного минимума, необходимо добавить к модели поведения технические приемы, позволяющие наиболее эффективно использовать топливо. Чтобы экономично разгоняться, водителю необходимо знать: насколько он должен переместить педаль акселератора, и при какой частоте вращения коленчатого вала переходить на более высокие передачи.

Анализ многопараметровой характеристики (рис.3) по удельному расходу топлива двигателя легкового автомобиля ВАЗ-2Н2 показывает, что оптимальная нагрузка двигателя рекомендуется в диапазоне от 75% до 95%. Однако водитель не имеет информации о перемещении педали акселератора на такую величину, поэтому он будет определять оптимальное положение педали с ошибкой. Чтобы уменьшить влияние ошибки на увеличение расхода топлива, можно перемещать педаль акселератора на 100% ее хода (сплошная линия), или по крайней мере не менее чем на 75% (пунктирная линия).

Анализ универсальной характеристики двигателя легкового автомобиля ВАЗ 2112 показывает, что при движении автомобиля по Европейскому городскому циклу Правил №83 ЕЭК ООН режим работы двигателя находится в диапазоне от 1300 до 2700 мин"' (штрих-пунктирная линия).

При движении с постоянной скоростью водитель может снизить расход топлива, выбирая самую высокую передачу, на которой сохраняется минимально устойчивая скорость автомобиля. На рис.4 приведен график изменения расхода топлива в зависимости от скорости при установившемся движении легкового автомобиля ВАЗ - 2105 на различных передачах. На нем сплошной линией показана минимально возможная величина расхода топлива в зависимости от скорости. Для

Мкр, Нм

Рис.3. Многопараметровая характеристика по (г/квт*ч) двигателя ВАЗ - 2112

этого скорость движения на пониженных передачах должна изменяться в узком диапазоне: от минимально устойчивой скорости на включенной передаче до минимально устойчивой скорости на более высокой передаче, которую необходимо включить в случае повышения скорости до этой величины. (Минимальная устойчивая скорость - наименьшая скорость установившегося движения, при которой не наблюдается рывков (ударных нагрузок) в трансмиссии, а также остановок двигателя во время движения и последующего разгона автомобиля).

Движение накатом является важной составляющей экономичного регулирования скорости автомобиля. График изменения расхода топлива в зависимости от величины среднего замедления приведен на рис.5. Как можно видеть на графике, наименьшее значение среднего замедления соответствует движению накатом. Среднее замедление при движении накатом автомобиля ВАЗ - 2105 изменялось от 0,15 до 0,3 м/с2, при торможении двигателем - от 0,5 до 0,6 м/с2. Накат необходимо применять на пологих спусках, если скорость автомобиля при движении на спуске накатом изменяется в пределах ± 5 км/ч относительно начальной скорости. Если при движении накатом автомобиль начинает разгоняться, необходимо перейти к торможению двигателем, подобрав передачу, при которой автомобиль будет двигаться под уклон с постоянной скоростью. Если этого окажется недостаточным, необходимо применять комбинированное торможение. Проведенные исследования позволили разработать экономичный алгоритм регулирования скорости легкового автомобиля, приведенный в 5 главе.

Третья глава диссертации посвящена разработке экспериментально - расчетной методики определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля в режимах разгона - установившегося движения - -замедления. Величину расхода топлива при разгоне необходимо сравнивать на одинаковых отрезках пути. Расстояние, проходимое автомобилем при самом медленном разгоне, было принято за длину испытательного участка. При более быстрых разгонах автомобиль после достижения заданной скорости У.,ад проходит

Я, л/100км 60

50

40

30

20

10

0 20 40 60 80 100120 Укм/ч

Рис.4. График изменения расхода топлива q в зависимости от скорости V при установившемся движении легкового автомобиля ВАЗ — 2105; 1,2,3,4-скорости на передачах <\, Л/100 км

10 9 8 7 б 5 4 3 2 1

0 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 )Ы/сг Рис.5. Зависимость расхода топлива q от среднего замедления } легкового автомобиля ВАЗ - 2105 V, км/ч

Рис. 6. Схема изменения скорости автомобиля V при прохождении испытательного участка Б; 8пт|„ — расстояние, проходимое автомобилем при наименьшей частоте вращения коленчатого вала; 8птах - расстояние, проходимое автомобилем при максимальной частоте вращения коленчатого вала

1 1 ...........

