Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса согласования совместной работы двигателя и трансмиссии 7
1.1. Анализ работы двигателя с различными типами трансмиссии 7
1.1.1. Анализ совместной работы двигателя и автоматической ьесступенчатой трансмиссии 8
1.1.2. Анализ совместной работы двигателя и механической ступенчатой трансмиссии 14
1.1.3. Формирование цели диссертационного исследования 20
1.2. Обзор работ, посвященных согласованию двигателя и механической ступенчатой трансмиссии 21
1.3. Постановка задач диссертационного исследования 39
Глава 2. Разработка методики поиска оптима значений передаточных чиселмеханической ступенчатой трансмиссии 43
2.1. Разработка экспериментально-расчётной модели движения автомобиля с механической ступенчатой трансмиссией 43
2.1.1. Методика получения экспериментальных данных для анализа работы системы «двигатель - трансмиссия» при стендовых испытаниях 43
2.1.2. Экспериментально-расчётная модель движения автомобиля с механической трансмиссией 46
2.2. Выбор и обоснование критериев оптимальности 54
2.2.1. Исследование совместной работы двигателя и трансмиссии в нагрузочном режиме 54
2.2.2. Ограничения при расчёте высшей и низшей передач механической ступенчатой трансмиссии 62
2.2.3. Формирование единого критерия оптимальностисовместной работы двигателя и трансмиссии 65
2.3. Выбор численного метода поиска оптимального решения 74
2.4. Формирование подхода к выбору оптимального в соответствии с поставленной задачей режима работы двигателя 76
2.5. Оописание методики поиска оптимальных значений передаточных чисел механической ступенчатой трансмиссии 80
Глава 3. Разработка методики получения модификаций базового легкового автомобиля, оснащённого механической ступенчатой трансмиссией 85
3.1. Анализ задачи формирования модификаций легкового автомобиля 85
3.2. Моделирование показателей экономичности и динамичности для автомобиля Лада Калина 90
3.3. Исследование влияния параментров двигателя на формирование модификаций автомобиля 98
Глава 4. Формирование модификаций для автомобиля ВАЗ-1118 «Лада Калина» 105
4.1. Параметры и характеристики работы двигателя и трансмиссии автомобиля ВАЗ-1118 «Лада Калина» 105
4.2. Формирование модификаций серийного автомобиля ВАЗ-1118, за счёт применения модифицированных (оптимизированных) передаточных чисел трансмиссии 108
4.3. Анализ применимости двигателей внутреннего сгорания для использования на автомобиле ВАЗ-1118 111
4.4. Формирование модификаций серийного автомобиля ВАЗ-1118 на основании предварительного анализа возможности использования других вариантов двигателей 116
Заключения и выводы 119
- Обзор работ, посвященных согласованию двигателя и механической ступенчатой трансмиссии
- Формирование единого критерия оптимальностисовместной работы двигателя и трансмиссии
- Моделирование показателей экономичности и динамичности для автомобиля Лада Калина
- Формирование модификаций серийного автомобиля ВАЗ-1118, за счёт применения модифицированных (оптимизированных) передаточных чисел трансмиссии
Введение к работе
Многообразие существующих в настоящее время автомобилей определяется ростом требований, предъявляемых к ним со стороны потребителей. При этом обязательным элементом автомобиля, как и ранее, остаётся энергетическая установка (двигатель), вырабатывающая или преобразующая энергию из одного вида в другой для выполнения полезной работы. Однако оптимальные режимы работы энергетической установки практически никогда не позволяют реализовать требуемые скоростные и нагрузочные режимы на движителе автомобиля. Поэтому между движителем и энергетической установкой находится ряд конструктивных элементов, которые в совокупности обычно называют трансмиссией.
С целью эффективного использования энергетических ресурсов, потребляемых автомобилем и реализации требуемых показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности в процессе проектирования или доводки автомобиля конструкции его двигателя и трансмиссии стремятся придать определённые свойства, позволяющие обеспечить наиболее полное согласование их совместной работы.
