автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методики выбора передаточных чисел трансмиссии автомобиля на основе рационального сочетания тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и токсичности выхлопных газов

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы.

Цель работы.

Объекты исследования.

Научная новизна.

Практическая значимость.

Основные положения, выносимые на защиту.

Реализация результатов работы.

Апробация работы.

Публикации.

Объем и структура работы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ТЯГОВО

СКОРОСТНЫЕ СВОЙСТВА АВТОМОБИЛЯ.

1.1. Методики расчета и выбор передаточных чисел трансмиссии.

1.2.Тягово-скоростные свойства автомобиля.

1.3. Расход топлива автомобилем.

1.4. Современные требования к токсичности выхлопных газов.

1.5. Выбор передаточного числа главной передачи.

1.6. Оптимизация трансмиссии автомобиля.

Постановка задач.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЧИСЕЛ ТРАНСМИССИИ С УЧЕТОМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВРЕМЕНИ РАЗГОНА, ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ВЫБРОСА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С

ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ

2.1. Уравнения тягово-скоростных свойств автомобиля.

2.2. Уравнения расхода топлива автомобилем.

2.3. Уравнения выброса вредных веществ с выхлопными газами.

2.4 Матричная форма расчета тягово-скоростных, топливно-экономических свойств автомобиля, выброса вредных веществ с выхлопными газами в различных режимах движения автомобиля.

2.5. Исследования тягово-скоростных, топливно-экономических свойств и выброса вредных веществ методом регрессионного анализа.

2.5.1. Выбор факторов в регрессионном анализе.

2.5.2 Полный факторный план исследования тягово-скоростных, топливно-экономических и экологических свойств автомобиля.

2.5.3. Оценка адекватности регрессионных уравнений.

2.6. Оптимизация передаточных чисел трансмиссии.

2.6.1. Исследование многомерной области параметров трансмиссии пробными точками ЛПт-последовательностей.

2.6.2. Основные определения и зависимости ЛПт-метода.

2.6.3. Определение ЛПт-последовательности.

2.6.4. Построение компромиссных кривых Парето при назначении функциональных ограничений на тягово-скоростные, топливно-экономические и экологические свойства автомобиля.

2.7. Методика выбора передаточных чисел главной передачи и повышающей ступени коробки передач.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ СВОЙСТВ, ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ и ТОКСИЧНОСТИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЧИСЕЛ ТРАНСМИССИИ.

3.1. Разработка программного комплекса для исследования режимов работы автомобиля в условиях городского ездового цикла. ^

3.1.1. Алгоритм программного комплекса.

3.1.2. Подготовка исходных данных для работы с программным комплексом.

3.2. Использование метода регрессионного анализа.

3.3. Оптимизация методом Соболя-Статникова.

3.4. Выбор передаточных чисел высших ступеней трансмиссии.

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕГКОВЫХ И ГРУЗОПАССАЖИРСКИХ АВТОМОБИЛЕЙ МАЛОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ОАО «ГАЗ» ПО ОЦЕНКЕ ИХ ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ СВОЙСТВ, ТОПЛИВНОЙ

ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧНОСТИ В ЛАБОРАТОРНЫХ

И ДОРОЖНЫВХ УСЛОВИЯХ.

4.1. Исследования тягово-скоростных свойств автомобиля.

4.2. Исследования топливной экономичности автомобиля.

4.3. Исследования токсичности выхлопных газов.

4.4. Определение технико-экономических показателей двигателя.

4.5. Сравнение расчетных и экспериментальных значений для времени разгона, расхода топлива и выброса вредных веществ.

Основные эксплуатационные свойства автомобиля определяются многими параметрами, например характеристиками двигателя. Однако для того чтобы двигатель реализовал свои возможности, необходима правильно подобранная трансмиссия. В противном случае может оказаться либо низкая динамика, либо большой расход топлива. Кроме того, в настоящее время необходимо учитывать и величину выброса вредных веществ.

Существующая теория предлагает выбирать передаточные числа исходя из соотношений геометрического или гармонического рядов с корректирующими формулами и последующей доводкой их экспериментальным путем. Но такой путь не достаточно эффективен, а результаты в виде передаточных чисел коробки передач используются не только на основной модели, для которой разработана коробка, но и на ее модификациях, что ухудшает их технико-эксплуатационные свойства.

Поэтому необходим математический аппарат, подкрепленный программным обеспечением и методикой расчета и выбора передаточных чисел трансмиссии автомобиля на основе поиска рационального сочетания тягово-скоростных, топливно-экономических свойств и низкого уровня токсичности отработавших газов автомобиля, с тем чтобы конструктор мог получить альтернативную оценку указанных свойств при вариациях передаточных чисел.

Цель работы

Разработка методики расчета и выбора передаточных чисел трансмиссии автомобиля на основе поиска рационального сочетания тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и токсичности отработавших газов на различных режимах движения.

