автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Теоретические основы оптимизации параметров автомобиля на стадии проектирования

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

п г г л п На правах рукописи

Г 1 Ь иН УДК 658.512.2.629. ИЗ

Ч С ПАЛ

с ::> ¡дм

ДЬЯКОВ ИВАН ФЕДОРОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЯ. НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12 -Системы автоматизации проектирования 05.05.03 -Колесные и гусеничные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ульяновск- 1996

Работа выполнена университете.

в Ульяновском , государственном техническом

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. Н. Гаврилов

доктор технических наук, профессор A.B. Денисов,

доктор технических наук, профессор В. Е. Тольский

Ведущая организация - АО открытого типа "УАЗ" (г. Ульяновск).

Защита состоится "18" декабря 1996 г. в "15 " часов на заседании специализированного совета Д. 064.21.01 при Ульяновском государстве! ном техническом университете по адресу: 432027, Ульяновск, Северный Венец, 32, Ул ГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновкого государственного технического университета.

Автореферат разослан " А. " ноября 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совет, доктор технических наук, п;

П. И. Соснин

ФОРМУЛИРОВКА НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Решение проблемы повышения качества машины при одновременном сокращении сроков разработки и освоения новой техники тесно связано с применением эффективных методов расчета, ориентированных на использование ЭВМ. Проектирование машин, на стадии которого закладываются показатели качества, превращается во все более сложный и трудоемкий процесс, и неэффективные технические решения приводят к тому, что затраты на эксплуатацию превышают в несколько раз затраты на изготовление машины. Во многом это объясняется отсутствием контроля за формированием оптимальных показателей в сферах изготовления и эксплуатации. Особое место занимает эта проблема в автомобилестроении. Опыт проектирования автомобилей свидетельствует о том, что показатели металлоемкости, топливной экономичности, плавности хода,тягово-сксростные, тормозные свойства и надежности не могут быть вычислены расчетным путем с достаточной для принятия оптимального решения точностью, если их определять по обычным формулам современной теории движения колесных машин. Ошибки в показателях тягово-скоростных свойств и топливной экономичности достигают 16...20%, а в показателях вибрации - 40...60% и более. Все это сопровождается не только потерями энергии в ходовой части и трансмиссии, которые составляют при движении по неровностям дороги 40...50% мощности, но и снижением эффективности использования транспортных средств, их надежности и повышением трудоемкости проведения текущего ремонта.

Все эти свойства могут быть улучшены на стадии принятия оптимальных решений,что объясняется отсутствием научных основ разработки теории оптимизации, которая позволяет осуществить строгий технологический подход к проектированию, изготовлению и использованию автомобиля в сфере эксплуатации.

Отсюда вытекает актуальность поставленной проблемы разработки и развития теории оптимизации, как опорного звена проектирования, создающего предпосылки для повышения технологического уровня и качества выпускаемой продукции.

В работе поставлена задача - решение научной проблемы разработки основ теории параметрической оптимизации, направленной на совершенствование конструкции автомобиля с использованием средств вычислительной техники.

Исследования выполнены в соответствии с координационными планами

комплексной научно-технической программы САПР Минвуза РСФСР на 198 год (шифр 2.3.37) и инновационной Межвузовской программой "Надеж ность конструкции" НИИ ПНМС при СамГТУ (шифр 13/32-ИН) от 1992 г.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ заключается в разработке теоретических осно параметрической оптимизации автомобиля, обеспечивающих увеличени скорости сходимости функционалов по иерархическим уровням при про ектироваши, повышение производительности и безопасности движения снижение народно-хозяйственных затрат, создание благоприятных уел вий для работы водителя и перевозки грузов при эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за дачи:

- исследование основных факторов, влияющих на качество и конкурентоспособность автомобилей, снижение затрат и повышение эффект; транспортных средств в сфере эксплуатации;

-обоснование критерия оптимальности технико-эксплуатационных свойств автомобиля на'верхнем иерархическом уровне, частных критерие; оптимальности параметров агрегатов и деталей на последующих уровнях;

-разработка математической модели среды параметрической оптимизации, поиск эффективного метода повышения скорости сходимости функционала, методологическая основа динамической компоновки автомобиля;

-обоснование оптимальных основных технико-эксплуатационных сзойоте автомобиля, параметров агрегатов, узлов и деталей на стадии проектирования;

-исследование возможности снижения металлоемкости отдельных элементов конструкции автомобиля вариационно-разностным методом (методом конечных элементов);

-разработка средств измерения технико-эксплуатационных показателей автомобиля (величины затраченной энергии двигателя, расхода топлива выполненной транспортной работы и оптимальных режимов движения); -исследование возможности совершенствования серийного автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ, а также прогнозирования эффективности внедрения результатов оптимизации в производстве.

Общим в задачах исследований явилось оформление результатов в виде пакета прикладных программ, использование которых обеспечивает повышение качества и конкурентоспособности автомобиля.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА представлена в итерационно-иерархическом подходе к параметрической оптимизации, который включает: -новый принцип решения оптимизационной задачи по трем иерархичес-

ким уровням сложности с переходом из одного уровня в другой и последующим возвратом в исходное положение; итерационное решение задачи до заданной степени точности с обеспечением высокой скорости сходимости и устойчивости значений функционалов на всех уровнях;

-математическую модель среды оптимизации, состоящую из критериев оптимальности, условий и системы ограничений, включающих экономические и эксплуатационные свойства, а такие конструктивные параметры и прочностные характеристики несущих систем и деталей автомобиля; осуществление решения задачи оптимизации поэтапной релаксацией ограничений, связанных между собой реакциями, связями и внешними возмущениями;

-математическую постановку динамической задачи, связанную с колебаниями автомобиля при движении по неровностям дороги, и решение динамической компоновки автомобиля на стадии проектирования;

-формулировку функциональной связи энергетического показателя о показателями оценки эффективности использования и надежности, трудоемкости текущего ремонта и обслуживания, параметрами трансмиссии и тормозной системы,, подвески и качества материала при проектировании;

-гибкий алгоритм многоуровневой связи и формирование оптимизационной среды с использованием разработанного пакета прикладных программ, обладающего свойством "самообучения" и состоящего из основного (управляющего) и вспомогательного комплекса;

-информационно-вычислительные устройства для регистрации ресурса, расхода топлива, транспортной работы и использования для бортовой диагностики, автоматизированного управления режимами работы двигателя и модульного силового агрегата транспортных средств.

На защиту выносятся следующие положения, объединяемые общей идеей совершенствования параметров автомобиля на основе оптимизации динамических процессов в их подсистемах:

- новый принцип решения проблемы разработки основ теории параметрической оптимизации с итерационно- иерархическим подходом;

- математическая постановка и решение задачи колебательных процессов конструкции автомобиля и его динамическая компоновка на стадии проектирования;

- комплекс информационно связанных обобщенных моделей динамического расчета несущи систем и деталей автомобиля;

- гибкий алгоритм многоуровневой связи и формирование решения оптимизационной задачи с использованием разработанного пакета прикладных программ, обладающего свойством "самообучения" и состоящего из основного (управляющего) и вспомогательного комплекса;

- информационно-измерительные устройства для регистрации ресурса, расхода топлива, транспортной работы и использования бортовой диагностики. автоматизированного управления режимами работы двигателя ] модульного силового агрегата транспортных средств. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что результаты исследований послужили основой для разработки и эффективного внедрен] результатов, обеспечивающих снижение массы автомобильной констру! ции,которые характеризуются для автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ следующими данными: масса коробки передач на 11,7 %, рамы - 19 %, тормозной сист( мы -11 %, в целом для автомобиля металлоемкость снижена на 2,03 %.

Обеспечено снижение эксплуатационных расходов на текущий ремой1: автомобилей на 5,1 % и расхода топлива на 12,2 % - путем оптимальн( го выбора периодичности обслуживания, режимов движения и контроля технического состояния автомобиля.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ осуществлялась систематическим представлением е( результатов технической общественности в докладах, на научно-технических совещаниях, . конференциях, семинарах: на конференции молоды; ученых Волго-Вятского региона в Саранском госуниверситете в 1972 г. на конференции по САПР в Ростовском госуниверситете в 1975 г., на семинаре кафедры "Автомобили" Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроении в 1982,1991 гг., т семинаре кафедры "Колесных машин" МГВТУ им.Н.Э. Баумана в 1983 г., на региональной конференции в Нижегородском государственном техническом университете в 1986 и 1994 гг., на всех конференциях по динамике и прочности машин в Ульяновском государственном техническоь университете с 1973 г. по 1996 г. и на отраслевом семинаре "Вопрось электронизации автомобилей" в НПО Автоэлектровдка в 1990- 1993 гг., на кафедре "Автомобили" Московского государственного автодорожного института {технического университета) - 1992 г.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ выражается в разработке и внедрении автором I под его руководством совместно с коллективом сотрудников Поволжского филиала НШАТ двух руководящих технических документов по использованию и обслуживанию автомобилей, во внедрении двух аттестованнь изобретений в АО "УАЗ", а также в передаче комплекса программ пс оптимизацию и расчету автомобилей УАЗ в УГК САПР.

ПУБЛИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ диссертации представлена в 36 научных статьях периодических изданий и научно-технических сборниках, в монографии, а также в 20-и авторских свидетельствах на изобретения.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.Общий объем составляет 494 стр.,иг которых на 280 стр. изложен текст, на 87 страницах-99 рисунков, на

страницах - 12 табл., на 19 страницах - список литературы, состоящей из 226 источников, в том числе 18 на иностранных языках и на 93 стр. приложения.Состоит из введения и шести глав, общих выводов, списка литерптуры и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дана характеристика работы, показана ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования и основные научные положения, выносимые на защиту.

1. ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ 1.1 Научные аспекты оптимального проектирования

Роль теории автомобиля в процессе оптимизации в условиях использования системы автоматизированного проектирования (САПР) резко возрастает. При разработке положений теоретических основ оптимизации, выносимых на защиту, учтены условия преемственности в решаемой проблеме исследования, базирующиеся на работах отечественных и зарубежных авторов: Е. А. Чудакова, М.И, Ипатова, И. С. Высоцкого", Н.Ф. Бочарова, А.И. Титкова, Р.В. Ротенберга, Г.А. Смирнова, H.H. Яценко, Я.Е. Фаробина, Б.С.Фалькевича.Е.С.Кузнецова. В.Ф.Платонова, Ката-наеваН. Т., Денисова А. В., Тольского В. Е., Шац Я.Ю., Дж.Вонга, Р.Янте, М.Грувера, Э.Зиммерса, А.И.Гришкевича и других.

Разработка итерационно-иерархического подхода к параметрической оптимизации связана с расширением потока информации о конструктивных параметрах и эксплуатационных свойствах автомобиля, используемых на стадии проектирования с целью улучшения конструкции. Такие основные параметры автомобиля, как металлоемкость, ресурс и надежность, на этапе проектирования, приводят к необходимости оптимального распределения расхода материалов, выбору геометрических размеров деталей или другим мерам, направленным на снижение трудоемкости изготовления конструкции, которая являяется базовым параметром при 'определении себестоимости продукции.

