автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Системы методов для исследования и расчета топливной экономичности и скоростных свойств автомобиля

Введение

Глава 1. Параметры, определяющие топливную экономичность автомобиля.

1.1. Исходные зависимости.

1.2. Силовые и кинематические соотношения между составляющими силового баланса автомобиля.

1.3. Структура основных составляющих силового баланса автомобиля и влияние на них скорости и крутящего момента.

1.4. Основные положения инерционного метода.

Глава 2. Моменты инерции колес, элементов трансмиссии и двигателя.

2.1. Анализ методов определения моментов инерции движущихся элементов механизмов.

2.2. Определение моментов инерции элементов трансмиссии и двигателя на основе испытаний автомобиля в стационарных условиях.

2.3. Определение моментов инерции двигателя на основе дорожных испытаний.

2.4. Определение моментов инерции на стадии проектирования

Глава 3. Потери в трансмиссии.

3.1. Структура потерь в трансмиссии и способы их определения.

3.2. Расчетная зависимость и методика определения параметров, характеризующих потери в трансмиссии в ведомом режиме.

3.3. Определение потерь в трансмиссии автомобиля в общем случае его движения.

3.4. Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на потери в трансмиссии автомобиля.

3.5. Расчетное определение потерь в трансмиссии автомобиля на стадии его проектирования.

Глава 4. Сопротивление качению шин.

4.1. Структура сопротивления качению шин и способы его определения.

4.2. Определение сопротивления качению шин в ведомом режиме.

4.3. Определение сопротивления качению шин при работе их в ведущем режиме.

4.4. Исследование влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на сопротивление качению шин.

4.5. Расчетное определение сопротивления качению шин на стадии проектирования.

Глава 5. Аэродинамическое сопротивление.

5.1. Аэродинамические исследования.

5.2. Влияние конструктивных параметров грузовых автомобилей и автопоездов на их аэродинамическое сопротивление.

5.3. Выбор конструктивных параметров аэродинамических устройств и оценка их эффективности.

5.4. Определение аэродинамического сопротивления групповых автомобилей и автопоездов на стадии проектирования.

Глава 6. Сопротивление движению автомобиля.

6.1. Распределение нормальных нагрузок по колесам и внутренних давлений воздуха в шинах в процессе эксплуатации автомобиля.

6.2. Распределение крутящих моментов по элементам трансмиссии и шинам автомобиля в зависимости от конструктивных и эксплуатационных факторов.

6.3. Расчетное определение сопротивления движению автомобиля.

6.4. Мероприятия способствующие снижению дополнительных потерь мощности в системе привод-движитель автомобиля

Глава 7. Потери на привод вспомогательного оборудования, механические потери в двигатели и показатели характеризующие совершенство его рабочего процесса.

7.1. Потери на привод вспомогательного оборудования.

7.2. Механические потери в двигателе.

7.3. Экспериментальное определение механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования инерционным методом.

7.4. Определение механических потерь в двигателе и потерь на привод вспомогательного оборудования на стадии проектирования.

7.5. Параметр, характеризующий совершенство рабочего процесса двигателя.

Глава 8. Топливная экономичность и тягово-динамические качества автомобиля в общем случае его движения.

8.1. О преимуществах использования индикаторных показателей двигателя перед эффективными при анализе и расчете тягово-динамических качеств и топливной экономичности автомобиля.

8.2. Основные расчетные зависимости.

8.3. Определение топливной экономичности и тягово-динамических качеств автомобиля на стадии проектирования.

8.4. Примеры практического применения разработанного метода.

8.4.1. Выбор оптимальных параметров автомобиля.

8.4.2. Анализ топливной экономичности автомобиля.

8.4.3. Топливный и тепловой балансы автомобиля. ,v.

8.4.4. Определение влияния конструктивных мероприятий на эксплуатационный расход топлива автомобиля.

Выводы. 3 £ S*

Автомобили и автобусы являются основными потребителями жидкого топлива в стране, поэтому повышение их топливной экономичности является важной задачей, решение которой позволит сберечь энергоресурсы и улучшить экологическую обстановку.