1 (

1 1 2

\ /• ! / 3

У 4 :

120 60 км/ч

¡20-40 <м/ч

/ 90-40 к\ /ч

/ ч

1 ( 7 движение накатом | ; 'торможение двигателек ......

л

к жоинйрсшанное торможена е

оставшуюся часть пути с постоянной "скоростью, равной требуемой скорости разгона, как показано на рис.б.

Расчет экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля при разгоне производится в следующей последовательности:

1. Вычисление скорости автомобиля V в зависимости от заданной частоты вращения коленчатого вала: У= 0,377 пг„/ ¡¡¡0 км/ч.

2. Зная значения скорости по экспериментальным графикам «изменения скорости в зависимости от времени разгона», определяется время разгона 1р на каждой передаче до заданной скорости.

3. По известным значениям 1Р на каждой передаче и V в момент переключения передач определяется среднее ускорение ^ на каждой передаче: ^ = (у2-У,) /3,61Р м/с2.

4. По известным значениям V в момент переключения передач, 1р на каждой передаче и ^ определяются пути разгона, проходимые автомобилем на этих передачах: = У(; .|) 1; / 3,6 + у,\.?12 м.

5. Определяется расстояние, проходимое автомобилем при переключении передач: 5пср; = У^.^пер/ 3,6 м.

6. Определяется длина испытательного участка, равная проходимому автомобилем расстоянию при самом медленном разгоне: 8„сп = ¿Эр! +Х8пер м.

7. По известной длине испытательного участка определяются длины испытательного участка и длины участков движения с постоянной скоростью при более быстрых разгонах: 5уст = 8ИСП-28Р, м.

8. На основании преобразования экспериментальных графиков «зависимости расхода топлива от пути разгона» определялись значения коэффициента расхода топлива на участках разгона: К<з5 = \

9. Определяется расход топлива на участках движения: = к5д Эр см3.

10. Расход топлива при установившемся движении С>уст определяется по экспериментальным графикам «зависимость расхода топлива от скорости при установившемся движении на каждой передаче».

10. Суммарный расход топлива на прохождении испытательного участка при более быстрых разгонах: £ 0, =£ + усг см .

11. Переводим значения расхода топлива при разгоне в л/100км:

Ю0£С>,/8„сп л/100 км.

Определение минимально устойчивой скорости на передачах производилась экспериментально. График минимально устойчивых скоростей для легкового автомобиля показан на рис. 7.

Длина испытательного участка при предварительных натурных испытаниях путем измерения времени выбега автомобиля в заданном диапазоне изменения скорости. При повышении интенсивности замедления автомобиль проходит часть пути, равную разности между длиной испытательного участка и пути, проходимого с заданным замедлением. Схема

Ч. л/100км 20

16

устойчивые скорости на передачах

замедлении определялась при

комбинорованное торможение

Бисп

Рис. 8.

График изменения скорости автомобиля на испытательном участке при различных замедлениях

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 и в заданном диапазоне изменения скорости и часовой расход (2 л/ч топлива на холостом ходу. Расчет расхода топлива при замедлении производился в следующей последовательности:

1. По известным значениям V и 1„ находится среднее замедление выбега: ^ = (У2-У,)/3,61В м/с2.

2. По известным значениям V, I, и ^ находятся путь выбега: 8В = 1В У^З.б + ,)В1В2 /2 м.

3. Поскольку длина испытательного участка Б„сп равна пути выбега Б,,, длина участка движения автомобиля с постоянной скоростью будет равна длине выбега минус путь, проходимый автомобилем при торможении: 8уи = 8В- 8^ м.