Удельную материалоемкость отечественных автомобилей малой грузоподъемности можно довести до 8,0...9,0 кг/1000 т*км, но для ее решения требуются исследования усталостной прочности деталей и в области оптимального выбора материала на стадии проектирования.

Оптимизация параметров осуществляется нахождением экстремума

функционала, соответствующего наилучшему показателю качества Пз)1-т1п. В работе использован метод нахождения оптимальных решений • сведение множества показателей качества к одному, введением так называемой результирующей целевой функции и нахождения для нее экстремума на каждом иерархическом уровне. Шаг итерации задается в зависимости от поставленной задачи.

1.2. Стратегия и методология оптимального проектирования грузовых автомобилей Разработка стратегии проектирования - это определение последовательности действий, выбираемой проектировщиком для преобразование исходного технического задания, рис. 1.1. Решение задачи начинают < верхнего уровня, описывая конструктивные показатели и технико-эксплуатационные свойства автомобиля, предусмотренные в эскизном проекте (составленный по условию бизнес-плана), с последующим переходом на следующий уровнь, где описываются требования к агрегатам, нг последнем - деталям. Математически формализуют среду оптимизации. Ограничения приводят к виду X!<Х <Х1+1, совокупность которых образует п- мерную область. Допускаемые значения ограничений задан* ГОСТами. Библиотека программы содержит контрольные примеры и метода оптимизации для сравнения результатов расчета. Иерархический переход осуществляется по команде программы. Таким образом происходи1: вначале анализ объекта с последующим переходом на верхний уровнь. Путем рассмотрения множества параметров конструкций, разбитых ш логическому принципу на группы, которые составляют множество вариантов, информационно связанных и согласованных с ними, переменньк величины образуют связное полное "дерево" по управляющим связям, I котором любая существующая информационная связь является согласованной. В дальнейшем такое подмножество вариантов конструкции составляют последовательность вариантов. Построение полной последовательности осуществляется вписыванем в существующую последовательность новых параметров конструкции по порядку. Для доказательств? логического принципа составлена простейшая модель управляющего алгоритма, обеспечивающая переход из одного варианта в другой. Инфор мационная связь (X) задается X = =(1х,Рв-ри). гДе ~~ имя переменной; Рв- параметры, вычисляемые при изменении переменной величины; Р„- параметры, используемые в 1-й переменной в качестве аргумента. Отношение информационной связности (а) параметров Р.[ и Р2 должш быть г 1, если истинно

а(Р1,Р2)={ 0- в противном случае.

Рис. 1.1. Общая схема стратегии оптимального проектирования автомобиля

Отношение связности с начальными параметрами выполнимо, если г 1, если истинно а(Х,Р) = 0- в противном случае.

Описание полного объекта (автомобиля) производтся на каждом итерационном шаге. При этом возможны следующие ситуации: , .

- не выполняется отношение связности. Это соответствует ошибке в описании программы;

- не выполняется отношение согласованности. Происходит возврат на ближайшую точку.

- выполняется ложное отношение. Неудачно составлен итерационно-иерархический подход.

Предпосылкой обеспечения полноты решения поставленной задачи и единства программных структур является фундаментальный характер многокритериальной оптимизаций, который находится в иерархической зависимости, и решение одного уровня порождает подчиненные задачи другого уровня. Это позволяет более гибко находить частные и глобальные оптимальные решения в виде релаксационной задачи.

Параметры варианта конструкции, удовлетворяющие свойствам связности, сходимости, согласованности, выполнимости и последовательности процедура программы переходит к следующему шагу, если управляющий вектор не пуст. Для распознавания ситуаций вводятся дополнительные сравнивающие варианты с запоминанием параметров. Итерационный процесс заканчивается при достижении заданной точности.

1.3. Выбор вероятности решения оптимизационной задачи

Для решении поставлены как частные задачи, связанные с оптимизацией отдельных агрегатов, деталей и т.д., так и более общие, включающие эксплуатационные свойства и технологические процессы,связанные с повышением ресурса до заданного срока эксплуатации автомобиля. При этом частные критерии отличаются большим разнообразием учитываемых значений параметров. Оптимизируемая среда в таком случае характеризуется конечным рядом дискретных состояний. Процесс поиска переменных показателей проведен методом статистической оптимизации ии, используя цепи Маркова, в которых очередные результирующие дискретные значения показателей отображены графом состояний. С помощью графа определяем устойчивость их значений. Чтобы марковский процесс был однородным, все событий были переведены в систему из

одного состояния в другое стационарными пуассоновскими потоками, интенсивность которых определена

О \хг (t) . . Xln(t)

(t)

(t)

0

lll(t) Wt>

i J

(t)

Хщ (t)

(t)

0

H

■41 j

(t)

n(t)

0

(1.1)

с интенсивностью вероятности P(t) про-

Х12(

Х„2(0 .

Суммарное изменение показателей, связанных пуассоновского потока I находим через

изводной. При решении задачи статистической оптимизации предварительно рассматривают значения показателей как случайные величины. Количество статистических данных должно столько, чтобы достаточно можно было бы судить о достоверности результатов. Несмотря на большое различие задач по количеству определяемых параметров (р), в них наблюдается требование к количеству данных (п) и к числу определяемых параметров, а именно п=(5...15)р.

2. КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОСТИ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЯ

2.1. Выбор критерия оптимальности грузового автомобиля

На основе анализа литературных источников пришли к выводу о необходимости выбора количественного показателя (критерия), определяющего направления действий над объектом.

Критерии оптимальности параметров машины в сфере ее изготовления и эксплуатации представлены уравнениями:

в первом случае в стоимостном выражении f(3) =(WaNa)_1 [Tc6CT/T0 + (CTOJ(S)r/J(S)TO+CTpJ(S)+3Kp0/T3]-> min (2.2) где Wa- производительность автомобиля; Ct-часовая тарифная ставка рабочего;Сх0- стоимость обслуживания®: J(S)r-годовые энергозатраты; J(S)-энергозатраты между сбслуживаниямиж; Зкр-затраты на капитальный ремонт (без учета Зкр=0); во втором случае критерий представлен в виде удельной трудоемкости (экономичности)

f(t)=(WaNa)_1[тсбКп/Т0+(ттрJ(S)r/JiS)t0+tTpNtp+tKp)Kn/T3]-mln (2.3) где Na- количество автомобилей; То. Тэ . сроки окупаемости и эксплу-атациии; Кп - коэффициенты перевода затрат труда в энергозатраты в сферах изготовления и эксплуатации; tKp - трудоемкость выполнения капитального ремонта. Эти критерии заложены в данной работе как ос-

новы оптимального проектирования, определяющие качества параметров конструкции автомобиля. Оценки эффективности производства автомобилей рассматриваем в нескольких направлениях: во-первых, производим экономическую оценку транспортного средсва; во-вторых, исследуем вопросы обеспечения равнопролности деталей; в-третьих, определяем оптимальные решение задачи, связанной с эксплуатацией.

Энергия, затрачиваемая на перемещение автомобиля с грузом, при ускорении 3=0 составит

ЛБ) =3,6 (и [шн (КК (5 +т\б) + 80 г] в + Рв} /т\т) 1;дв, (2.1) где Ча - скорость движения автомобиля; тн- номинальная грузоподъемность; КК, (5 соответственно коэффициенты использования грузоподъемности и пробега; цб - коэффициент использования собственной массы автомобиля; тр - суммарный коэффициент дорожного сопротивления движению; Ъ~ число пассажиров вместе с водителем; Рв - аэродинамическая сила сопротивления движению; ти - КПД трансмиссии; время движения автомобиля.

Чтобы найти Ъдв, воспользуемся законом движения колеса в качестве функции обобщенной координаты фк в виде скрк/ <31 = ЧЧ<рк), после интегрирования получаем Ь= скркЛЧ<рк). Это интегрирование выполняется численным методом, в результате находим Ъ = X, ( фк)

На основе обработки статистических данных УГАТП-1 установлена теснота связи между переменными величинами (распределенными по нор-■мальному закону) трудоемкостью ТР и ТО с километрами пробега и энергозатратами. В первом случае коэффициент корреляции составил 0,603, во втором 0,753, то есть на'24% выше с энергозатратами, чем с километрами пробега.

На этапе оптимизации параметров конструкции реализована схема, позволяющая ориентировочно установить величины рассматриваемых па-■ раметров автомобиля в интервалах их значений, выбираемых с учетом ГОСТов и Положения ЕЭК ООН.

Каждая величина выражает только сопоставимые затраты, непосредственно связанные с определенными параметрами машины. Тем самым, предлагаемые критерии отличаются от существующих критериев, принятых в экономике промышленности. Причем общепринятые приведенные затраты недостаточно точны для суждения об оптимальности конкретной машины, поскольку единые для всех заводов изготовителей значения показателей - срок окупаемости, трудоемкости сборки и изготовления автомобилей - отличаются.

Г тб • ■

tc6= а1 + а2- - а3 ----

L пб Пб J

На основе статистических исследований установлены изменения трудоемкости сборки автомобилей УАЗ, ГАЗ и ЗИЛ от их массы

2

Кс6 КП, (2.4)

где ai, а2, а3 -постоянные коэффициенты, зависящие от массы автомобиля; ri6 _ коэффициент использования собственной массы автомобиля; Ксб - коэффициент, учитывающий изменения трудоемкости сборки.

Что касается эксплуатационных затрат, то они представлены через энергозатраты _ _

ттр = [А + B|arc tgKj (J(S) - J0(S))|+ С arc tg K2|] 10"3, "(2.5)

где'А,В,C.Kj,K2 - постоянные коэффициенты, зависящие от трудоемкости текущего ремонта автомобиля.

На основе результатов наблюдений, проводимых совместно с лабораторией надежности Ульяновского транспортного управления, уточнены коэффициенты и трудоемкость технического обслуживания, представленные в виде тТ0 = (bt + Ь2) Кто, где Ь^Ьз - постоянные коэффициенты; Кто - коэффициент, характеризующий изменение трудоемкости обслуживания. Определены затраты на ремонт шин и расход топлива (по уравнениям М. П. Ипатова), на капитальный ремонт автомобиля и агрегатов - на основе статистического материала; производительность выведена из баланса мощности, при этом значение скорости варьируется. Такой метод поиска применим к широкому классу машин. Уточнено уравнение производительности автомобиля в зависимости от мощности двигателя, которое имеет вид 103 гк

W* =

Kf Р(и 3,6) 10

(2.6)

— ( Не Пткр--Нв ) - шб

и игр Гд

где Не- эффективная мощность двигателя; иср- средняя скорость движения; ар - коэффициент, учитывающий суммарные дорожные сопротивления движению; g - ускорение свободного падения; ш6- собственная масса автомобиля.