Эффективность процесса согласования совместной работы двигателя и трансмиссии, определяемая соответствием проектируемого автомобиля своему функциональному предназначению, во многом зависит от применяемых методов проектирования.
Ужесточение конкуренции в современном автомобилестроении, а также введение значительных энергетических и экологических ограничений указывает на то, что задача повышения тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля на сегодня весьма актуальна. При этом, очевидно, что для совершенствования процесса согласования совместной работы двигателя и трансмиссии требуется применение методов оптимального проектирования.
В сложившейся ситуации большой интерес представляют исследования направленные на раскрытие потенциальных свойств системы «двигатель -трансмиссия», с целью повышения эффективности преобразования энергии в исчерпавших возможности технического совершенствования механических ступенчатых трансмиссиях за счёт реализации оптимальных параметров и режимов управления двигателем и трансмиссией.
Анализ продукции передовых фирм - производителей автомобилей показывает, что в рамках практически каждой производимой ими модели реализуются различные варианты силовых агрегатов (различные типы двигателей, различные объёмы двигателей) и трансмиссий (различные типы трансмиссий, различные варианты передаточных чисел), что позволяет в рамках данных моделей обеспечить широкий диапазон эксплуатационных характеристик и существенно повысить их покупную способность.
В этой связи, встаёт также вопрос о необходимости разработки метода формирования рядов модификаций легковых автомобилей за счёт подбора наиболее приемлемых, в зависимости от поставленной задачи, параметров двигателя и трансмиссии автомобиля..
Обзор работ, посвященных согласованию двигателя и механической ступенчатой трансмиссии
С целью исследования общей структуры оптимизационного поиска параметров механической ступенчатой трансмиссии в рамках задачи согласования работы системы «двигатель - трансмиссия» был проведён анализ наиболее интересных научных работ, из числа выполненных в последнее время по данной тематике. На рис. 5 в виде блочной схемы представлена структура оптимизационного исследования передаточных чисел гидромеханической передачи предложенная Г. Коралевски в рамках, выполненной им диссертационной работы на тему: «Синтез законов управления и параметров гидромеханических трансмиссий колёсных машин» [121].
Предлагаемый в данной работе подход к поиску наивыгоднейших значений и наилучших сочетаний передаточных чисел механического редуктора ГМП, базируется на математической теории планирования многофакторного эксперимента, а именно на использовании планирования эксперимента нелинейного типа [9, 72]. Сущность этой идеи заключается в нахождении количественной взаимосвязи между изменением передаточных чисел и тягово-скоростными показателями либо показателями топливной экономичности разгона автомобиля в виде полиномиальной зависимости: где: U - выходной параметр (критерий оптимальности); Ь0 - свободный член, характеризующий среднее значение функции отклика при нулевых значениях всех факторов; Ь, - частный коэффициент регрессии, показывающий влияние фактора х, на функцию отклика; bif - коэффициент регрессии, характеризующий влияние сочетания факторов х, xf на функцию отклика; Ьи коэффициент регрессии, характеризующий эффект воздействия 2-го порядка факторов xt на функцию отклика; х. - кодированное значение передаточного числа на /-ой ступени ГМП, учитывающее значение передаточного числа главной передачи. В качестве выходных показателей оптимальности в данной работе используются следующие критерии: для оценки динамических свойств предлагается использовать такие показатели как время разгона tv, в течение, которого автомобиль достигает заданной конечной скорости VK при известной начальной скорости V0 время разгона ts, затрачиваемое на преодоление мерного участка пути S, а также критерий d, привлекающий к анализу одновременно все три параметра разгона (t, VK, S): где: t - время разгона; VK - конечная скорость разгона; S - путь разгона. Для оценки экономичности разгона - абсолютный расход топлива Q при разгоне автомобиля до заданной конечной скорости VK, а также вариационный критерий топливной экономичности є, учитывающий дополнительно пройденный путь S и позволяющий оценить экономичность разгона во взаимосвязи со всеми его показателями t, S и VK: где: G1V_ - часовой расход топлива двигателем при движении автомобиля с установившейся скоростью VK = const. Применение критериев d и є обуславливается отсутствием условия сравнимости процессов разгона автомобиля в случае использования в качестве критериев оценки непосредственно измерителей свойств топливной экономичности и динамичности.