4. Определяется путь, пройденный при торможении:8тр= V ц/ З.б-^тр2/2 м.

5. Определяется время при торможении: ^,=N73,6/^.

6. Определяется расход топлива при выбеге: ЮОя,^ / 3,68, л/100км.

7. Определяется расход топлива на участках замедления с применением торможения двигателем и комбинированного торможения^^ЮОС?^/ 8111;„ л/100км.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям и расчету экономичного алгоритма регулирования скорости легкового автомобиля Лада-Калина. 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 расхода топлива от скорости при установившемся движении на каждой передаче; 4) время выбега автомобиля в заданных диапазонах снижения скорости; 5) часовой расход топлива на холостом ходу.

В результате проведения испытаний были определены следующие значения минимально устойчивой скорости на передачах: II - 10 км/ч; III - 20 км/ч; IV - 30 км/ч; V - передача - 40 км/ч.

Для определения зависимости расхода топлива от интенсивности замедления были проведены испытания по определению времени выбега автомобиля в заданных диапазонах скоростей: от 60 км/ч до 0; от 90 км/ч до 40 км/ч. График изменения расхода топлива в зависимости от величины замедления при снижении скорости в диапазоне 90 км/ч до 40, приведен на рис. 9.

я, л/ЮОкм

Рис.9. График зависимости расхода топлива от замедления при снижении скорости с 90 до 40 км/ч

Используя полученные данные результатов испытаний легковых автомобилей Лада-Калина, ВАЗ-2105, результаты испытаний автомобилей ГАЗ-241], ЗИЛ-130, KAMA3-5320, MA3-5432 полученные на автополигоне НАМИ, а также данные, приведенные в руководстве по эксплуатации автомобилей VOLVO FL7, FL10, была построена зависимость изменения

рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне от номинальной частоты вращения коленчатого вала, которая приведена на рис 10. С помощью полученной зависимости, зная номинальную частоту вращения коленчатого вала, можно приближенно определить рекомендуемую частоту вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне. Данная зависимость описывается уравнением:

п мин"' = 0,234 п ном+ 1150 мин"1, Для определения минимально устойчивой скорости на передачах необходимо определить минимально устойчивую скорость на самой высокой передаче. Определение минимально устойчивой скорости на более низких передачах производится с использованием уравнения:

. Увш .

Vj= — 1»ш, и

где: Vj- минимально устойчивая скорость на пониженной передаче, км/ч; VB111-минимально устойчивая скорость на высшей передаче, км/ч; - передаточное число в КП на i-й передаче; iBU1- передаточное число в КП на высшей передаче.

Пятая глава диссертации посвящена экспериментальной апробации рекомендаций по экономичному управлению легковым автомобилем Лада-Калина. В испытаниях участвовало 10 водителей. Испытания проводились на постоянном маршруте. На первом этапе проводилась фиксация показателей качества управления автомобилем при реализации водителем модели поведения и алгоритма регулирования скорости, интуитивно сформированных им в процессе накопленного опыта. После выполнения поездки совместно с испытуемым проводился анализ полученных результатов, и водитель получал информацию о разработанной рекомендуемой модели поведения водителя в дорожном движении и экономичном алгоритме регулирования скорости автомобиля, которые приведены ниже. Рекомендуемая модель поведения водителя в дорожном движении:

> Пуск и остановка двигателя. Кратковременно (в зависимости от температуры окружающей среды) прогревать холодный двигатель на холостых оборотах. Начинать движение с ограниченной скоростью до прогрева двигателя до его рабочей температуры. Останавливать двигатель сразу после завершения поездки.

> Разгон при встраивании в транспортный поток, его пересечение, обгон и опережение автомобилей выполнять с необходимой интенсивностью, обеспечивая при этом требования по безопасности-дорожного движения.