2.2. Критерии оптимальности второго уровня сложности

Критерии второго уровня выбирают в зависимости от назначения агрегатов. Они должны удовлетворять определенным свойстввм автомо-

биля. Например, трансмиссия автомобиля должна обеспечивать максимум условной удельной производительности вида

К1Н гал Р »1 Кин

= -- тах, (2.7)

М1+К Чр/Ъ

где время нахождения под погрузкой и разгрузкой; 1г-пробег с грузом; хев ~ трудоемкость ежедневного обслуживания; время работы водителя за смену. Расход топлива определяется интегрированием при городском цикле движения в диапазоне скоростей от до и1+1 при полной подаче топлива. Для рамы, кабины, кузова - минимум металлоемкости Хк+1

Нп^) =рм [2 /Ах (Лх,Ьх>бх)йх +1Ау иу Лу, 5У ) 1У- Ю1п , (2.8)

X

К

где рт- плотность материала; АХ,АУ-площадь сечения элемента; момент инерции элемента; -высота элемента; 5Х бу- толщина элемента; 1у - длина элемента;

Для подвески - плавность хода по допускаемому коэффициенту интенсивности восприятие или эквивалентному уровню механических колебаний в дБ отн. 10"6м/с"2 _

18 .. /11.. Кин --:-б2 < скин] 1эк=201а/ - /[г(1;)/1(г6]гсп <[1], (2.9)

V 1+ (Ш0/О))г ' т 0

где а>0=62,8 с"1 - частота приведения; ш - частота колебаний; 6% -среднее квадратическое вертикальное ускорение; Т-время воздействия вибрации; '¿(1)=0,0522^-1,3951+3,709 -ускорение колебаний; Для тормозной системы - максимум тормозного эффекта при движении автомобиля

Х(Т) =(Тоб- Тх) /Тоб -тт. (2.10)

где Т06, Тх-общие энергозатраты автомобиля при движении и затраты энергии при торможении. Пользуясь формулами, связывающими энергетические свойства автомобиля, получим критерий оптимальности тормозных свойств автомобиля. При торможении кинетическая энергия поступательно движущейся и вращательной массы поглощается энергией торможения. В относительных величинах эти значения обеспечивают минимум функционала с параметрами тормозной системы.

Для рулевого управления - минимум затрат энергии (эргономичность) водителя. Критерии первого и второго уровня направлены на повышение качества параметров автомобиля при решении оптимизационной задачи.

Здесь учитываются сложность конструкции, трудоемкость изготовления, ремонта и обслуживания.

2.3. Критерий оптимальности третьего уровня сложности

На третьем уровне рассматриваются вопросы снижения металлоемкости детали и связанные с ними затраты на штамповку,механическую обработку и сварочные работы, отнесенные к ее ресурсу.Другие операции учитывались постоянными коэффициентами. Расчеты трудоемкости штамповки деталей выполнены по отдельным элементам операции технологического процесса в зависимости от степени сложности поковок, массы заготовки и вида оборудования. По классификации поковки автомобильных деталей, изготавливаемых на молотах, отнесены к первой группе сложности, поковки с легкообтекаемыми формами; - ко второй и к третьей - поковки небольшой толщины с втулками. В результате аппроксимации по методу наименьших квадратов на ЭВМ получены эмпирические уравнения регрессии 3

ти*= «1 - «г «in-. + аз«1ЗГ + а4 ¡/à,'2 , (2.7)

где al, Og, 0С3- постоянные коэффициенты уравнения регрессии, соответствующие группе сложности; тяч - массы падающей части молота; шзг _ массы поковки.

Трудоемкость механической обработки детали связана с числом технологических операций и длиной обрабатываемой поверхности. Значительная доля времени приходится на изготовление деталей литьем. Исследованы технико-экономические показатели на литье в оболочковую форму простых и сложных деталей массой от 8 кг до 70 кг, приведены значения расчетных коэффициентов с учетом программы выпуска отливок и их массы.

Что касается ресурса R(s) детали, то выбранный материал проверяют на долговечность при известных циклических нагрузках, образуя петли гистерезиса. Экспериментальным путем определены коэффициенты пропорциональности, которые равны отношению скорости изменения площади петли гистерезиса до начала появления микротрещин к скорости роста площади после появления микротрещин. При этом ресурс детали выражен

п

R(S) = 1

J (Mo)

-J(S)

1=1L J CMi )

exp

J(S)- J(Ni)

JCNj)

(2.8)

где J(S)~ энергозатраты автомобиля; ци-коэффициент использования энергии двигателя.

Достоверность уравнения (2.8) проверялась экспериментально на дета лях автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ в дорожных условиях с номинальной нагрузко: при средней скорости движения 25...32 км/ч.

3. ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЙ 3.1. Основные условия и ограничения оптимизации параметров автомобиля Используемые в системе ограничений показатели выражены в виде аналитической зависимости входят в область технических требованга предъявляемых к транспортным средствам, отвечающим международны; стандартам, разработанным в Положении ЕЭК ООН.

При исследовании плавности хода автомобилей был разработан новы! вид конструкции подвески (а.с. 1587919), обладающий свойством апериодического звена и возможностью управления ее жесткостью при движении по неровностям дороги. В системе ограничений плавности хо; использован новый показатель - передаточная функция энергии колебаний неподрессоренных и подрессоренных масс, которая имеет вид ап\г (о*\ т^з,у (и_у_ 11,) КЗ = е1-2|- I ¥тр| — I -<[К;

^ иу гн+ ^.у^.уЧ^п+Уз.у^.у- Фз, -у11>х)]г

где е! _г - отношение неподрессоренных масс к подрессоренным; ¿а,¿п-соответственно скорости вертикальных перемещений неподрессоренных и подрессоренных масс; ¥тр - коэффициент трения листовое рессоры; v1y <р1у- соответственно угловые перемещения 1-х агрегатоь относительно оси координат; 11у- расстояние от центра масс до точи соответствующей опоры. По логарифмическому декременту затухания колебаний, представленному В виде б3ат=1п(21гаах/2(1-И)тах >С(5], оценивали подвеску, которая оказывает влияние на среднюю скорость движения при заданной скоростной характеристике двигателя, тормозные качества, устойчивость движения, конструкцию трансмиссии и особенности устройства дороги. Все эти факторы, воздействующие на автомобиль, были использованы при уточнении показателей надежности и перк одичности обслуживания. Основными условиями оптимальной периодичности обслуживания автомобилей были приняты допустимое количестве отказов на единицу наработки при необходимом грузообороте автомо-

биля за 1-й период при средней скорости движения в заданных дорожных условиях.

3.2. Ограничения по энергетическим характеристикам автомобиля

Любое транспортное средство имеет предельное значение мощности двигателя,влияющее на кинетическую энергию трансмиссии и колес, интегрирование которой по времени даст величину затраченной энергии

т 2п .

ЛБ)< Лд + 2 1тр(Фтр)2/2 + I 1КЛ(ФК )г/2 , (3.1)

3=1 1=1

где - энергия автомобиля; энергозатраты двигателя ;1тр- момент инерции трансмиссии; фтр- угловая скорость вращения трансмиссии; 1К- момент инерции колеса; фк-угловая скорость вращения колеса.

С учетом общих потерь, отражающихся на двигателе, энергозатраты могут быть выражены через расход топлива

Лй)= 03 Ни П Б 1,16. I)"3 < [Лй)!, (3.2)

где 05 - общий расход топлива; Ни- теплотворная способность топлива; рс - плотность топлива; Б - общий пробег; т)с, тц- соответственно термический и индикаторный КПД двигателя.

По отношению выражений (2.1) и (3.2), можно оценить эффективность использования транспортных средств на линии. В таблице 3.1 приведены результаты, полученные в условиях эксплуатации автомобилей. Таблица 3.1 Сравнение коэффициентов использования автомобилей.

Марка автомобиля Машино-дни в работе Количество часов в наряде Общий пробег, км Грузооборот т* км Коэффициент использования

по времени По энергозатратам'

в днях в часах

МАЗ- 21 208 3831 12700 0,72 0,84 0,25

-4540 14 126 2458 12038 0,50 0,50 0,28

—//— 12 120 2285 11240 0,41 0,40 0,16

—//— 21 217 7749 20900 0,72 0,87 ' 0,25

зил-

431510 26 286 6100 54400 0,89 0,93 0,21

—//— 25 236 5000 25500 0,83 1,04 0,30

Из таблицы 3.1 видно, что энергетический коэффициент использования автомобиля позволяет анализировать эксплуатационные показатели и уточнить массу перевозимого груза с учетом его тягово-скоростных свойств и дорожных условий. Энергетический коэффициент использования в большей мере зависит от условий эксплуатации, которые не учитываются существующими временными показателями.

3.3. Ограничения по нагрузочной характеристике автомобиля

Ограничения по нагрузочной характеристике автомобиля связаны с силами сопротивления движению, которые не должны превышать тяговой силы. Для расчета нагрузочного режима движения определены значения номинальной грузоподъемности с учетом дорожных условий. Используя вероятностное распределение отказов, выделены тяжелый режим, когда на единицу полезной массы груза приходится до 10 кВт, средний от 10 до 15 кВт и легкий выше. 15 кВт. Чем выше удельная мощность, тем большие сопротивления движению автомобиль может преодолеть. При этом в ограничениях использованы Нсн> где МСН.МСК - норматив-

ная и конструктивная удельная мощность, рассматриваемая при решении задачи на верхнем уровне оптимизации.

3. 4. Ограничения внешних воздействий на повреждаемость конструкции

Внешние условия рассмотрены с точки зрения обеспечения прочности конструкции при движении по неровностям дороги, вызывающем колебания автомобиля и превышение напряжений в несущих элементах. Неровности дороги рассмотрены как случайный процесс, для характеристики которого использована спектральная плотность. Определены значения спектральной плотности неровности грунтовой и булыжной дорог.

Следует отметить, что обследованные дороги отличаются различными размерами высот неровностей и различными интервалами. Используя общие представления о статистических характеристиках случайных процессов, можно описать случайную функцию неровности дороги в виде

а 1 -|-ш1

Ч(Ш=А0 + 2Ы1-;- + - е (3.3)

а2 +(ан- Х)г а2 (ш - X)2-1 где ко - постоянный коэффициент ряда Фурье; 1п - шаг неровности дороги; а. Х- целые числа подмножества длины неровности дороги ; ш -частота повторяемости неровности дороги; ^(11)]-допускаемые значения

неровности рассматриваемой дороги принимаются из нормативов на дорожное полотно.