Так критерий tv (время разгона до заданной скорости) является однозначным и непротиворечивым только в том случае, если выполняется равенство фазовых координат в начале и конце разгона (фазовыми координатами считаются скорость движения автомобиля v и пройденный путь S). Поэтому с целью соблюдения условия сравнимости процессов разгона колесной машины, в качестве критерия оценки динамичности предлагается соотношение (2), позволяющее привлечь к анализу одновременно все три параметра разгона: t, v , s. Ещё большая сложность возникает при определением понятия «топливная экономичность разгона», это связано с тем, что состояние объекта в этом случае отражают уже не три параметра, а четыре: помимо параметров t, vK, s, характеризующих динамичность разгона, необходимо ещё оперировать и величиной израсходованного топлива QA. Предложенный показатель экономичности є позволяет оценить исследуемый процесс разгона именно с точки зрения специфики его протекания, рассматривая его как отдельный вид движения машины. В отличие от критерия d, он, однако, обладает тем недостатком, что допускает сравнение разгонов только машин с абсолютно идентичными топливными характеристиками установившегося движения. Определение оптимальных передаточных чисел механического редуктора производится в ходе машинного эксперимента, предполагающего составление матрицы планирования, конкретный вид которой определяется типом планирования и числом исследуемых ступеней (число ступеней и диапазон изменения передаточных чисел всех ступеней задаются исходя из анализа моделей-прототипов). Реализация матрицы планирования заключается в последовательном применении всех показателей оптимальности для всех возможных сочетаний передаточных чисел путём расчёта разгона автомобиля на ЭВМ, для чего была разработана математическая модель имитационного моделирования движения автомобиля, основанная на представлении автомобиля с ГМП в виде трехмассовой эквивалентной схемы [44]. При этом для каждого из исследуемых сочетаний передаточных чисел предусматривается предварительное определение оптимальных моментов переключения. Найденные таким образом показатели оптимальности позволяют рассчитать численные значения коэффициентов регрессии, и установить количественную взаимосвязь между показателями оптимальности и передаточными числами ГМП, выраженными в закодированном виде. Исследование полученного таким образом регрессионного уравнения (1) на экстремум позволит получить оптимальные значения передаточных чисел механического редуктора ГМП, обеспечивающих минимум выходного показателя оптимальности. При этом предусматривается возможность поиска экстремальных значений как аналитическими, так и численными методами. Так если коэффициенты нелинейной взаимосвязи Ъи неотрицательны, то оптимальные значения факторов xi можно найти из условия существования экстремума функции, т.е. равенства нулю первых производных исследуемого уравнения. Если же условие неотрицательности коэффициентов нелинейной взаимосвязи не выполняется, то поиск оптимального решения производится с помощью численного метода, а именно метода наискорейшего спуска, являющегося модификацией градиентного метода.
Формирование единого критерия оптимальностисовместной работы двигателя и трансмиссии
Одним из резервов улучшения эксплуатационных характеристик автомобиля, оборудованного механической трансмиссией является оптимизация передаточных чисел трансмиссии, при этом для оценки эффективности работы системы «двигатель - трансмиссия» главным образом применяются измерители тягово-скоростных свойств и топливной экономичности. Но использовать данный резерв не очень просто, так как единого показателя, который бы полностью характеризовал топливную экономичность и динамичность машины, пока не найдено. Поэтому задача оптимизации решается зачастую при помощи анализа ряда частных критериев оптимальности, либо посредством обобщенных критериев [39,104,109].