Для решения поставленной задачи на практике используются два вида исследований: экспериментальные и расчетные.

Стоимость дорожных испытаний на топливную экономичность достаточно высока. Так по данным журнала Jngeneurs de Lautomobile 1 км пробега 38 тонного автопоезда оценивается в 150-200 французских франков . Причем, в балансе общих затрат, испытания составляют существенную долю. Это во многом связано с наличием случайных факторов искажающих результаты экспериментов: нестабильность погодных и дорожных условий , неодинаковый износ и степень приработки механизмов, различие в их регулировках неодинаковое физическое и психическое состояние водителей, манеры их управления автомобилем и т.п. Для снижения отрицательного влияния случайных факторов испытатели идут на увеличение числа однотипных объектов и их пробега. Например, фирма Mercedes для оценки влияния мощности двигателя на топливную экономичность седельных автопоездов проводила испытания (совмещая их с коммерческими перевозками), в которых участвовало несколько десятков объектов, пробег каждого из них превосходил 100 тыс. км. Аналогичным образом поступают отечественные специалисты. Так, для установления новых цен на автомобили с улучшенной топливной экономичностью в 1984-1985 гг.

Минавтопром СССР совместно с Минавтотрансом РСФСР планировал провести сравнительные испытания серийных и модернизированных автомобилей. Заинтересованные организации пришли к выводу, что для получения достоверных данных о влиянии на топливную экономичность автомобилей ГАЭ-53-12 двух мероприятий (вихревая камера сгорания и новые радиальные шины) автозавод должен предоставлять на испытания 20 серийных автомобилей и 20 с упомянутыми изменениями.

Пробег каждого из этих автомобилей, в ходе которого производились замеры топлива, должен быть не менее 15 тыс. км.

Чтобы еще раз убедиться в достоверности и обоснованности наших рассуждений достаточно взглянуть на сводные таблицы ДКИ (длительных контрольных испытаний), которые имеются на Дмитровском автополигоне или сопоставить результаты испытаний регулярно публикуемых в журналах MOT, Autocar, L'auto Jornal и др.

Из них видно, что даже при простейших замерах расходов топлива (при постоянной скорости) разброс показателей у одной модели нередко превышает 10 %. Из-за этого экспериментальным путем сложно определить даже качественное влияние на расход топлива автомобиля многих мероприятий: установки аэродинамических устройств на городских фургонах, применения магниевых дисков колес вместо стальных, изменения сорта масла в КП и т.п.

При расчетных исследованиях полностью отсутствуют случайные факторы, однако, современные расчетные методы на практике используются, в основном только для простейших режимов движения. Это связано с тем, что используемые формулы, как правило, не учитывают преимущественные режимы движения автомобиля: неустановившееся движение при частичном использовании мощности двигателя, торможение двигателем и моторным тормозом, движение на уклонах и спусках и т.п. Кроме того, из-за несовершенства экспериментальных методов в пособиях по расчету автомобиля вообще отсутствуют некоторые исходные параметры, а значения имеющих не конкретны: например, для определения сопротивления качению шин на асфальте рекомендуется использовать коэффициенты, значения которых лежат в диапазоне от 0,004 до 0,02. Для многих такое положение дел не является секретом и в связи с этим результатам расчетных исследований автомобилей на маршрутах практически никто не доверяет.

Итак, испытания чрезвычайно дороги, а расчеты не корректны, поэтому, как показывает анализ, производители, работу по выбору оптимальных параметров автомобилей и автобусов, как правило, перекладывают на потребителей их продукции. Так, для комплектации автопоездов полной массой 32-40 т предлагаются: двигатели от 6.5 до 30.5 л, мощностью от 200 до 600 л. с. с различными формами внешней скоростных характеристик и диапазонами оборотов, коробки передач с числом ступеней от 7 до 18 и т.п.