Объекты исследования

Трансмиссии перспективных автомобилей класса М1 и N1 производства ОАО ТАЗ".

Научная новизна

1. Разработан алгоритм расчета рациональных значений передаточных чисел трансмиссии из условий минимума расхода топлива на условном ездовом цикле и времени разгона с места до скорости 100 км/ч при обеспечении выброса вредных веществ в пределах норм Правил № 83 ЕЭК ООН.

2. Получены регрессионные уравнения расхода топлива, выброса вредных веществ и времени разгона в функции передаточных чисел трансмиссии автомобиля.

3. Разработан комплекс программ для реализации предложенной методики расчета передаточных чисел для автомобилей класса М1 и N1.

Практическая значимость

1. Разработана методика расчета рациональных значений передаточных чисел трансмиссии из условий минимума расхода топлива на условном ездовом цикле и времени разгона с места до скорости 100 км/ч при обеспечении выброса вредных веществ в пределах норм Правил № 83 ЕЭК ООН.

2. Проведен анализ влияния передаточных чисел трансмиссии автомобилей ГАЗ-2217 "Соболь" и ГАЗ-2308 "Атаман" на время разгона и расход топлива в режиме условного ездового цикла, а также выбросы вредных веществ.

3. Реализация алгоритма позволяет существенно сократить объем экспериментальных и доводочных работ при поиске наилучшего значения передаточных чисел трансмиссии для каждого сочетания автомобиля и двигателя.

Основные положения, выносимые Fia защиту

Методика и алгоритм теоретических исследований по рациональному определению влияния параметров трансмиссии на скоростные, экономические и экологические показатели автомобилей.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по рациональному выбору передаточных чисел трансмиссии.

Реализация результатов работы

Результаты экспериментально-теоретических исследований внедрены в конструкторском отделе легковых автомобилей УКЭР ОАО "ГАЗ", в ОАО" Павловский автобус", в ЗАО "ТехноВолга".

Методики, алгоритмы и комплекс программ для ЭВМ используются в учебном процессе на кафедре "Автомобили и тракторы" Нижегородского государственного технического университета.

Апробация работы

Работа доложена на

• XIX конференции ААИ (под патронажем FISITA) "Коммерческий автомобиль для России", Н. Новгород, 1997;

• международной научно-технической конференции, посвященной 35-летнему юбилею кафедры "Автомобильный транспорт" Нижегородского государственного технического университета "Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России", Н. Новгород, 1998.

Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на

• международной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей, автомобилей, вездеходных, специальных строительных и дорожных машин", Н. Новгород, 1994;

• международной конференции по компьютерной геометрии и графике, Н. Новгород, 1995.

Публикации

По теме диссертации было опубликовано 7 печатных работ и 87 научно-технических отчетов.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и четырех приложений, содержит 124 страницы основного машинописного текста, 21 рисунок, библиографию из 102 наименований и приложений на 71 странице.

Выводы по главе 3

1. На основе математического аппарата, разработанного в главе 2, получены регрессионные зависимости расхода топлива и выброса вредных веществ на условном ездовом цикле, процессов разгона и расхода топлива на постоянных скоростях.

2. На основе анализа уравнений регрессии установлено, что для автомобиля ГАЗ-2217 основное влияние на время разгона с места оказывает передаточное число третьей передачи, на расход топлива в режиме условного ездового цикла оказывают передаточные числа третьей и немного меньше - первой передача, на выброс СО преимущественно влияют передаточные числа второй передачи и несколько менее - третьей, на СН - передаточные числа третьей и меньше второй.

3. Построены ЛПт-последовательности эффективных точек Парето и вычислены рациональные значения передаточных чисел трансмиссии для отдельных автомобилей с учетом конкретных двигателей.

4. Получены рациональные сочетания передаточных чисел коробки передач на основе метода Соболя - Статникова для автомобиля «Соболь» с двигателем ЗМЗ-4026, которые позволяют уменьшить время разгона на 10% и сократить расход топлива на условном ездовом цикле на 20%, выброс вредных веществ остается в пределах нормы, а для того же автомобиля с двигателем ЗМЗ-4026 удается сократить время разгона на 19,3%, а расход топлива на 21%.

5. Получены значения передаточных чисел главной передачи:

- для автомобиля ГАЗ-2217 с двигателем ГАЗ-5601 до 4.25, что позволит увеличить максимальную скорость на 5 % и уменьшить расхода топлива на постоянной скорости на 6 %, но при этом увеличится время разгона на прямой передаче на 10%;

- для автомобиля ГАЗ-2217 с двигателем ЗМЗ-4062 до 4.9, что позволит сократить время разгона на прямой передаче на 10 % и увеличить максимальную скорость на 5 %;

- для автомобиля ГАЗ-ЗПО с двигателем ГАЗ-5601, можно сократить расход топлива на постоянной скорости на 12 % и увеличить максимальную скорость на 10 %, при замене главной передачи с 3,9 на 3,54.