Существует большое количество показателей эффективности используемых для оценки свойств топливной экономичности и динамичности автомобиля [24, 44, 54, 70, 77, 107, 111 и др.], но наибольшее применение в современном автомобилестроении нашли следующие показатели, которые можно использовать в качестве частных критериев оптимальности: время разгона с переключением передач до заданной скорости при известной начальной, tv (как правило, 0 ... 60 км/ч, 0 ... 90 км/ч или 0 ...120 км/ч, в зависимости от цели оптимизации); время разгона с места с переключением передач на заданном отрезке пути, ts (400 м, 1000 м); абсолютный расход топлива при разгоне до заданной скорости при известной начальной, QA (0 ... 60 км/ч, 0 ... 90 км/ч или 0 ... 120 км/ч); путевой расход топлива при движении с постоянной скоростью на заданной передаче, Qs (90 км/ч, 120 км/ч).
Обоснованием для выбора перечисленных критериев служит стремление использовать измерители эффективности работы системы «двигатель -трансмиссия», соответствующие наиболее характерным режимам работы автомобиля: разгон в городе до максимальной разрешенной скорости, разгон за городом и равномерное движение за городом.
Помимо приведённых частных критериев оптимальности, для оценки эффективности совместной работы двигателя и трансмиссии, в первую очередь для оценки топливной экономичности машин, часто используют ездовые циклы [115]. Наиболее распространенными в мире являются следующие ездовые циклы: европейский городской, американские и японские магистральные и городские [99]. В нашей стране, как и Европе в целом, для автотранспортных средств наиболее распространён городской цикл на стенде (европейский ездовой цикл) и ездовые циклы, разработанные в Центральном научно-исследовательском автомобильном полигоне НАМИ [44] и являются основополагающими элементами ГОСТа 20306-90 [28].
Следует отметить, сто частные критерии, оценивающие экономичность автомобиля зачастую противоречат критериям динамичности, т.е., например, улучшая расход топлива в городском ездовом цикле, мы в то же время ухудшаем некоторые частные критерии тягово-скоростных свойств машины, что существенно затрудняет поиск оптимального решения. Так применение метода ЛП-поиска оптимального решения, позволяющего определить множество точек оптимальных по Парето, в этом случае не эффективно, поскольку таким множеством с точки зрения топливно-скоростных свойств будет всё множество допустимых конструктивных решений [107].
Для выхода из сложившегося положения, как правило, используется следующий подход к формированию критериев оптимальности и ограничений: в качестве критерия оптимальности передаточных чисел трансмиссии с точки зрения топливной экономичности берётся обобщённый критерий оптимальности, который представляет собой комбинацию частных критериев топливной экономичности. При этом на частные критерии топливно-скоростных свойств машины накладываются ограничения, т.е. задаются их наихудшие, но ещё приемлемые значения. Если решается задача улучшения динамических свойств машины, то в качестве обобщённого критерия используется сумма нормированных частных критериев оптимальности тягово-скоростных свойств, а ограничения налакаются на частные критерии топливной экономичности [109].
В данном случае задача многокритериальной оптимизации сводится к обычной задаче многомерной оптимизации с ограничениями, где в качестве единственного критерия оптимальности применяется обобщённый критерий динамичности либо экономичности в зависимости от цели оптимизации.
Главной трудностью при использовании данного подхода к формированию критериев оптимизации и ограничений состоит в выборе и обосновании критериальных ограничений, т.е. возможных диапазонов изменения частных критериев оптимальности, от которых существенно зависит результат оптимизации. Необходимо задать такие граничные значения частных критериев оптимальности, которые соответствовали бы реализуемым на практике пределам изменения передаточных чисел трансмиссии.
Моделирование показателей экономичности и динамичности для автомобиля Лада Калина
С целью исследования возможности определения зависимости между параметрами экономичности и динамичности аналогичной представленной для модельного ряда ф. «TOYOTA», но для произвольного автомобиля, было произведено моделирование работы автомобиля ВАЗ—1118 «Лада Калина» по смешенному ездовому циклу, разработанному на ВАЗе для испытаний узлов и агрегатов трансмиссии на ресурс (данный ездовой цикл имитирует реальные дорожные испытания) с помощью описанной во второй главе экспериментально-расчётной модели.