Аналогичным образом поступают и отечественные производители, например ГАЗ, для сравнительно узкого диапазона мощностей 125-150 л.с. в новом семействе дизелей (по лицензии Steyr) предусмотрел 6 вариантов отличающихся по рабочему объему 2.13-3.2 л., максимальному крутящему моменту 255-420 Нм и оборотам 3000-4300, по-видимому надеясь, что потребитель его продукции, который специализируется на перевозках, например, молока или мебели сам определит какой из вариантов для него предпочтительнее.

В месте с тем расходы топлива у однотипных транспортных средств существенно различаются, иногда в 2 и более раза.

Таким образом, разработка корректных методов для исследования и расчета топливной экономичности и скоростных свойств АТС является актуальной задачей решение которой будет способствовать снижению сроков и стоимости работ направленных на оптимизацию их параметров.

вьюоды

Разработаны два метода исследования автомобиля.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД. С его помощью всего за 2-3 дня можно, без применения специальных устройств и стендового оборудования, определить параметры автомобиля, от которых зависят его свойства:

- моменты инерции элементов трансмиссии и двигателя;

- потери в агрегатах трансмиссии;

- сопротивление качению шин;

- аэродинамическое сопротивление;

- потери от циркуляции мощности в системе привод-движитель;

- сопротивление движению автомобиля при движении в усложненных условиях (на повороте, на дорогах с профильными неровностями, на деформируемых поверхностях и т.п.);

- механические потери в двигателе и потери на привод вспомогательного оборудования;

- многопараметровую характеристику двигателя с учетом влияния на нее внешней аэродинамики автомобиля, аэродинамики подкапотного пространства и конструкции впускной и выпускной систем.

2. РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД позволяет:

- выбрать оптимальные параметры автомобиля;

- определить эффективность мероприятий, реализация которых на автомобиле и испытания требуют существенных затрат - бензиновых, дизельных и газотурбинных двигателей с различными рабочими объемами и степенью фор-сировки, двигателей с регулируемым рабочим объемом, с утепленныминными камерами сгорания и турбокомпаундных, механических и гидромеханических коробок передач с различным числом ступеней и диапазоном между ними, шин различных размеров и конструкций, новых сортов моторных и трансмиссионных масел;

- создать прототипы автомобилей с рекордными показателями по топливной экономичности в своем классе;

- оценить совершенство отдельных элементов автомобиля;

- стать основой для реформирования разделов теории автомобиля, касающихся скоростных свойств и топливной экономичности.

3. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА МВК позволяет упростить исследования и повысить их точность. Она предназначена не только для разработчиков автомобилей, научно-исследовательских организаций и учебных заведений, выпускающих специалистов по автомобилям, тракторам, двигателям внутреннего сгорания, но и предприятий, специализирующихся на автоперевозках и продаже автомобилей, редакций газет и журналов, освещающих автомобильную тематику, экологических служб, городских хозяйств и др. Это связано с тем, что на ее основе можно решать не только технические и научные задачи, но и организационные, экономические, социальные и т.п. Например, оперативно получать количественные данные для технико-экономического обоснования применения нейтрализаторов, альтернативных топлив, строительства путепроводов, изменения ширины проезжей части дорог, обоснования допустимых скоростей АТС, режимов работы светофоров, расстояний между остановками автобусов и др.

1. Автомобильные и тракторные двигатели. Ленин И.М., Костров А.В., Малашкин О.М. и др. Высшая школа, 1976. 364 с.

2. Армейские автомобили. Антонов А.С., Коконович Ю.А., Магидович Е.И. и др. Теория. Воениздат, 1970. 526 с.

3. Арсеньев Е.С. Экспериментальное определение коэффициента учета вращающихся масс. Автомобильная промышленность №1 1969. с. 10-11.

4. Безбородова Г.Б., Вельбовец А.Ф. Ред.ж. Автомобильная промышленность. М., 1987. 18 с.

5. Беленький Ю.Ю., Маринич A.M. Расчет колебаний автомобиля с применением ЭЦВМ. В сб.: Автомобилестроение. М., НИИАвтопром, №4,1979.