Рис. 10. Приближенная зависимость рекомендуемой частоты вращения коленчатого вала в момент переключения передач при разгоне, от номинальной частоты вращения коленчатого вала для автомобилей 1)МАЗ-54Э2 2) КАМАЗ-5Э20 3)Уо1уо РЬ7 4)Уо1уо НЛО 5)ЗИЛ-130, 6)ГАЗ-2411, 7)ВАЗ-2105, 8)Лада-Калина

> Продолжительное (по возможности) движение выполнять со скоростью транспортного потока.

> Максимальная скорость в свободном транспортном потоке не должна превышать разрешенную правилами дорожного движения скорость.

> Ограничение максимальной по сравнению с разрешенной скоростью при снижении уровня удобства движения в транспортном потоке до величины, обеспечивающей увеличение продолжительности движения с постоянной скоростью.

> Дистанция, выраженная в метрах между ведущим и ведомым транспортным средством одной категории, должна быть численно равной скорости автомобиля, выраженной в км/ч.

> Если ведущее транспортное средство более низкой категории, то дистанция между ведущим и ведомым транспортным средством может быть числено равной 1,5 скорости автомобиля. Допускается уменьшение дистанции до 0,5 скорости автомобиля перед обгоном.

> Перед обгоном допускается уменьшение рекомендуемой дистанции в 2 раза.

> Смену полосы движения производить только при необходимости совершения поворота, разворота или обгона транспортного средства.

> Обгон производить только «медленных» транспортных средств, «выпадающих» из транспортного потока.

> Выполнение планируемых замедлений производить путем применения наката и с последующим переходом к торможению двигателем и комбинированному торможению.

Экономичный алгоритм регулирования скорости автомобиля Лада-Калина:

> Разгон. При разгоне на 1-й передаче переместить педаль акселератора на 50...60 % ее хода за 1 ...1,5 с и при увеличении скорости до 10 км/ч включить 2-ю передачу. При разгоне на 2-й и более высоких передачах перемещать педаль акселератора на 75-100% ее хода за 1,5...2 с. При разгоне до скорости не превышающей 60 км/ч переходить на более высокие передачи при увеличении частоты вращения коленчатого вала до 1500 мин"1. При разгоне до скорости выше 60 км/ч переходить на более высокие передачи при увеличении частоты вращения коленчатого вала до 2500 мин"'.

> Замедление при движении на подъем. При приближении к крутому подъему по возможности увеличить скорость. Въезжая на подъем, переместить педаль акселератора на 75-100% ее хода. При уменьшении частоты вращения коленчатого вала до 2000 мин"1 включить 4-ю передачу. Далее переходить на более низкие передачи при частоте вращения коленчатого вала 1700 мин"1.

> Движение с постоянной скоростью. Движение с постоянной скоростью выполнять на следующих передачах: 1-я передача - до 10 км/ч; 2-я передача - от 10 до 20 км/ч; 3-я передача - от 20 до 30 км/ч; 4-я передача - от 30 до 40 км/ч; 5-я передача — свыше 40 км/ч. При движении с постоянной скоростью определить положение педали акселератора, соответствующее этой скорости, и изменять его только для устранения отклонений от выбранной скорости. В свободном транспортном потоке не превышать скорость 110 км/ч.

> Движение в заторе. Реализуйте цикл разгон - накат. С началом движения ведущего автомобиля совершить короткий разгон и нажав на педаль сцепления, покатиться накатом. Если ведущий автомобиль остановится, плавно подкатиться к

нему. Если ведущий автомобиль будет двигаться, «подтолкнуть» свой автомобиль и снова покатиться накатом и т.д.

> Замедление. Планируемые замедления начинать с движения накатом или торможения двигателем. Для завершения замедления применять комбинированное торможение. Штатные торможения выполнять комбинированным способом.

> Движение на спуске. Движение на пологом спуске выполнять накатом, если скорость автомобиля изменяется в пределах ± 5 км/ч. При повышении скорости более чем на 5 км/ч применять торможение двигателем, подбирая передачу, обеспечивающую движение на спуске с постоянной скоростью. При включении пониженных передач следить по тахометру за тем, чтобы частота вращения коленчатого вала не превышала 5500 мин"1.