В качестве оценочных критериев экономичности и динамичности были приняты средний путевой расход топлива и среднее время преодоления 400 метров пути, при движении в заданном ездовом цикле. Данные показатели обладают необходимой для решения поставленной задачи комплексностью и информативностью. При этом следует отметить, что использование в качестве критерия оценки динамичности среднего времени преодоления именно 400 м пути продиктовано исключительно стремлением повысить наглядность, получаемых для анализа расчётных данных, поскольку характер изменения данного показателя не зависит от протяженности принятого участка пути.
Для построения в координатах расход топлива - время разгона области теоретически возможных реализаций системы «двигатель - трансмиссия» требуется имитация широкого диапазона настроек совместной работы двигателя и трансмиссии. Данная задача может решаться, либо посредством варьирования исходных параметров и характеристик двигателя, либо с помощью изменения с определённым шагом и в заданном диапазоне суммарных значений ряда передаточных чисел трансмиссии. И в том и в другом случае мы будем иметь эквивалентный, исходя из поставленной задачи, результат, однако, с точки зрения реализации более простым является способ варьирования суммарных передаточных чисел трансмиссии.
Исходя из сказанного, для построения области возможных реализаций системы «двигатель - трансмиссия» автомобиля ВАЗ - 1118 «Калина», было осуществлено варьирование «базового» ряда передаточных чисел трансмиссии с шагом 4 % в сторону увеличения и уменьшения значений каждой передачи. Общий интервал варьирования составил 32 %. В качестве «базового» ряда передаточных отношений выступили ряды построенный на основании геометрической прогрессии, арифметической прогрессии и гармонического закона, значения первой и высшей передач которых соответствовали серийным. Перечисленные способы расчёта значений передаточных чисел используются в настоящее время на Волжском автомобильном заводе и можно говорить о том, что они являются наиболее применимыми в автомобилестроении в целом.
Полученная область значений оценочных критериев для автомобиля ВАЗ-1118 с механической ступенчатой трансмиссией (рис. 18), позволяет говорить о наличии искомой гиперболической зависимости между показателями экономичности и динамичности, которая сохраняется независимо от выбранного закона построения рядов передаточных чисел. Но, как можно видеть из рисунка, при использовании арифметической прогрессии для расчёта рядов передаточных чисел наблюдается значительный проигрыш (от 5 % и выше) в экономичности по сравнению с двумя другими законами построения рядов, которые в свою очередь позволяют получить два очень близких множества реализаций системы «двигатель - трансмиссия». Исходя из этого можно заключить, что ряды передаточных чисел, рассчитанные по арифметической прогрессии обладают низкой эффективностью и, следовательно, их применение нежелательно. Данная область и способ ее получения изначально несут в себе модель формирования на основании «базовой» комплектации функционально отличных модификаций, поскольку каждая точка полученной таким образом кривой характеризуется строго определённым соотношением параметров экономичности и динамичности для заданной системы «двигатель трансмиссия» и при этом в каждой точке возможна только единственная реализация совместной настройки двигателя и трансмиссии.
Однако следует отметить, что описанные способы расчёта значений передаточных чисел, основанные на использовании известных математических закономерностей имеют существенный недостаток: они не позволяют в полной мере использовать потенциал двигателя. Это объясняется тем, что абсолютного закона построения ряда передаточных чисел, который бы позволил учесть при формировании ряда всё многообразие существующих характеристик двигателей внутреннего сгорания, не существует. Поэтому возникает необходимость в поиске закона построения ряда передаточных чисел наиболее полно реализующего энергетические возможности конкретного двигателя. Данное заключение свидетельствует о необходимости применения методов оптимизации для реализации в каждом конкретном автомобиле оптимального закона построения ряда передаточных чисел и оптимальных значений передаточных отношений.