Результаты вычислений коэффициентов Фурье для грунтовой дороги представлены q(il)=0, 54+0, 24Cos2Tth+0, 4062Cos4Jih+0, 348Cos6jm+ +0, 317Cos8iih+0, 509Cosl0rth+0, 11Шп2я h+{-0,122Sln47th-0, 036Sln6Kh-- 0, 092Sin8jrft-0,032Slnl0JTh, где h- высота неровности дороги. Ввиду линейности преобразования Фурье корреляционная функция представлена как сумма нескольких функций. Для процесса с монотонными корреляционными функциями, которые чаще всего встречаются в дорожных условиях, корреляционную функцию выражают в виде суммы треугольных функций. Каждой такой функции соответствует спектральная плотность вида Sq(to-~-1/2л:[(Sinai Kt/2}/(w Кх/2)] Ь^где ht, Kt- высота и основание треугольника. Спектральная плотность дисперсии (энергетический спектр) используется при вычислении спектральной плотности колебаний масс, амплитуды перемещений элементов несущей системы автомобиля.

3.5. Математическое описание колебаний автомобиля

Для описания колебаний автомобиля принято уравнение Лагранжа второго рода с учетом рассеивания энергии в опорных точках крепления масс. Общее количество рассматриваемых масс - семь: передний и задний мосты, рама, двигатель, кабина, кузов и водитель. Каждая масса рассмотрена относительно линейных и угловых колебаний вокруг осей XYZ. Обобщенная сила - задана в виде силы, действующей на колесо от единичной неровности дороги. Рассеяние энергии в опорах вычислено через функцию Рэлея. В диссертации дан подробный вывод уравнений колебаний масс, они представлены в виде матрицы, решение которой позволило определить амплитудно-фазочастотные характеристики отдельных агрегатов автомобиля, переходные процессы и спектральную плотность ускорений колебаний масс. Спектр связи возбуждений от неровности дороги выражен

Sq(CD) = Sq(h) Cos ш Le /Va , (3. 4)

где Sq(CB)-действительная часть взаимного спектра возбуждений подвесок; Ls - база автомобиля.

Для подтверждения достоверности расчетных значений проводились экспериментальные исследования на автомобиле УАЗ. Запись колебаний производилась на ленту магнитографа R-200 "ТЕАС" (Япония). Обработка случайных процессов выполнялась на корреляторе 3721А с приставкой для выполнения преобразований Фурье 3720А (фирма "Хьюлет-Пак-

кард" США). Результаты обработки регистрировались на двухкоординат-ном самописце У/Х-431. Для измерения калибровочного сигнала применялся цифровой вольтметр В7-27А/1, визуальное наблюдение за сигналом из магнитографа производилось на экране осциллографа С1-67. Среднее квадратическое ускорение в полосе частот 0...15 Гц (полоса пропускания коррелятора) определялось по формуле

6 = ^х(о) = ИЗ* (О) . где Кх(0) - автокоррреляционная функция, которая выражена в виде

(11) )шах Мк

Кх(0) =

где Ке - коэффициент относительной чувствительности; Кк - коэффициент калибровочного сигнала, равный на асфальте - 0.3, на булыжном шоссе - 1.0; Н{Ьч(П))тах - максимальная величина автокорреляционной функции; }1к - масштаб записи автокорреляционной функции; тк - величина калибровочного сигнала.

Спектральная плотность ускорений в любой полосе частот подсчиты-вается интегрированием графика спектральной плотности в виде

Э(з) = [Кв 8* К2к те Б(А)] / 40 тК2> где щ - масштаб записи функции спектральной плотности; Б(А) -прощадь под функцией спектральной плотности в определяемой полосе частот; 1/40 - масштабный коэффициент, учитывающий размер деления, шаг и масштаб дискретизации процесса. По графикам автокорреляционной функции определены средние квадратические ускорения, табл. 3.2.

Таблица 3.2

Результаты испытаний автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ

Показатели масс Тип дороги Скорость движения, км/ч Вертикальные виброускорения, м/<

под сидением над задней осью

1 2 3 4 5 6 7

рассч. эксп. рассч. ЭКСП.

Снаряженные Асфальтир. 30 0,68 0,60 0,93 1,01

автомобили шоссе 60 0,80 0,63 1,23 1,15

70 1,04 0, 94 1,57 1,56

Продолжение таблицы 3.2

1 2 3 4 5 6 7

Булыжное 30 1,40 1,29 1.99 2.19

шоссе 45 1,79 1.75 3,55 3,65

60 2,55 2,66 5.0 5,52

Груженые Асфальтир. 30 0,60 0,58 0,73 0,73

автомобили шоссе 50 0.70 0,71 0,96 0,97

70 0,88 0,91 1, 13 1,13

Результаты расчета выполнены с высокой точностью, но случайный характер воздействия внешних сил вызывает отклонение значений виброускорений в зависимости от конкретной реализации случайного процесса. Полученные при испытании средние квадратические величины вертикальных ускорений подрессоренных масс не позволили обеспечить плавность хода из-за несовершенства конструкции подвески.

4. ОГРАНИЧЕНИЯ ПРИ СИНТЕЗЕ АГРЕГАТОВ И ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЯ

4.1. Ограничения при синтезе трансмиссии автомобиля Основные параметры трансмиссии рассмотрены с учетом диаграммы (Ре - п) двигателя, которая связана с тягово-скоростными свойствами и топливно-экономическими характеристиками автомобиля. Параметры двигателя и передаточные числа трансмиссии оптимизируются совместно.

Передаточное число каждой передачи проверяется по тяговой .силе; максимальной скорости движения; устойчивости движения; максимальному ускорению; времени разгона; максимальному преодолеваемому -подъему автомобиля с полной массой; обеспечению условий проходимости; расходу топлива; пути разгона.Предельные значения соответствуют ГОСТу 21398-89. Отношение последовательных передаточных чисел в ряду меньше отношения частоты вращения вала двигателя при пт /пн.

Ограничения тормозной системы определены при неравенстве тормозных сил сцепления колес, вследствие чего происходит его разворот относительно передних или задних колес под действием момента, который не должен превышать где 1г - момент инерции автомобиля относительно оси г\ Кр -угол разворота автомобиля. В соответствии с уравнением движения центра масс проверена курсовая устойчивость движения \г- Кр=Мп-Кхпа 'Кхзв, где Мп - максимальный поворачивающий момент относительно центра масс автомобиля;йхп- Нхз - максимальные

по сцеплению тормозные силы передних и задних колес. В качестве условий для проведения оптимизации параметров тормозной системы принимались предельные значения, установленные Правилами N 13 ЕЭК ООН и Директивами 79/489-ЭС. Общая удельная тормозная сила ут = 2Ттор время срабатывания хср < [т<р] и коэффициент Осевой

неравномерности распределения тормозных сил Кн= (?торле%-Рторпр)/ /Рторлев4 ^торпрН <[Кн]; тормозной путь Бт, [Бх] соответствуют ГОСТ 25478-91.

Для установления зависимости дср от величины тормозного пути Эт и количества случаев торможения N. использовались статистические данные, обработка которых дала наглядную картину вероятности изменения средней скорости движения'от тормозного пути. Коэффициент гарантированной вероятности составил 0,95.

4.2. Ограничения по прочности несущих систем автомобиля

В систему ограничения второго уровня для несущих систем включены условия прочности, жесткости и сопротивления усталости с учетом рассеяния энергии в материале. Прочностные характеристики несущей системы автомобиля проверялись расчетным способом с учетом гармонических колебаний Для определения поля перемещений сложных деталей использовался вариационно-разностный метод, один из методов конечных элементов как более простой и обладающий большей оперативностью при переходе расчета-от статической к динамической системе. Вариационно-разностный метод включает прежде всего алгоритм построения координатной последовательности, сообщающей стационарные значения функционалу, и связанный с ним вопрос о.сходимости. Сформулированный вариационный принцип Гамильтона-Остроградского заключается в утверждении, что действительное перемещение системы при,наличии потенциальных сил совершается таким образом, что функционал вида / б(К-П+А)с!Ь 0, где К, П, А - кинетическая, потенциальная энергия и элементарная работа, приобретает стационарное значение, т.е. обращается в нуль. Вариационные принципы для разрывных полей позволяют наметить множество путей решения прикладных задач. Напряженное и деформированное состояние элемента системы аппроксимируется простыми функциональными зависимостями при граничных условиях:

(с+ са5/йг)0* и = 1с и=о

где D* = e/U; С- e= б; С- симметричная матрица, характеризующая рассеивание энергии. U- матрица перемещения граничных точек элемента при начальных условиях U|t=0=ao; 6U/ót|t=0=a1.

Векторы начальных параметров прогиба W0, момента М0,угла закручивания е0 обозначены через V0_векторы текущих параметров через V(£) = |W(4), 0(0.М(0. I. где £=Х/1. Соотношение между ними выражено V(^) =V(0) Щ).где К(£) - матрица переноса, которая имеет вид

S ÍT/X lU/X2EJn -1 V/X2 EJn

К(0= XV/1 S -lT/XEJn -l2U/XEJn

-EJnX2 U/1 -EJnXV/l S 1TA

-EJ„T/1 -EJnXU/l XV/1 S

где S,T.U, V- функции Крылова.

Решение задачи колебаний рамы, представленной в виде стержневой системы строится с помощью матрицы переноса с целью получения матрицы динамических жесткостей. Условия динамического равновесия узлов выражены -BnpUp-Bn2Ü2 + (Anp+Anz+Ans+Ant+Cn- ш2 J0) U0 -В^ s Us -Bn t Ut = BnptUp]- -Bnz [Uz]-B,,s [Us]-Bnt [Ut]+Rn. где В, А, С - матрицы динамических жесткостей; U -векторы перемещений элемента в местной системе координат; [U1- векторы перемещений элемента от местной нагрузки; Rn- вектор усилий в начале элемента. Матрицы расчета конечных элементов позволили произвести статические и динамические расчеты, по значениям которых определены геометрические размеры и массы элементов. Решение системы дифференциальных уравнений потенциальной и кинетической энергии позволило получить величину перемещений конечных элементов конструкции. Далее, умножением результатов на квадрат частоты колебаний и возведением результатов в квадрат получили передаточную функцию системы, умножением которой на спектральную плотность неровности дороги получили характеристику спектральной плотности ускорений колебаний элементов конструкции автомобиля.

4.3. Условия энергетических потерь в деталях,при колебательном движении автомобиля

Условием потерь энергии может быть деформация деталей, вызываемая крутильным и изгибным колебательными процессами при движении автомобиля. Величина рассеяния энергии в материале выражена через площадь петли гистерезиса, которая изменяется от количества циклов

нагружения и разгружения. Поглощение энергии при циклическом нагру жении вызывает зарождение и рост микротрещин. Мера рассеяния энер гии в материале выражена отношением разности площадей петли гистерезиса после многократного нагружения и площади после первого цикл к общему числу циклов нагружения, т.е <р=(А1 + 1 -А1)/ДЫЦ<[<р], гд А1+1- величина площади петли гистерезиса после многократного нагру жения; А! - величина площади после первого цикла; АЫ ц - общее кол: чества циклов в интервале ^-Иц.) нагруженийж; [<р] -допускаемое зн; чение меры рассеянии энергии в материале.

Изучение кривых при циклическом деформировании проводилось в двух направлениях: до предела выносливости при изгибе, кручении ] растяжении; до выявления изменения формы и площади петли гистерезиса в интервале (5й..60)*10 3 циклов нагружения и разгружения материала.