В соответствии с рекомендуемой моделью поведения водителя в дорожном движении он должен уметь применять скоростной алгоритм разгона при встраивании в транспортный поток, пересечении транспортного потока, обгоне. При появлении в опасной близости препятствия водитель должен уметь выполнить торможение с максимальным замедлением. При возникновении сноса, заноса выполнить управляющие действия по их ликвидации. Поэтому в дополнение к экономичному алгоритму регулирования скорости автомобиля приведены рекомендации по управлению автомобилем при возникновении нештатных ситуаций.

Алгоритм управления автомобилем Лада-Калина при возникновении нештатных ситуаций:

> Разгон с максимальной интенсивностью. При разгоне переместить педаль акселератора до 100% ее хода и переключать передачи при увеличении частоты вращения коленчатого вала до 5500 мин"'.

> Торможение с максимальным замедлением. Одновременно переместить на 100% хода педали сцепления и тормоза. При блокировке колес циклически перемещать педаль тормоза, разблокировывая и блокируя колеса.

> Снос при разгоне. Уменьшить перемещение педали акселератора до прекращения буксования ведущих колес. Если этого будет недостаточно, нажать на педаль сцепления. Поворотом рулевого колеса вернуть автомобиль на траекторию движения.

> Снос при торможении. Отпустить педаль тормоза. Поворотом рулевого колеса вернуть автомобиль на траекторию движения. Продолжить торможение.

> Занос при торможении. Отпустить педаль тормоза. Максимально быстро повернуть рулевое колесо в сторону заноса на угол, пропорциональный интенсивности заноса. В момент прекращения заноса, опережая обратное вращение автомобиля, вернуть рулевое колесо в нейтральное положение. При возникновении заноса в противоположную сторону повторять описанные выше действия до прекращения заноса. Продолжить торможение.

> Занос на повороте. Нажать на педаль сцепления. Максимально быстро повернуть рулевое колесо в сторону заноса на угол, пропорциональный интенсивности заноса. В момент прекращения заноса, опережая обратное вращение автомобиля, вернуть рулевое колесо в нейтральное положение. При возникновении заноса в противоположную сторону повторять описанные выше действия до прекращения заноса.

На втором этапе водителю предлагалось реализовать полученные им рекомендации по управлению автомобилем. На основании сравнения показателей качества управления автомобилем при проведении первого и второго этапов испытаний была проведена оценка эффективности применения разработанных рекомендаций. Для измерения показателей качества управления автомобилем использовался пеЛоок как носитель обработки данных. Информация от штатных датчиков автомобиля (скорости и расхода топлива) передавалась по системе ЫиеЬюЛ. Перечень измеряемых показателей, единицы, диапазоны и дискретность измерений приведены в табл.1.

Таблица 1

Перечень показателей качества управления автомобилем, выводимых на дисплей

№ п/п Измеряемые параметры Обозначение Единица измерения Диапазон измерения Дискретность

1 Средняя скорость в поездке Vt км/ч 0...150 0,1

2 Расход топлива в поездке q л/100 км 0...50 0,1

3 Максимальная скорость в поездке v Y max. км/ч 0...200 0,1

4 Шум ускорения в поездке м/с2 0...5 0,01

5 Пробег с начала поездки s км 0...1000 1

6 Продолжительность поездки Тц ч:мин.с 0...1 ч 0,1 с

Измеряемые показатели выводятся на экран пеЛоок в форме таблицы, показанной на рис. 11.