Глава 4.

Экспериментальные исследования легковых и грузопассажирских автомобилей малой грузоподъемности ОАО'ТАЗ" по оценке их тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и токсичности в лабораторных и дорожных условиях

Для проверки результатов расчетно-теоретических исследований, а также для получения исходных данных по двигателю были проведены эксперименты в лабораторных и дорожных условиях. Они включали в себя:

1. Дорожные испытания автомобилей для оценки скоростных свойств и топливной экономичности согласно ГОСТ 22576-90 и ГОСТ 20306-90.

2. Стендовые испытания автомобиля на беговых барабанах для получения данных о выбросе вредных веществ с отработавшими газами и расходе топлива в условном ездовом цикле согласно Правилам № 83 ЕЭК ООН.

3. Стендовые испытания двигателей внутреннего сгорания для получения внешних скоростных, нагрузочных характеристик, характеристик холостого хода и условной мощности механических потерь с измерением мощности, расхода топлива и токсичности согласно ГОСТ 14846-81.

4.1. Исследование тягово-скоростных свойств автомобиля

Для оценки скоростные свойства автомобиля используют следующие показатели, полученные по результатам дорожных испытаний:

1. Скоростные характеристики разгона на высшей и предшествующей ей передачах.

2. Максимальную скоростью.

3. Время разгона до скорости 100 км/ч и на пути 400 и 1000 м.

Требования к объекту испытаний. АТС, предназначенное для испытаний, было исправным, укомплектованным, заправленным ГСМ в соответствии с нормативно-техническом документацией. Двигатель, трансмиссия и шины прошли надлежащую обкатку в соответствии с инструкцией предприятия-изготовителя.

Износ шин на АТС не превышал 50 %. Шины не имели повреждений. Давление в шинах отвечало требованиям предприятия-изготовителя. Давление измеряли и регулировали на "холодных" шинах. В процессе испытаний АТС-регулирование давления не допускалось.

Окна и вентиляционные люки при проведении испытаний были закрыты. Агрегаты и механизмы (дополнительный ведущий мост коробка отбора мощности и др.), не применяемые во время движения по дороге с усовершенствованным покрытием, были выключены; мри наличии демультипликатора была включена его повышающая переда1!:].

Устройство для подогрева воздуха системы питания, не имеющее автоматического управления, было установлено в положение "Лето". Системы отопления салопа (кабины) и кондиционирования воздуха были выключены.

Загрузка автомобиля. При испытаниях применялась : полная масса груза для АТС полной массой свыше 3,5 т; половина массы груза, но не менее 180 кг - для АТС полной массой до 3,5 т включительно.

В качестве груза применялся негигроскопичный балласт или натуральные грузы для грузовых автомобилей и манекены или балласт (мешки с сыпучим наполнителем) для легковых автомобилей и автобусов. Балласт (манекены) были надежно закреплены. Массу водителя и контролера, а также массу оборудования и креплений включали в массу груза. Распределение массы по осям (колесам) соответствовало требованиям технической документации.

Измерительные участки при испытаниях на тягово-скоростные свойства. Измерения проводились на твердом гладком чистом и сухом участке дороги с хорошим сцеплением.

Максимальную скорость измеряли на прямом участке дороги или на горизонтальной кольцевой дороге Остальные показатели измеряли на прямом участке дороги.

Характеристика прямого участка дороги была следующей: продольный уклон дороги - не более 0,5 % на участке длиной не более 50 м; поперечный уклон не более 3 %: длина измерительного участка была не менее 1000 м для определения максимальной скорости и времени разгона на заданном пути и не менее 2000 м для определения остальных показателей.

Подъездные дорожные участки имели аналогичное покрытие и длину, достаточную для разгона и стабилизации максимальной скорости АТС.

Прямым участком дороги считается участок кольцевой дороги, если центробежная сила не превышает 20 % первоначальной массы автомобиля и компенсируется поперечным уклоном пути. Характеристика кольцевой дороги: кольцевая дорога была расположена в горизонтальной плоскости и имела вид выпуклой кривой, включающей криволинейные участки с радиусом кривизны не менее 200 м; длина измерп ic;ibiio, о у час i ка путл не должна быт ь менее 2000 м, действие центробежной силы должно компенсироваться поперечным профилем поворотов, так что бы движение АТС на повороте осуществлялось без воздействия на рулевое колесо.

Средства измерений. Средства измерений были компактными, простыми в установке и пользовании, вибростойкими и обеспечивали необходимую точность измерений при температуре воздуха ±40(1С на всех режимах движения АТС, включая максимальную скорость, установка их па АТС не влияла на сопротивл е н и е д в и же н 11 ю

Погрешность cpe,it i в измерении не превышала значений, приведенных в табл. 4.2.