В работе дана попытка описания ветви - петли гистерезиса, так как имея аналитическое-описание и механические свойства материала, можно прогнозировать расчетным путем ресурс при подборе материале на стадии проектирования автомобиля. Расчет долговечности произведен по скорости рассеяния энергии, которая определена по криво! наклона до начала и после появления микротрещин, рис. 4.1.

Рис. 4.1 Кривые изменения площади петли гистерезиса и поверхностной твердости материала при кручении от количества циклов нагружения и разгружения при т=65 МПа:

1 - твердость незакаленной стали 45; 2 - площадь петли гистерезиса незакаленной стали 45; 3 - твердость закаленной стали 45; 4 - площадь петли гистерезиса закаленной стали 45

Т Т

НУ ДА

с

циклы

V 106

Показанные на рис. 4.1 точки (Ь) и (с) обозначают начало появления микротрещин в материале при циклическом нагружении. Способ определения начала появления микротрещин защищен авторским свидетельст-

вом. Исследованию подвергались рессоры, пальцы крепления амортизаторов к мосту и раме, кожух переднего моста автомобиля УАЗ- 3303, первичный вал коробки передач и полуоси. По величине ДАГ можно определить относительное рассеяние энергии (коэффициент поглощения энергии) -ф= J(К)/П. где П-потенциальная энергия материала; относительную величину , где коэффициент поглощения энергии при фиксированном напряжении после п циклов нагружений с амплитудой бх • -значение коэффициента поглощения энергии при том же фиксированном напряжении до начало появления микротрещин; ¿¡-фон внутреннего трения (СГ1 =б/я, где 5 -логарифмический декремент колебаний образца).

4.4 Ограничения по механическим и энергетическим свойствам материала

Обеспечение прочности и долговечности детали направлено на оптимальный выбор материала, удовлетворяющего допустимым напряжениям изгиба, кручения и температурным условиям. Определение качества материала, обеспечивающее долговечность детали, произведено по энергетическим свойствам. Использовалось и условие минимума скорости роста остаточной энергии при циклическом нагружении и разгружении, представленное в виде . г

J = 1ШЗ/ XIз) - min .

• 3 = 1

на ААГ . .

при I —ц(б,£)VmKn<[J(N)], где Jj -скорость рассеяния энергии после 1=1 лиц

появления микротрещин; XiJ-количество циклов в 3-м и i-м интервалах; ДА1- изменение площадь петли гистерезиса; AHV - изменение поверхностной твердости материала не должно превышать [AHV]; i|K [ijj]; Х>Ш.

При расчете сложных деталей рекомендована теория подобия/ Учитывая разброс механических свойств материала, вероятность безотказной работы рассмотрена по энергетическим его свойствам с вероятностью неразрушения 0, 9. Вероятность заданного ресурса обеспечивается технологическим способом. Изготовленная деталь до термической обработки. подвергается циклическим нагружениям до начала появления микротрещин, после чего она подвергается термической и механической обработке и поступает на сборку. В результате скорость роста микротрещин снижается в 2...2,5 раза по сравнению с существующей технологией.

- 26 -

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЯ

5.1. Алгоритм расчета параметров автомобиля Из рассмотренных выше основных положений стратегии оптимального проектирования разработаны алгоритмы для расчета автомобиля по уровням сложности, реализующие методы многошаговой итерации. Анализ существующих алгоритмов оптимизации (симплекс метод, метод штрафных функций, метод Фибоначи, квазиградиентные методы, метод Ньютона, метод множителей Лагранжа, динамическое программирование, методы случайного поиска) показал, что известные методы не позволяют реализовать поставленную задачу вследствие несходимости функционала. Для решения оптимизационной задачи использован метод штрафных функций с использованием логарифмического штрафа в сочетании с методом Краута с заданной точностью е, который представлен в общем виде

Нт) = f (3, т) ± W, где Г(3,г) - целевая функция; W = R f(ln{ru,h(x)1;)}n- функция штрафа, которая является функцией,, задающей область Парето; R - коэффициент штрафа; ги - матрица коэффициентов штрафа; f(Inirjh(x)5}" логарифмический сплайн' условий и ограничений целевой функции; h(x)lj - матрица параметров оптимизации; п - показатель степени.

В нашем случае f(*i.) - функция, подлежащая минимизации - это функция с ограничениями и варьируемыми параметрами. При минимизации функционала в заданной области возможен выход его из этой области, но этому будет препятствовать штрафная величина и отклонение переходит в другую сторону с целью поиска минимума значения до заданной степени точности. Блок-схема алгоритма расчета оптимальных параметров автомобиля представлена на рис. 5.1. Здесь использованы выражения: N - количество условий и ограничений; t - точность решения; X - вектор начальных приближений; SILUR - процедура вычисления системы линейных уравнений.

В рассматриваемой задаче оптимизации использованы вышеперечисленные методы оптимизации. Управление процессами работы программы производится автоматически за счет использования вспомогательной (управляющей) программы, что свидетельствует о новизне в программировании. Процедура поиска минимума функционала производится следующим образом:

Шаг 1. Вызвать подпрограмму SILUR для вычисления штрафной функции Шаг 2. Начать итерационный процесс, который связан с построением штрафной функции и набором штрафных параметров.

Рис. o.l Блек- схема алгоритма расчета оптимальных параметров автомобиля

Шаг 3. Линеаризовать системы уравнений (если они нелинейны) и решить линейные уравнения для определения текущего значения переменных функционала.

Шаг 4. Проверить условия ограничения, если полученные значения переменных полностью вкладываются в область ограничения и при этом значение функционала отклоняется от предыдущего значения на минимальную величину, решение найдено. Если нет, то переходим к следующей итерации. Все последующие процессы повторяются. При этом вычисленные новые коэффициенты полученных параметров и переход к построению штрафной функции на данном шаге определяют направление локального поиска по параметру, дающему максимальный вес функции. Причем условия и ограничения всех уровней повторяются и устанавливаются пределы. Блок-схема алгоритма расчета амплитудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) агрегатов автомобиля приведен на рис. 5.2. По результатам расчета АФЧХ определены спектральная плотность колебаний агрегатов, влияющих на динамическую систему компоновки автомобиля. Блок-схема алгоритма расчета спектральной плотности показан на рис. 5.3. Приводятся блок-схемы алгоритмов расчета напряжений и спектральной плотности конечных элементов рамы при различной скорости движения автомобиля,рис. 5.4. и рис. 5.5.

5.2. Результаты оптимизации параметров автомобиля

Разработанные математические модели среды оптимизации реализованы в виде комплекса прикладных программ на IBM AT "0PTIUM" и прошли опытную эксплуатацию при выполнении опытно-конструкторских работ в АО "УАЗ", в процессе которых была подтверждена адекватность моделей, отработаны вычислительные аспекты и методика постановки оптимизационных задач.На рис. 5.6 и 5.7 приведены результаты оптимизации симплекс методом и методом штрафных функций, которые не дали положительных результатов.

иь

Uh

10

1 17

1/ J \

J / 1

12 24 36 48 60

72

12 24

36 48 60 72

Nltr Hitr

Рис.5. 6 Сходимость системы решения Рис.5.7 Сходимость системы реше-функционала симплекс методом ния функционала методом штраф-

ных функций

Рис. 5.2 Блок-схема алгоритма расчета ашлигудно-фагочастотных характеристик агрегатов ,

Ввод исходных коэффициентов системы уравнений, табличных еначенкй Sz при У- war

Решение системы

лин&Ёных уравнений

с использованием

п п. SAUSS

„

VJ VJJTU % о

., Вьтсдекие

\ Sz (<i>) 1 -! й£Х j8 i Sq (h) a j

Вывод результатов расчет!Se|на печать при различных й и 4i

Рис.5.3 Блок-схема алгоритма расчета спектральной плотности колебаний отдельных масс автомобиля

I—2-

I Назначение посто-I янных параметров I N=17;a=l+0.3j;k=l; 1 ¿=1; LIST=1

¡Вычисление постоянных (коэффициентов при неиз !вестных матрицы!А13I |(вещественных и комплексных чисел)

г~4-1--

(Начало цикла ¡по ü> = 0...N | шаг 0.1.

I____

вычисление коэффициентов |при неизвестных матрицы IAiJ, зависящих от ш и

Sz

ш

|-6-1-

I Решение системы уравнений 1 |А|*|X Ы FI методом | GAUSS с комплекснши I числами

©

г-7—

I Формативный I вывод резуль-Iтатов

!—8— 1—

(Переназначение ( Sz

Формативный вывод wXi

г-Ю—

(Конец цикла по (1)

(2)

Рис. 5.4.Блок-схема алгоритма расчета перемещений точек элементов рамы автомобиля

(нача^)

г-2-1-1

|Ввод матрицы! I I А1Л |

I_,_I

|Ввод таблицы зна- | |чений спектральной! I плотности неров- I |ности дороги БцШ)!

г~4-1-

Щикл по скорости

I движения IУ=30;50;60 км/ч

г5—1-1

I ш =0 I

|___I

Щикл по 1=0..

г-7-1-,

I Пересчет матрицы | -|А (1з) с учетом | ¡частоты колебаний]

-1-,

IВызыв п П-КИАит!

г-9-,

Щикл поз=(0.. .Ю I -Щ- поряд. системы|-

г 10—-,

I ХЗ=ХЗ*ш2 | 1-,-.

г11—1-1

I Хз=ХЗг I

1-12—1-

!Ха=ХЗ*Зд(п)

г13-1-

(Конец цикла I по хи

г-14-1-1

Вывод на печать! ХЗ I

—15--1-,

ш = ш +0. 5 |

_I

I

-16-1-,

Конец цикла! по 1 | 1------1------^

I—17—1-,

I Конец цикла| по VI I

Рис. 5.5 Блок-схема алгоритма расчета спектральной плотности распределения напряжений элементов рамы

Положительные результаты получили при решении задачи методом лтрафных функций с использованием логарифмического штрафа (ШФЛШ) в з сочетании с методом Краута (рис.5.8). Составленная программа оптимизации обеспечивает устойчивость решения функционала. В ней использованы методы, основанные на замене аналитического вычисления производных в градиентных алгоритмах численными. В библиотеку программ включены как градыентные и квазиграды-ентные. так и прямые методы. Целесообразность использования метода штрафных функций обоснована реше-Рис.5.8 Сходимость решения функ- нием задач нелинейного программи-ционала методом (ШФЛШ) рования. Программа состоит из осно-

вной и управляющей части, обладающей свойством "самообучения". По мере накопления " опыта" управляющая программа строит стратегию решения и выбирает из библиотеки программ "подходящие" подпрограммы для наиболее удачного решения, соответствующего метода оптимизации. Программа разработана с учетом системного единства, развития, совместимости, технологичности, применения стандартных средств и адаптируемости. В табл.5.1 приведены результаты оптимизации. При снижении подрессоренной массы и повышении мощности двигателя можно обеспечить экономию затрат в сфере эксплуатации. При анализе процесса колебаний определен коэффициент усиления от воздействия неровностей дороги на двигатель и выявлена необходимость использования элементов подвески двигателя с переменной жесткостью.