Файл НгСТрсйкй

iV-: TVt "С

Сарымсаков Б.А. ! - J Наиб орода OB. Лада Калина

S VC q Kqq Ka Vmax Vmax.H cr 0.H Kt

77 I 30,0 ! 8,6 1,10 1 0,84 71 j 60 ; 0,36 I 0,43 i 0,65

55 I 60,4 I к 6,6 1,05 0,84 S 78 75 0,35 0,44 i 0,93

50 1 64,7 1 6,6 1,05 ; 1,13 85 j I 75 0,44 ; 0,44 | 0,88

45 ! 48,1 i 5,8 0,90 ! 0,75 65 I 65 : 0,34 : 0,45 ^ 0,93

40 i 61,0 i Г 6,6 1,05 : 0,75 : 78 ; ! 75 0,32 0,45 I 0,96

Рис. 11. Таблица с результатами измерений, выводимых на экран пейюок

Заезды проводились по маршруту длиной 77 км, из которых 22 км приходились на движение по городу и 55 км - по шоссе. В эксперименте приняли участие 10 водителей. В процессе эксперимента выяснилось, что 5 водителей используют модель поведения гонщика, другие 5 - перевозчика. Однако при разгоне водители-перевозчики переключались на высшие передачи не при рекомендуемой частоте вращения коленчатого вала и использовали пониженные передачи при движении с постоянной скоростью, не пользовались накатом.

Результаты сравнения показателей качества управления автомобилем на 1-ми 2-м этапах показаны на рис. 12...15.

На рис.12 показана зависимость изменения расхода топлива q от средней скорости Ус на 1-м и 2-м этапах испытания.

(¡, .шООкм.

1 -этап (водители-гонщики)

1-этал (водители-перевозчики)

5

6 1 1

2-этап (рекомендуемая модель поведения-^-экономичный алгоритм)

Ус, км/ч

о 5 10 15 20 25 за 35 -10 45 50 55 60 65

Рис.12. Зависимость расхода топлива q от средней скорости V,.

Из приведенного графика следует, что при переходе к рекомендуемой модели поведения плюс экономичный алгоритм, при изменении средней скорости в диапазоне от 10 км/ч до 70 км/ч, расход топлива уменьшается от 17% до 27% по отношению к водителям-гонщикам, и от 4% до 9% по отношению к водителям-перевозчикам.

На рис.13 показана зависимость изменения коэффициента эффективности использования топлива КЧУ от средней скорости Ус на 1-м и 2-м этапах испытания.

Кф,|(Щкм'/(,Гч)

2-этап (рекомендуемая модель

поведен ия+:жо1 юмич I пли алгоритм)

этап (водители-гонщики)

шьта-пере возчики)

Ус. км/ч

15 20

30 35

Рис.13. Зависимость коэффициента эффективности использования топлива КЧУ от средней скорости V,.

Анализ приведенного графика показывает что коэффициент эфективности использования топлива возрастает пропорционально увеличению скорости. Применение рекомендуемой модели поведения плюс экономичный алгоритм позволяют повысить коэфициент эфективности использования топлива по отношению к водителям-гонщикам при скорости 10 км/ч на 60%, при скорости 70 км/ч - на 25%. По отношению к водителям-перевозчикам при скорости 10 км/ч на 31% и при 70км/ч на 11% соответственно.

На рис. 14 показано изменение шума ускорения ст в зависимости от средней скорости Ус на 1-м и 2-м этапах испытания.

0.9

0.8 0.7 0.6 0.5 О,) 0.3

о.: 0.1

1-этап (водители-гонщики)

V •

' -этап (водшеди-перевозчики)

2-этап (рекомендуемая модель поведения ^экономичный алгоритм)

Ус, км/ч

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Рис.14. Зависимость шума ускорения а от средней скорости Ус

Из приведенного графика следует, что среднее значение шума ускорения на 2-м этапе по сравнению с 1-м снизилось на 31,5% по отношению к водителям-гонщикам, и на 15% по отношению к водителям-перевозчикам. Уменьшение шума ускорения говорит о том, что применение рекомендуемой модели поведения и экономичного алгоритма регулирования скорости повышает безопасность дорожного движения.

На рис.15 показано превышение максимальной скорости над средней скоростью Утах-Ус в зависимости от величины средней скорости Ус на 1-м и 2-м этапах испытания.

Рис.15. Превышение максимальной скорости над средней скоростью Утах-Ус в зависимости от средней скорости V,.