6. Беленький Ю.Ю., Гилелес Л.Х., Петрович А.И. К вопросу определения сопротивления качению автомобиля, движущегося по дороге с заданным микропрофилем. В сб.: Автомобилестроение. М., НИИАвтопром, №4, 1970.

7. Браильчук П.С., Таболин В.В., Барвинок В.Г. и др. К вопросу ускоренных испытаний автомобилей на теплонапряженность. Автомобильная промышленность №11,1979. С. 20-21.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., «Наука», 1969.

9. Влияние конструктивных и эксплутационных факторов на топливную экономичность грузовых автомобилей и автобусов фирмы Рено. Научно-исследовательский отдел фирмы Рено. М. 1987. 53 с.ъН •

10. Влияние сопротивления качению шин на расход топлива автомобилем. Кнороз В.И., Лурье М.И., Петров И.П. и др. «Автомобильная промышленность» 1968, №3.

11. П.Высоцкий М.С., Беленький Ю.Ю., Московкин В.В. Топливная экономичность автомобилей и автопоездов. Минск: Наука и техника, 1984. - 208 с.

12. Гернет М.М., Ратобыльский В.Ф. Определение моментов инерции. М: «Машиностроение», 1969. - 242 с.

13. Говорущенко Н.Я. Основы теории эксплуатации автомобилей. Киев, Выс-. шая школа, 1971, 231 с.

14. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М. «Наука», 1970. 432 с.

15. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Вырубов Д.Н., Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. М.; «Машиностроение». 1983. - 375 с.

16. Двигатели внутреннего сгорания. Хачиян А .С., Морозов К. А., Трусов В.И. и др. Высшая школа. 1978. 280 с.

17. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А .С. Ордина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

18. Диваков Н.В., Стрельников А.Н. Топливный баланс автомобиля. «Автомобильная промышленность», 1981, №8. С. 13-14.

19. Быстроходные поршневые двигатели внутреннего сгорания. Дьяченко Н.Х., Дашков С.Н., Костин АХ и др. Машгиз, 1962. 359 с.

20. Евгафов Д.Н., Московкин В.В., Петрушов В.А. Распределение нормальной нагрузки по шинам сдвоенного колеса. М.: Труды НАМИ вып. 182. 1981.

21. Ерохов В.И. Экономическая эксплуатация автомобиля. М. ДОСААФ, 1986. -128 с.

22. Зимелев Г.В. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1959.

23. Иванов В.Н., Ерохов В.И. Экономия топлива на автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1984 - 302 с.

24. Иларионов В.А. Эксплутационные свойства автомобиля. М., Изд-во «Машиностроение», 1966.

25. К вопросу оценки сопротивления качению шин при работе их в ведущем режиме. Бочаров Н.Ф., Мажаров С.Г., Московкин В.В. и др. М.Труды ВЗМИ. Динамика транспортных средств, 1982. С. 12-18.

26. Кноров В.И., Кленников Е.В., Петров И.П. Работа автомобильной шины. М.: Транспорт, 1976. 236 с.

27. Крестовников Г.А. Определение сопротивлений движению автомобилей. «Автомобильная промышленность», 1958, №3.

28. B.C. Крупченков, Э.И. Наркевич, А.А. Токарев. Определение суммарной силы сопротивления движению автомобиля по пути выбега НИИАвтопрома. М., №9, 1977.

29. Куров Б.А., Лаптев С.А., Балабин И.В. Испытания автомобилей. М.: Машиностроение, 1976. 208 с.

30. Ланин В.И., Деформация и гистерезис эластичной шины колеса. Известия ВУЗов. М.: Машиностроение, 1953, №3. С. 53-55.

31. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

32. Лукачев Б.П., Стуканов В.Р. Определение приведенного момента инерции двигателей внутреннего сгорания методом двойного выбега с помощью прибора ИСУ-2. Автомобильная промышленность, №10,1966. С.14-15.

33. Лурье М.И., Токарев А.А. Скоростные качества и топливная экономичность автомобиля. М.: «Машиностроение», 1967. 210 с.