Таблица 5.1.

Результаты оптимизации первого уровня сложности

Наименование параметров I ■ 1 1 существующие | рекомендующиеся

1 1 2 | 3

Подрессоренная масса, кг I 1170 | 1073

в том числе:

двигателя 1 145 | 142

коробки передач 1 34 | 30

рамы 1 104 1 93

кузова 1 239 | 215

Продолжение таблицы 5.1

1 2 3

Эксплуатационные затраты на:

текущий ремонт, руб/кВт ч 0.0167 0. 0128

капитальный ремонт, руб/год 548 568

ремонт шины, руб/год 137,9 137,9

топливо, руб/год 1200 1120

Мощность двигателя, кВт 55,2 73,5

Расход топлива, л/100 км 15,6 15,2

Периодичность обслуживания, км 4000 4000 Кто

Надежность 0,82 0,87

Примечание: эксплуатационные затраты приведены по данным 1991 г.

На рис. 5.9 показаны амплитудно-фазочастотные характеристики угловых и вертикальных колебаний (АФЧХ) рамы и двигателя.

Как вертикальные, так и угловые колебания оказывают влияние на прочность несущей системы и плавность хода автомобиля.

а) б)

Рис. 5. 9 Амплитудно-фазочастотные характеристики угловых и вертикальных колебаний агрегатов автомобиля УАЭ-3303: при жесткости подвески двигателя 'Сг= 64680 Н/м: а) - рама; б) - двигатель

По АФЧХ масс можно определить влияние основных параметров на колебания и динамику системы подвески при случайном воздействии. Случайный процесс характеризуется спектральной плотность» и определяется как преобразование Фурье от корреляционной функции. По вычисленным значениям спектральной плотности колебаний масс можно определить среднюю техническую скорость движения в заданных дорожных условиях в виде

(ш0 ) <1>0

уср= - ,

2Я8г (ш0) ехр | Щ121 ехр [- 2ш0 /2яУа | щ |2 ] Дш где Бг^) - спектральная плотность колебаний подрессоренных масс при скорости движения от Уга1п до Угаах; ш 0 - начальное значение частоты колебаний при Зг(ш0) - начальное значение спектральной плотности колебаний при со0; | квадрат модуля частотной характеристики системы; ш0/(2лУ1) - среднее число колебаний подрессоренной массы, приходящееся на длину волны неровности дороги; Ды - шаг квантования.

На рис. 5.10 приведены результаты обработки записи сигналов колебаний подрессоренной массы автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ. Величина средне-квадратического вертикального ускорения в полосе частот 0.7...22.4 Гц превышает значения на 30...40 % нормативного ОСТ 37.001.291-84.

Г (V) -►

Рис.5.'10 Изменение спектральной плотности виброускорений подрессоренной массы при скорости движения 50 км/ч по грунтовой дороге; 1 - автокорреляционная функция; 2, - спектральная плотность; 3- интегральная спектральная плотность виброускарений

Результаты исследований показали,что скорость движения автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ повышается с оптимальной подвеской на 3,7 %. Влияние коле-

баний подрессоренных масс на амплитуду напряжений в граничных точках элемента рамы автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ при частоте колебаний .11,5 Гц, движении скорости 30 и 60 км/ч показано на рис. 5.11

Рис. 5.11 Спектральная плотность распределения напряжений в элементе рамы при движении 30 и 60 км/ч

По результатам спектральной плотности определены переходные процессы. На рис. 5.12 приведены графики переходного процесса.

а) ' -

Рис. 5.12 Колебательные процессы а) расчетные переходные процессы, б) ускорения колебаний подрессоренной массы:

а) 1-переднего колеса; 2- рамы; б) 3-расчетный;^экспериментальный

5.3 и 5.4. Результаты оптимизации параметров автомобиля второго и третьего уровня сложности

Исследованы влияния колебаний подрессоренных масс на напряженность конструкции рамы автомобиля при заданных нагрузках. Расчеты выполнены вариационно-разностным методом. Результаты сравнивались со значениями, полученными после статического тензометривания. Ре-

гистрация напряжений осуществлялась при кручении порожнего и груженого автомобиля влево и вправо на угол равный примерно 3°. При действи кососимметричной нагрузки на несущую систему порожнего автомобиля наиболее нагруженными являются: лонжерон рамы в зоне крепления двигателя на задние опоры, максимальное напряжение достигает от 70 до 80 МПа; в поперечине N1 и N3 - от 60 до 104 МПа. При скорости движения 30,50 и 60 км/ч определены спектры напряжений в узлах и средней части элементов рамы. Графики спектральной плотности распределения напряжений обладают большой наглядностью и удобством их использования при исследовании и расчетах оптимальных параметров рамы автомобиля. Полученные данные показали, что параметры отдельных элементов отличаются между собой. В этом случае можно принимать зечения элементов такими, которые обеспечивают технологичность изготовления. используя закрытые с прорезями (окнами) и открытые профи-пи по длине лонжерона.

В табл. 5.2 приведены результаты оптимизации параметров трансмиссии автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ.

Таблица 5.2

Параметры трансмиссии автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ

Результаты оптимизации

Показатели Существующие Дорожные условия

Асфальтирован Грунтовые

1 2 3 4

1ередаточное число главной 4,625 4,54 4.89'

передачи

1ередаточное число первой 4,124 4,19 4,39

[ередачи

'яговая сила на первой

¡ередаче

ир=1, 0 7592 7846 9097

11р=1. 94 14728 15480 17173

1ремя разгона на первой

[ередаче, с - 0,23 0,25

Продолжение таблицы 5

1 1 1 2 1 3 1 1 4

Угол подъема с учетом и 1 1 1

без учета раздаточной | 31/10.6 33/15.9 | 32/14

коробки, град. 1 1

Передаточное число |

второй передачи | 2,641 2,67 | 2,84

Передаточное число | 1

третьей передачи | 1,58 1,42 | 1,58

Время разгона на четвертой | 1

передаче на расстоянии | 28/52 21/46 I 29/54

400-1000 м в с

Сравнения динамических характеристик автомобиля с оптимальны передаточными числами с аналогом показали, что В1тах¥1ор1=1,бЗ; аналога - 1,13.

После проведения оптимизации параметров автомобиля на верхн уровне динамическая характеристика автомобиля повышается на 30% сравнению с аналогом и обеспечивает экономию топлива на 12%. Сред няя скорость движения автомобиля с оптимальными параметрами тран миссии повышается на 6,3%, а время разгона снижается на 3%.

Что касается тормозной системы, то были достигнуты некоторые п ложительные результаты, удовлетворяющие требованиям по устойчивое торможения, изложенным в правилах N13 ЕЭК ООН. Обеспечение устойч вости торможения автомобиля позволяет повысить среднюю скорое и активную безопасность движения, топливную экономичность.

Реализация разработанного итерационно-иерархического подхода среде оптимизации параметров автомобиля на стадии проектировани позволяет обеспечить возможность решения задач прочностного, дин мического и экономического расчета с учетом эксплуатационных свой автомобиля и дорожных условий.

В табл. 5.3 приведены сравнительные результаты исследования о тимальных параметров автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ.

Таблица 5.3

Сравнительные результаты параметров автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ

Эксплуатационные свойства

Измерители и оценки параметров

Оптимизации

Пг

до

после

Грузоподъемность

Скоростные свойства

Топливная экономичность

Надежность

Проходимость

Тормозные свойства

Номинальная грузоподъемность, т | 0,8 Коэффициент использования грузоподъемности | 0,63

Максимальная скорость, м/с | 28. О Интенсивность разгона на 400 и 1000 м, с | 28/52

Средняя техническая скорость, м/с | 12,7

Экономическая характеристика при V = 24,3 м/с, л/100 КМ| 18,9 Средний эксплуатационный расход топлива, л/100 км I 15, 6

Вероятность безотказной работы 1 0, 82 Пробег до капитального ремонта, тыс.км (1 категория условий эксплуатации) 1 >200 Средняя трудоемкость текущего ремонта на 1000 км пробега, чел-ч |0.00167

Распределение снаряженной и полной массы по осям (передняя/задняя) 192/725

1200/1410

Динамический фактор на I 0,31

низшей и высшей передачах I 0, 37 Коэффициент сцепной массы | 0,439 Тормозной путь при У= | 0,54

=70 км/ч и ^ам=5,7м/сг ,м | 17 Тормозной динамический фактор | 0,336

1,0

0,7 29,7

21/46

13,6

16,6

14,2 0,87

>200

0.00128

882/721 1180/1387 0,251 0,057 0,525 0,471 16

0,354

1

Продолжение табл.5.3

1 2 1 3 1 1 4 1 ■■

Удобства исполь Собственная частота 1 1 1 1

зования и плав- колебаний, Гц 1 1,8 1 1,72

ность хода Приведенная жесткость 1 1

подвески, Н/м 156840 1 46870

Соотношение подрессоренных 1

и неподрессоренных масс (5,913 I 5,75

Приспособлен- Пробег между обслужива- ! 1

мость к обслу- ниями, тыс.км 14000 1 4000 Кто.!

живанию и ремон- 13600 I 3600 Кто.2

ту 13200 1 3200 Кт0_з

Использование Показатель использования 1 1

массы собственной массы ! 2, 063 I 2,003

По результатам исследований параметров автомобиля уточнено значение интегральной оценки конструкции автомобиля по методике, изложенной в Инструкции И- 37.001.017. Значения коэффициентов весомости KBt соответствуют опытным данным экспертов. Суммарный удельный показатель оценки оказался на 22% выше, чем у аналога.

Выбор оптимального материала для изготовления рамы автомобиля УАЗ выполнен по механическим, энергетическим и ресурсным свойствам при заданной наработке 40 тыс. кВт. ч. При значении функционала 0.186*10~4 руб/кВт.ч и бэ =495,3 МПа соответствует качественной углеродистой стали 35 вместо используемой стали 20ЮА. Подвергались проверке материалы для изготовления первичного вала коробки передач при крутящем моменте двигателя 170 Н.м и длине вала 0,0077 м. Значение функционала составило 0,00098, бэ=492 МПа и соответствует стали 30 при диаметре вала 32 мм.

6. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 6.1. Устройство для измерения ресурса и оптимальных режимов движения

Впервые ресурс автомобиля и деталей выражен через затраченную энергию автомобиля в кВт.ч. Для измерения энергии разработаны и изготовлены приборы, некоторые из них переданы в АО открытого типа "УАЗ". Принцип работы основан на измерении индикаторной мощности

- 41 -

двигателя, которая интегрируется по времени ^/Р^.