Из приведенного графика следует, что разница превышения максимальной скорости над средней составила от 18 км/ч до 35 км/ч по отношению к водителям-гонщикам, и от 6 км/ч до 7 км/ч по отношению к водителям-перевозчикам. Уменьшение разницы между максимальной и средней скоростью автомобиля при переходе от модели поведения гонщика к рекомендуемой модели повышает безопасность управления автомобилем.

В результате проведенных эксплуатационных испытаний подтверждена обоснованность разработанных рекомендаций по экономичному управлению легковым автомобилем. Вопрос оценки величины повышения безопасности в данной работе не рассматривался. Основные принципы экономичного управления автомобилем могут быть использованы и для других типов транспортных средств.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе разработанных экспериментально - расчетной методики и математических моделей появилась возможность решить важную научно -

практическую задачу снижения эксплуатационного расхода топлива за счет повышения качества управления автомобилем.

2. Проведен анализ влияния рекомендуемой модели поведения водителя на экономичность и безопасность управления автомобилем. На основании проведенного анализа разработана и теоретически обоснована рекомендуемая модель поведения водителя в дорожном движении.

3. Выполнено и уточнено теоретическое обоснование экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля.

4. На основании проведенного анализа разработана методика экспериментально-расчетного определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля при разгоне, установившемся движении и замедлении.

5. Определен экономичный алгоритм регулирования скорости легкового автомобиля Лада-Калина и выполнена экспериментальная проверка эффективности применения разработанной модели управления автомобилем в сравнении с интуитивно-сложившимися у водителей моделями управления.

Применение разработанной экономичной модели управления автомобилем позволило:

- при изменении средней скорости в диапазоне от 10 км/ч до 70 км/ч уменьшить расход топлива по отношению к водителям-гонщикам на 17-27%, и по отношению к водителям-перевозчикам на 4-9%;

- повысить коэффициент эффективности использования топлива по отношению к водителям-гонщикам при скорости 10 км/ч на 60% и при 70 км/ч - на 25%. По отношению к водителям-перевозчикам при скорости 10 км/ч на 31% и при 70 км/ч на 11%;

- повысить безопасность управления автомобилем за счет снижения показателей шума ускорения и превышения максимальной скорости над средней скоростью.

6. Разработаны рекомендации по управлению автомобилем Лада-Калина, включающие:

- модель поведения водителя в дорожном движении;

- экономичный алгоритм регулирования скорости автомобиля;

- алгоритм действий водителя в нештатных ситуациях.

7. Разработан приближенный метод определения экономичного алгоритма регулирования скорости автомобиля на основании данных, приведенных в технической характеристике автомобиля.

8. Результаты диссертационного исследования были использованы при разработке раздела «Основы эффективного, безопасного и экологичного управления транспортными средствами» предмета «Основы управления транспортными средствами», входящего в Примерную программу профессионального обучения водителей транспортных средств различных категорий и подкатегорий.

9. Дальнейшую разработку темы диссертации целесообразно проводить в следующих направлениях: разработка рекомендаций по экономичному регулированию скорости автомобилей с АКП; разработка рекомендаций по экономичному регулированию скорости легковыми автомобилями, мощность которых превышает 150 кВт; уточнение методики определения экономичного алгоритма регулирования скорости при эксплуатации автомобилей в горных условиях.

Основные научные результаты диссертации, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Сарымсаков, Б. А. Роль автопроизводителей в распространении экономичного алгоритма управления автомобилем / О.В. Майборода, А.И. Рябчинский, Б .А. Сарымсаков //Журнал ААИ. -2014. -№1. - С. 8 - 10.

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

в прочих изданиях:

3. Сарымсаков, Б.А. Методика экспериментально - расчетного определения экономичного алгоритма управления автомобилем / О.В. Майборода, А.И. Рябчинский, Б.А. Сарымсаков // Деп. в ВИНИТИ. - 2014. - № 89. - С. 2 - 23.

Подписано в печать: 13.04.2015 Тираж: 100 экз. Заказ № 1286 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 vvww.reglet.ru