34. Медовщиков Ю.В. Влияние аэродинамики автомобиля на топливную экономичность. Сб. Научных трудов МАДИ: Пути улучшения автотранспортных средств. М., 1985. С. 97-103.

35. Михайловский Е.В. Аэродинамика автомобиля. М.: Машиностроение, 1973. 222 с.

36. Московкин В.В., Евграфов А.Н., Петрушов В.А. Топливная экономичность грузовых автомобилей и автопоездов, методы исследования и расчета. НИИ-Автопром. М., 31 с. 1979.

37. Московкин В.В., Евграфов А.Н., Петрушов В.А. Аэродинамическое сопротивление грузовых автомобилей и автопоездов и его влияние на топливную экономичность. М.: НИИАвтопром, 1979. - 71 с.

38. Московкин В.В. Способ определения потерь мощности в передаточном механизме. А.С. 717577 (СССР) Опубл. Б.И., 1980, №7.

39. Московкин В.В., Петрушов В.А., Щуклин С.А. и др. Особенности распределения крутящих моментов по мостам многоприводного автомобиля. «Труды НАМИ», вып. 131. М., 1971.

40. Московкин В.В., Петрушов В.А., Стригин И.А. Влияние нормальной нагрузки и внутреннего давления воздуха на коэффициент сопротивления качению колеса с пневматической шиной в ведомом режиме. «Труды НАМИ», вып. 131. М., 1971.

41. Муравьев В.Д. Использование метода выбега для определения внутренних потерь двигателя внутреннего сгорания. Автомобильная промышленность №11, 1963. С. 12-13.

42. Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей. Ждановский Н.С, Ковригин А.И., Шкрабок B.C. и др. Л.: Машиностроение, 1974.-214 с.

43. Петров В.А. Составление уравнения силового баланса ведущего пневматического колеса ЭВМ в исследованиях работы АТС. Межвузовский сборник научных трудов. М.; 1988.

44. Петрушов В.А., Новый метод определения сопротивления движению автомобиля «Автомобильный транспорт, 1982, №11. С. 13-17.

45. Петрушов В.А., Московкин В.В., Евграфов А.Н. Мощностной баланс автомобиля. М.: Машиностроение, 1984. -160 с.

46. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин. М: Машиностроение, 1981.-271 с.

47. Петрушов В.А., Щуклин С.А., Московкин В.В. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов. М.: Машиностроение, 1975. 223 с.

48. Петрушов В.А., Московкин В.В., Евграфов А.Н. Мощностной баланс автомобиля. М.: Машиностроение, 1984. -160 с.

49. Пирковский Ю.В. Некоторые вопросы качения автомобильного колеса. М.: Автомобильная промышленность, 1965, №12.

50. Пирковский Ю.В. Общая формула сопротивления качению полноприводного автомобиля. М.: Автомобильная промышленность, 1973, №4. С. 34-35.

51. Пирковский Ю.В. Сопротивление качению полноприводных автомобилей и автопоездов по твердым дорогам и деформируемому грунту. Докторская диссертация, МВТУ, 1974.

52. Погосбеков М.И. Методика уточненного определения коэффициента сопротивления воздуха при дорожных испытаниях автомобиля. «Известия вузов». М.: «Машиностроение»,. 1966, №4. С. 84-86.

53. Прибор для измерения знакопеременных разностей суммарных чисел оборотов валов привода. Гетманец С.И., Московкин В.В., Петрушов В.А. и др. «Труды НАМИ», вып. 131, М., 1971.

54. Расчет нормальной жесткости шин для оценки их эксплуатационных показателей. Евграфов А.Н., Московкин В.В., Петрушов В.А. и др. М.: Автомобильная промышленность, №3,1977.

55. Резник Л.Г., Ромалис Г.М., Чарков С.Т. Эффективность использования автомобилей в различных условиях эксплуатации. М.: Транспорт, 1989. - 128 с.