Энергозатраты двигателя определены косвенным методом, выразив их в зиде

Л=/[К!(650-ЛР1) (пдв - 600) - (650/ДР! + гц /600) + К2]

где К1.К2- постоянные коэффициенты, зависящие от параметров двигателя и скорости скольжения поршня; А?!-давление во всасывающем тракте; п-частота вращения вала двигателя. Значения стендовых испытаний г! показаний мощности двигателя по прибору- идентичны. Датчик давления работает в интервале температур +50 до -60 °С и выдерживает перегрузочные давления: по верхнему пределу 790 мм рт.ст., по нижнему - 8 мм рт.ст. Погрешность измерения +0.2%. Разработан новый датчик давления (а.с N1751646),простой по конструкции, обладающий большой чувствительностью 0,3 мВ/мм рт.ст.и нелинейностью искажения 0,05 %. За рис. 6.1 показаны результаты измерения погрешности прибора ИРМ-З. Общая погрешность прибора на малых частотах вращения вала двигателя составляет 10,0 %.

Рис.6.1 Изменение погрешности показаний прибора:

а) - в зависимости от частоты вращения вала двигателя;

б) - в зависимости от давления во всасывающем тракте;

1,2,3,- три группы двигателей (по две единицы)

В табл. 6.1 приведены результаты дорожных испытаний автомобиля Ш-3303 без груза на асфальтированной дороге. Расход энергии при скорости движения 40 км/ч составил меньше,чем на остальных. Расход топлива измеряли с помощью расходомера с погрешностью измерения не золее 0,1 55.

Таблица 6.1

Результаты измерений показаний

Наименование показателей

Скорость движения,км/ч 30 | 40 | 60 | 81

80

Расход топлива, см3 Время движения, с Расход энергии, кВт*ч

(3

136 | 131 I 156 I 194 118,7| 87,7 | 58,9 I 43,9 0,327| 0,298| 0,343 | 0,468

С целью расширения функциональной возможности прибора и осуществления диагностики работы двигателя и муфты сцепления в него введен дополнительно канал корректировки измерения величины расхода энергии в зависимости от времени движения автомобиля и пробуксовки муфты сцепления. Приципиальная схема такого устройства приведена в материалах диссертации. Всего разработано шесть разновидностей приборов, на которые получены авторские свидетельства.

В транспортных средствах может быть использована система автоматического управления двигателем, а также система бортовой диагностики автомобиля. Система автоматического управления режимами работ транспортного средства, соответствующая оптимальному расходу энерга затраченной за время %1, обеспечивает минимум расхода топлива и сре ств в сфере эксплуатации.

6.2. Устройство для измерения расхода топлива

Практика показала, что критерием оценки использования транспортных средств является энергетический показатель, который наиболее "чувствителен" к условиям эксплуатации и техническому состоянию автомобиля.

Для вычисления энергетического показателя необходимо, кроме замера расхода энергии на выполнение транспортной работы, измерять г общий расход топлива с помощью расходомера, который содержит управляемые бесконтактные клапаны, регулирующие объем дозируемого топлива с помощью электронных ключей и имеет температурные компенсаторы. Разработан более совершенный расходомер, принцип работы которогс основан на измерении плотности жидкости. Принципиальная схема расходомера составлена на полупроводниковом лазерном передатчике ь приемнике (а. с. СССР N 1271203 ДСП). Излучаемый луч проходит черег поток бензовоздушной смеси и в зависимости от ее плотности меняете?

энергия лучистого потока, передаваемого к приемнику. Каждому состоянию потока смеси соответствует определенная порция чистого бензина (дискретная порциия кванта- энергии), величина которой равна е= 1мл, "де П - постоянная Планка; ш= 2зги, а и- частота излучения. Погло-цение лучистой энергии равно разности энергий соседних состояний тотока и однозначно соответствует частоте перехода из одного состояния в другое. Вероятность поглощения лучистой энергии, "частота кванта" которой равна и, пропорциональна концентрации смеси на ниж-:ШХ (невозбужденных) уровнях энергии, то есть числу возможных перекодов с бедной смеси на богатую или наоборот. На специальной установке определены длина волны для бензина и воды. На длину волны Эензина настраивается полупроводниковый излучатель из теллура с электронным возбуждением. В зависимости от концентрации смеси изменяется лучистый поток, который воспринимается полупроводниковым приемником, выходной сигнал которого пропорционален расходу топли-за.

6. 3. Устройство для измерения массы перевозимого

груза

Обеспечение оптимального нагружения за счет массы перевозимого груза требует измерения ее непосредственно на автомобиле. Разработано несколько вариантов измерителя нагрузки. Первый из них содержит двухступенчатый цилиндрический редуктор, входной вал которого соединен с осью машины через рычаг, выходной вал - со шлицами, соединенными с шестерней второй ступени; имеет движок кольцевого потенциометра и соединен со штоком электромагнита, обеспечивающего выключение потенциометра при движении автомобиля.

Второе устройство содержит электромагнит с потенциометром и обладает возможностью "запоминания" результата измерения. Работает следующим образом: при нагружении кузова происходит деформация рессор и перемещение штока и постоянного магнита относительно катушки, на которую во время измерения подается постоянное напряжение. Магнитное поле вокруг постоянного магнита цилиндрической формы неоднородно, следовательно, в неоднородном поле на замкнутый контур с током (которым является катушка измерителя) действует сила Г. В случае совпадения направлений векторов В и"Р катушка с током будет перемещаться в сторону более сильного поля. Если направления В и Р противоположны, то катушка будет перемещаться в ту сторону, где поле слабое (к середине магнита). В результате взаимодействия магнитных силовых полей катушка занимает строго определенное положение относительно направления магнитного момента Рш

- 44 -

. . ав

Гш = вгай ( В Р) = Рш — ,

ах

где дВ/дХ - изменение вектора магнитной индукции датчика.

В звисимооти от деформации рессор движок потенциометра занимаем строго определенное положение, соответствующее нагрузке, о величине которой судят по напряжению, снимаемому с движка потенциометра. Подстроенные резисторы задают характеристику потенциометру пропорционально рессорам. Устройство защищено авторским свидетельством.

6.4. Устройство для измерения транспортной работы

Данное устройство включает разработанный датчик нагрузки и фиксе ции скорости движения с помощью тахогенератора ДП-И. Сигналы, поступающие с датчиков нагрузки и скорости, преобразуются в величину пропорционально транспортной работе. Сигнал линейно преобразуется в частоту следования импульсов, • которые просчитываются счетчиком, пс показаниям последнего судят о величине выполненной транспортной работы. Устройство защищено авторским свидетельством.

6.5. Устройство для управления модульным двигателем

Предложено новое устройство для управления двигателем модульного типа. Оно может быть выполнено по схеме, содержащей датчик загрузки, частоты вращения вала двигателя, три пороговых устройства, собранных на микросхемах 597 САЗ, три преобразователя напряжения в частоту (микросхемы 1108 ПП1), три счетчика делителя (микросхемы 155 ИЕ7), схему "ИЛИ"(микросхема 155 ЛЛ1), дешифратор управления, электронный ключ, три усилителя мощности, работающие в ключевом режиме и электромеханический счетчик. Это устройство позволит в зависимости от нагрузки на ведущие колеса включать каждый модуль в отдельности или совместно. Поочередное включение модулей при минимальной нагрузке на двигатель снижает расход топлива и увеличивает моторесурс двигателя. Устройство защищено авторским свидетельством.

- 45 -ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Выполненные экспериментальные исследования и теоретические обоб-(ения позволили решить научную проблему разработки основ параметри-:еской оптимизации при проектировании автомобиля и констатировать: 1. Разработан новый итерационно-иерархический подход к парамет-ической оптимизации автомобиля по уровням сложности; каждый 'ровень характеризуется критерием оптимальности и системой ограни-[ений, комплексные выражения которых обеспечивают разработку мате-¡атических моделей конструкций, отвечающих требованиям социальным и ¡аконодательным, производственным и эксплуатационным.

2. В результате выполненных исследований научно обоснованы и фактически реализованы стратегия и методология дискретной оптимизации параметров, позволившие обеспечить дальнейшее совершенство-¡ание технико-эксплуатационных свойств автомобиля. Представленная :тратегия оптимизации составлена в едином межотраслевом техни-;о-экономическом комплексе, включая автомобильную промышлен-юсть, транспорт и дороги. .

3. Построение, математической модели среды оптимизации обеспечено 1а основе системного подхода путем декомпозиции общей стратегии фоектирования и постановки подзадач на различных уровнях, отличающихся числом рассматриваемых релаксационных ограничений, варьируемых параметров с последующим их объединением в единую эквивалент-1ую модель.

4. Теоретические исследования, проведанные на структурных иерар-сических уровнях сложности, позволили математически формализовать фитерии с ограничениями и представить их как функционалы безуслов-юй оптимизации, минимизация которых позволяет определить основные технико-эксплуатационные свойства автомобиля такие, как тягово-ско-зостные, топливно-энергетические и тормозные, плавность хода и надежность на верхнем уровне; уточнить параметры трансмиссии и характеристики по усталостной прочности несущих систем на втором уровне \ деталей - на третьем.

5. Разработанный метод динамической компоновки автомобиля создает ювый принцип проектирования, решает проблему контроля динамически процессов при колебании подрессоренных масс и дает возможность тринять общие конструктивные решения по уровням, что позволило разработать новую конструкцию подвески (а.с.1587819) и гидропневмати-■геский упругий элемент (а. с. 1744478).

6. Предложен (а.с.1364855),теоретически и экспериментально обосно-

ван способ определения ресурса детали, при котором образец матерр ала подвергается знакопеременному циклическому нагружению.При ис питании образца измеряется число циклов нагружения, замеряете площадь петли гистерезиса и поверхностная твердость,на основе кс торых определены начало появления микротрещин и скорость их рост при циклическом нагружении, обеспечивающие возможность прогнозирс вания ресурса детали и выбора материала при проектировании. 7. Разработанный гибкий алгоритм оптимизации является целостной комплексной системой, включающей решение релаксационной задачи

использованием метода квадратичной штрафной функции и логарифмического штрафа в сочетании с методом Ныотона-Рафсона и Краута, а также множителей Лагранжа и Гаусса. Комплекс прикладных програ состоит из двух частей: управляющей и основной, обладающей свойств "самообучения" и принципами системного единства, развития, совмест мости, технологичности и адаптируемости, обеспечивающими снижен стоимости программы и удобство пользования.

8. Решение оптимизационной задачи позволило уточнить параметры а томобиля УАЗ-ЗЗОЗ.Удельная стоимость составила 0,0504 руб/т*км пр грузоподъемности 0,8 т, а удельная трудоемкость - 0,0176 нормо-ч/т (кВт*ч/т*км). При этом достигнуто повышение средней скорости движ ния на 6,3 %, топливной экономичности на 12%, вероятности безотка ной работы на 6%, снижение средней трудоемкости текущего ремонта 5,1 %, металлоемкости на 2,03% и собственной частоты колебаний по, рессоренной массы на 5,5 %. Определены значения спектральной плоти ти распределения напряжений элементов рамы при различных частот колебаний автомобиля. Результаты исследований плотности распредел' ния напряжений использованы при расчетах рамы автомобиля. При увел: чении жесткости рессор и шин, мощности двигателя и других постоянн] параметров существующей конструкции автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ можно пов) сить грузоподъемность до 1,0 т.