Для получения оптимальных реализаций рядов передаточных чисел трансмиссии для автомобиля ВАЗ-1118 была использована разработанная методика оптимизации передаточных чисел механической ступенчатой трансмиссии. В соответствии с этой методикой в качестве критерия оптимальности применяется единый обобщённый критерий Д который формируется из базовых критериев оптимальности, комплексно оценивающих динамические свойства и экономичность автомобиля. В качестве базовых критериев оптимальности были приняты критерии оценки, использованные ранее для построения области возможных реализаций системы «двигатель -трансмиссия». Формирование критерия оптимальности D производится с помощью функция желательности, позволяющей посредством учета уровней значимости частных критериев оптимальности функционально ориентировать единый обобщённый критерий оптимальности, т.е. задать баланс в соотношении тягово-скоростных и топливно-экономических свойств определяемый требуемой целью оптимизации.
Формирование модификаций серийного автомобиля ВАЗ-1118, за счёт применения модифицированных (оптимизированных) передаточных чисел трансмиссии
В соответствии с поставленной задачей и в рамках разработанной методики оптимизации передаточных чисел трансмиссии был произведён поиск оптимальных значений суммарных передаточных отношений трансмиссии для автомобиля ВАЗ-1118 с серийным двигателем (ВАЗ-21114), объёмом 1.6 л. В процессе оптимизации передаточных чисел трансмиссии значения верхних и нижних пределов варьирования частных функций желательности, входящих в единый обобщённый критерий оптимальности Д были соответственно равны 1 и 0,2. Это позволило найти определённый универсальный ряд передаточных чисел трансмиссии, который был принят в качестве «базового».
При этом серийный ряд передаточных чисел трансмиссии автомобиля ВАЗ-1118 имеет следующие значения суммарных передаточных чисел трансмиссии: Далее для автомобиля ВАЗ-1118 были определены значения передаточных чисел «динамичного» и «экономичного» ряда. При этом были приняты следующие значения верхних пределов варьирования частных функций желательности: для «динамичного» ряда: 1 - для частной функции желательности соответствующей критерию динамичности; 0,8 - для частной функции желательности соответствующей критерию экономичности. для «экономичного» ряда: 0,8 - для частной функции желательности соответствующей критерию динамичности; 1 - для частной функции желательности соответствующей критерию экономичности. Нижний предел варьирования частных функций желательности при этом не изменялся и был равен 0,2. Ниже представлены значения, полученных таким образом рядов передаточных чисел трансмиссии. В качестве ограничений были приняты следующие условия: диапазон возможного изменения первой передачи ±10 % относительно серийного значения (таким образом моделируются возможные технологические и конструктивные); рекомендуемое значение ускорения на высшей передаче при скорости 90 км/ч: 0,5 м/с . Ниже приведена таблица позволяющая осуществить сравнение показателей эффективности автомобиля ВАЗ-1118 с серийным и модифицированными рядами передаточных чисел трансмиссии. Как можно видеть из таблицы 16 ряд передаточных чисел трансмиссии принятый в качестве «базового» позволяет несколько улучшить как показатели экономичности, так и показатели динамичности автомобиля ВАЗ-1118 «Лада Калина» в сравнении с его серийной комплектацией, что позволяет сделать вывод об однозначной эффективности «базового» ряда передаточных чисел. Применение же «экономичного» и «динамичного» рядов передаточных чисел позволяет несколько сместить акцент в настройке совместной работы двигателя и трансмиссии соответственно на достижение более высоких топливно-экономических и тягово-скоростных показателей автомобиля. Таким образом, можно говорить о возможности реализации в рамках заданной модели автомобиля ВАЗ-1118 с серийным двигателем объёмом 1.6 л., за счёт применения оптимизированных рядов передаточных чисел трансмиссии «экономичной» и «динамичной» модификаций.