56. Резниченко В.А., Наркевич Э.И., Киселев Н.С. Эксплуатационные свойства некоторых седельных тягачей. М.: Автомобильная промышленность №4, 1986.- с. 16.

57. Смирнов Г.А. Влияние числа и расположение осей на тягово-сцепное качества полноприводных автомобилей. Автомобильная промышленность №12, 1965. С. 22-26.

58. Смирнов Г.А., Леликов О.П., Галевский Е.А. и др. Экспериментальное исследование нагруженности трансмиссии четырехосного автомобиля. М.: Автомобильная промышленность, №12, 1968. С. 17-20.

59. Соловьев А.И. Исследование потерь на трение и к.п.д. механизмов. Таганрогский радиотехнический институт, 1958. 197 с.

60. Справочник по вероятностным расчетам. Абезгауз Г.Г. Тронь А.П., Копенкин Ю.П. и др Воениздат, 1970.

61. Терехов А.С., Заскалько П.П., Некрасов В.И. и др. Влияние температурных режимов агрегатов трансмиссии на эксплуатационные свойства трансмиссионного масла. М.: Автомобильная промышленность №6, 1976. С. 11-12.

62. Токарев А.А. Топливная экономичность и тягово-скоростные качества автомобиля. М.: Машиностроение, 1982. 222 с.згч

63. Токарев А.А., Шмидт А.Г. Теоретические предпосылки расчетного анализа, мощностного, силового и топливного балансов автомобиля. Сб. Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники. М. Изд. НАМИ, 1989. С. 40-45.

64. Токарев А.А., Шмидт А.Г. Составляющие топливного баланса автомобиля. Автомобильная промышленность №4,1990. с. 14.

65. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. Т.У. Асмус, К. Боргнакке, С.К. Кларк и др. Пер. С англ. М.: Машиностроение, 1988.-504 с.

66. Фалькевич Б.С. Динамические и экономические испытания автомобилей. М.: Машгиз, 1944.

67. Фаробин Я.Е., Щупляков B.C. Оценка эксплуатационных свойств автопоездов для междугородних перевозок. М.: Транспорт, 1983. 200 с.

68. Чудаков Е.А. Динамической и экономическое исследование автомобиля. М.: 1928, -168 с.

69. Чудаков Е.А. Качение автомобильного колеса. Машгиз. 1950. 72 с.

70. Штулас В.П. Улучшение топливной экономичности грузовых автомобилей и автопоездов в процессе доводочных работ на примере автомобилей КамАЗ. Кандидатская диссертация, МАДИ, 1987.

71. Экспериментальные методы исследования топливной экономичности и скоростных свойств автомобилей на Автополигоне НАМИ. Токарев А.А.,1. ЪЪ*.

72. Наркевич Э.И., Крупченков B.C. и др. Труды НАМИ, вып. 178. М; 1980, С. 111-125.

73. Яковлев Н.А. Определение сопротивления качения и воздуха. «Мотор», 1934, №12.

74. Omerava К, Katon Н, Power Poss automotive of tofal heat rejection. «Ргос. Int. Symp. Gear and Power Transm». 1981. Vol 1 pp. 287-292.

75. Korst H.H., White R.A. The determination of Vehicle drag contributions from coastdown tests, SAE Trans. Vol 81, Section, 1972 pp. 354-353.

76. V.A. Petrushov. Coast Down Method in Time-Distance Variables. SAE Technical Paper Series 970408, International Congress & Exposition, Detroit, 1997.

77. Ulrich K, Bestimmung des Luftwiderstands bei wester bei Kraftfahrzeugen durch AuslaufVersuh. Automobiltechn. Z, 1974, Noll, pp. 127-131.

78. Sovran G. Tractive-enorgy-based formulae for the impact of aerodynamics on fuel economy over the EPA drivig schedules, SAE Trans. 830304,1983, pp. 746-757.

79. Matsumoto K. Total vehicle economy the challenge. Int. conf. fuel power trains and veh.: VECON84, London 22-24 Oct. 1984, pp. 21-23.1. ЪУ6