9. Впервые разработаны и изготовлены защищенные авторскими свидетельствами опытные образцы системы измерительных приборов для учета

расхода энергии двигателя и топлива, транспортной работы. Опытны! образец прибора ИРМ-3 для учета расхода энергии двигателя позволяв' определить энергетические потери в трансмиссии при проведении испытаний автомобилей, ресурс деталей при эксплуатации и возмонност! использования для бортовой даигностики. Предложены устройства д. управления режимами движения автомобиля, обеспечивающие сниженш

расхода топлива на километр пробега от 15 до 20 % по сравнению с установленной нормой.

10. Результаты исследования оптимальных параметров автомобиля УАЗ-ЗЗОЗ внедрены в производство АО "УАЗ", они позволили получить годовой экономический эффект в сфере изготовления 215 тыс. руб. и в сфере эксплуатации в УПАТО-1 508 тыс.руб. Общий экономический эффект составил 723 тыс. руб. по ценам 1991 г. и 15 млн.руб по результатам внедрении в 1994 г. в УГАТП-4.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Дьяков И.Ф. Оптимальные задачи надежности транспортных машин. //Исследование оптимальных металлоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та. 1975. Вып. 1, с. 61-67.

2. Дьяков И.Ф. Энергетический метод расчета деталей на прочность //Исследование оптимальных металлоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1976, с.61-63

3. Дьяков И.Ф. Влияние микропрофиля дорог' на повреждаемость конструкции // Автомобильная промышленность. 1980. N 6, с. 18-19.

4. Дьяков И.Ф. Оптимизация подвески грузового автомобиля // Исследование оптимальных металлоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин.Саратов:Изд-во Сарат.гос.ун-та.1980, Вып.3,с.40-49.

5 Дьяков И.Ф. Влияние процесса управления на энергетические потери автомобиля // Механика и процессы управления. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1981, с. 47-49.

6. Дьяков И.Ф. Выбор оптимальной периодичности технического обслуживания автомобилей // Автомобильный транспорт, 1981. N 12, е.,37-38.

7. Дьяков И.Ф. К вопросу оптимизации конструктивных параметров автомобиля // Автомобильная промышленность, 1982, N 7. с. 14-15.

8. Дьяков И.Ф. Выбор оптимальных передаточных чисел коробки передач транспортных машин // Исследование оптимальных металлоконструкций и деталей подъсмно-транспортных машин. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1984, с. 18-23.

9 . Дьяков И.Ф. Выбор материала при проектировании деталей автомобиля // Автомобильная промышленность, 1985. N 1, с. 15-16.

10. Дьяков И.Ф. Прибор для учета работы автомобилей // Автомобильный транспорт. 1986. И 11, с. 41-42.

- 48 -

11. Дьяков и.Ф., Моисеев Ю.В. Эффективный прибор-// Автомобиль ный транспорт, 1986. N 4, с.38-39.

12. Дьяков И.Ф., Свиридов В.А. Расчет местных сварных швов напряжений методом конечных элементов // Механика и процессы управления. Саратов;Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1986, с. 46-52.

13. Дьяков И.Ф., Кочкарев В, С. Управление электромагнитным расходомером с помощью герконов // Обмен передовым опытом в автомобилестроении. Экспресс-информация. М.: 1973. N 12, с. 17-19.

14. Дьяков И.Ф., Петухов М.А. Энергетическая оценка работоспособности изделий // Исследование оптимальных металлоконструкций i деталей подъемно-транспортных машин. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1980. Вып. 3, с. 60-62.

15. Дьяков И.Ф. Эксплуатационный прибор для замера расхода топлива // Автомобилестроение, 1972. N 11, о. 17-19.

16. Дьяков И.Ф. Методы оптимального выбора материала при проектировании деталей транспортных машин // Исследование оптимальных ме таллоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин. Саратов: Изд-зо Сарат. гос. ун-та, 1989, с.72-77.

17. Дьяков И.Ф. Оптимальное проектирование грузовых автомобилей. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1989, 123 с.

18. Дьяков И.Ф. К вопросу оптимизации геометрических параметров двигателя // Исследование оптимальных металлоконструкций и деталей подъемно-транспортных машин. Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та. 1991, с. 13-18.

19. Дьяков И.Ф., Шалунов A.A. и др. Прибор для бортовой диагностики автомобиля. Отраслевой семинар. //Вопросы электронизация автомобилей. Материалы семинара.- М.: Минавтосельхозмаш, 1990, с.112.

20. Дьяков И.Ф., Кузнецов В.А. Оптимизация параметров тормозной системы // Автомобильная промышленность, 1992. N 6, с. 19-20.

21. Дьяков И. Ф., Михатайкин Е. А., Зайцев В.А. Управляющая программа для оптимизации параметров автомобиля // Автомобильная промышленность, 1994. N 5, с. 19-21.

22.Дьяков И.Ф. Динамическая компоновка автомобиля // Автомобильная промышленность, 1995. N 4, с.17-19.

23. Дьяков И.Ф. Оптимальный выбор передаточных чисел коробки передач. Информационный фонд алгоритмов и программ. ОФАП НИИВО. Акт 94706, 21. 04. 94.

24.Дьяков И,Ф,, Логинов Н.П. Выбор оптимальной периодичности обслуживания автомобилей // Автомобильный транспорт,1989. N 12. с. 37-38.

25. А.с.M 688910 (СССР). Устройство для учета ресурса транспорты машин. Авторы: Дьяков И. Ф., Журавлев Ю. А., Старцев H. Н. Б. И. Э79. N 36.

26. A.c. N 987404 (СССР). Измеритель нагрузки. Авторы Дьяков .Ф.. Кочкарев В. С. Б.И. 1983. N 1.

27. A.c. N 1271203 (СССР). ДСП. Устройство для измерения расхода эплива. Авторы: Моисеев Ю.В., Дьяков И.Ф., СмагинА.А., Казаков .М., Ерепов А. С.

28. А.с.N 1254520 (СССР). Устройство для контроля работы двига-зля. Авторы: Моисеев Ю.В., Дьяков И.Ф. Б.И. 1986. N32.

29. A.c. N 1206825 (СССР). Устройство для учета работы двигателя нанспортной машины. Авторы: Моисеев Ю.В., Дьяков И.Ф.. Данкевич Г., Мартищенко К.И. Б.И. 1986. N3.

30. A.c. N 1174773 (СССР). Устройство для измерения нагрузки занспортного средства. Авторы: Моисеев Ю.В., Дьяков И.Ф. Б.И. 585. К 31.

31. О.и.к патенту РФ К 1190267. Устройство для испытания материала. АЕТОры: Дьяков И.Ф..Садриев P.M..Льяков В.И. Б.И. 1995. N 26. 52. A.c. К 1364855 (СССР). Способ определения усталостного поведения материала.Авторы: Дьяков И.Ф., Стильбане Г.3. Б.И.1988. N 1

33. A.c. К 1345223 (СССР). ДСП. Устройство для учета ресурса занспортных машин.Авторы: Дьяков И.Ф., Чернятьев Б.Б., Ермолаев В. А.

34.А.с. N 1320826 (СССР). Устройство для учета работы транспорт-)ro средства. Авторы: Моисеев Ю.В., Дьяков И.Ф. Б.И. 1987. Я 24. ). А.с. H 1453394 (СССР) Устройство для учета ресурса транс-фтных машин. Авторы: Дьяков И.Ф.. Казаков A.M. Б.И. 1989. И 3.

36. A.c. N 1502867 (СССР). Устройство управления двигателем ¡утреннего сгорания. Авторы: Казаков A.M.. Дьяков И.Ф., Какутин Ф. Б.И. 1989. N 31.

37. A.c. N 1661813 (СССР). Устройство для учета работы двигателя шепортных машин. Авторы: Дьяков И.Ф., Шалунов А. А. .Трофимов Ю., Грушин В. Н. Б. И. 1991. К 25&

38. A.c. M 1587819 (СССР). ДСП. Подвеска транспортных средств ¡торы: Дьяков И. Ф., Кузнецов В. А.. Черный А. II. 1991.

39. A.c. N 1631280 (СССР). Устройство для учета расхода топлива. ;торы: Казаков A.M., Дьяков И.Ф. Б.И. 1991. N 28.

40. A.c. N 1751646 (СССР). Преобразователь давления поршневого ;игателя. Авторы: Казаков A.M., Дьяков И.Ф. Б.И. 1992. N 26.

41. А.с. N 1693951 (СССР). ДСП. Гидропневматический упругий эле-

мент подвески транспортного средства. Авторы: Дьяков И.Ф., Кузнеце В. А. 1989.

42. А.с.К 1744478 (СССР). Устройство для учета расхода топлива. Авторы: Дьяков И.Ф..Казаков A.M. Б.И. 1992. N 24.

43. A.c. N 1754506 (СССР). Система автоматизированного управления режима работы транспортного средства. Авторы: Дьяков И.Ф., Кг зэков A.M. Б.И. 1992. N 30.

Основные научно-исследовательские работы, выполненные под руководством и при личном участии автора по теме диссертацю

44. Исследование оптимальной периодичности обслуживания автомобилей: Отчет о НИР/АО УГАТП-1. N 1252/81-23 Ульяновск 1961. 36 с.

45. Улучшение 'динамики, топливной экономичности автомобил5 УАЗ-3160: Отчет о НИР/АО "УАЗ". N 3026/92-39.Ульяновск, 1993. 56 (

46. Методы использования автомобилей на дорогах низкой категорш ности: Отчет о НИР/Поволжский филиал НИИАТ Т0-З05/71.М.1971.59 с.

47. Разработка элементов конструкций кранов и грузовых автомоби-с повышенной надежностью: Отчет о НИР Н13/92-ИН. Ульяновск,1992.i;

48. Разработка элементов конструкций кранов и грузовых автомобилей с повышенной надежностью: Отчет о НИР М 13/92- ИН. Ульяновск, 1993. 98 с.

49. Разработка элементов конструкций кранов и грузовых автомобилей с повышенной надежностью: Отчет о НИР N 13/92-ИН. Ульяновск, 1994. 65 с.

50. Нормы расхода запасных частей автомобилей ЗИЛ-130. Отчет о НИР N Н-07/72 Поволжский филиал НИИАТ. Ульяновск, 1972. 75 с.

Подписано к печати $Р.1Р 36 формат 60x84/16. Бумага писч Плоская печать. Усл. печ. л. 2,79. Уч. - изд. л. 2 Тираж НО экз. Заказ >Т/ Бесплатно Адрес Ульяновского гос. техн.университета и участка множ. техник. 432027, Ульяновск, Сев.Венец. 32.