Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопросов расчета базовых параметров и характеристик комбинированной энергосиловой установки 18
1.1. Состояние вопросов выбора и обоснования теплового и электрического двигателей КЭУ параллельной компоновочной схемы 19
1.2. Общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей 22
1.3. Постановка цели и задач диссертационной работы 44
Глава 2. Разработка математической модели динамики автомобиля с гибридной энергосиловой установкой параллельной компоновочной схемы 47
2.1. Выбор и обоснование схемы динамической модели автомобиля, оборудованного КЭСУ параллельной компоновочной схемы ТД и ЭД 48
2.2. Внутренние и внешние силы, действующие на гибридный автомобиль при его движении 47
2.3. Разработка математических моделей характерных режимов движения автомобиля с гибридной энергетической установкой и механической трансмиссией 65
Глава 3. Разработка методики расчета базовых параметров и характеристик кэсу параллельной компоновочной схемы 77
3.1. Особенности расчета показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности гибридного автомобиля 7
3.2. Методика расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемы 86
Глава 4. Расчетные исследования кэсу, разрабатываемых для автомобилей малого и особо малого классов 97
4.1. Обоснование мощностных показателей ЭД "чистого" электромобиля 97
4.2. Обоснование мощностных показателей ТД и ЭД гибридного автомобиля параллельной компоновочной схемы КЭУ 105
4.3. Расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля, оборудованного КЭУ 109
4.4. Расчет базовых параметров КЭСУ автомобиля особо малого класса (квадрицикла) 121
Глава 5. Экспериментальные исследования 137
5.1. Адекватность разработанных математических моделей движению реального гибридного автомобиля 137
5.2. Экспериментальные исследования гибридного легкового автомобиля ИЖ-2126"Ода" 142
Заключение и выводы 148
Литература 151
- Общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей
- Внутренние и внешние силы, действующие на гибридный автомобиль при его движении
- Методика расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемы
- Расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля, оборудованного КЭУ
Введение к работе
Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами ДВС является применения в их конструкциях электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое - создание чистого электромобиля, второе - разработка электромеханического привода с комбинированной (гибридной) энергетической установкой. Из-за отсутствия доступных для массового производства эффективных накопителей электрической энергии чистые электромобили имеют относительно малые пробеги на одной зарядке. Это и является одной из основных причин исследований возможности и эффективности использования в конструкциях автомобилей комбинированных энергетических установок.
Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля позволили сделать вывод многим ученым автомобилестроения о необходимости проведения исследований, направленных на разработку конструкций комбинированных (гибридных) энергетических установок (КЭУ) транспортных средств, состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей [29, 30]. На основе КЭУ можно создавать комбинированные энергосиловые установки (КЭСУ), представляющие собой совокупность КЭУ и трансмиссии, которые позволяют более эффективно использовать электрическую (электродвигатель) и тепловую (тепловой двигатель) энергия при выполнении заданного объема работ, что в результате позволяет улучшить топливную экономичность на 30-50 %, уменьшить уровень шума, существенно повысить экологическую безопасность транспортных средств (на 40 % и более). Улучшение указанных эксплуатационных свойств происходит за счет возможности применения в конструкции маломощного теплового двигателя и обеспечения его работы на установившихся или близких к ним режимах. В процессе торможения и замедления происходит рекуперация автомобилей на 1 тыс. жителей увеличится со 140 до 245 штук.
Одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами ДВС является применения в их конструкциях электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое - создание чистого электромобиля, второе - разработка электромеханического привода с комбинированной (гибридной) энергетической установкой. Из-за отсутствия доступных для массового производства эффективных накопителей электрической энергии чистые электромобили имеют относительно малые пробеги на одной зарядке. Это и является одной из основных причин исследований возможности и эффективности использования в конструкциях автомобилей комбинированных энергетических установок.
Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля позволили сделать вывод многим ученым автомобилестроения о необходимости проведения исследований, направленных на разработку конструкций комбинированных (гибридных) энергетических установок (КЭУ) транспортных средств, состоящих из теплового (карбюраторный, дизельный и др.) и электрического двигателей [29, 30]. На основе КЭУ можно создавать комбинированные энергосиловые установки (КЭСУ), представляющие собой совокупность КЭУ и трансмиссии, которые позволяют более эффективно использовать электрическую (электродвигатель) и тепловую (тепловой двигатель) энергия при выполнении заданного объема работ, что в результате позволяет улучшить топливную экономичность на 30-50 %, уменьшить уровень шума, существенно повысить экологическую безопасность транспортных средств (на 40 % и более). Улучшение указанных эксплуатационных свойств происходит за счет возможности применения в конструкции маломощного теплового двигателя и обеспечения его работы на установившихся или близких к ним режимах. В процессе торможения и замедления происходит рекуперация кинетической энергии транспортного средства, т.е. электродвигатель работает в генераторном режиме, подзаряжая накопители электрической энергии, которые в сравнении с "чистым" электромобилем будут работать в более легких эксплуатационных режимах, что позволит значительно увеличить их долговечность.
Отметим, что данное направление создания энергосиловых установок перспективно и для дорожно-строительных, сельскохозяйственных, технологических, стационарных обрабатывающих и других типов машин, которые используют в своих конструкциях тепловые двигатели.
Цель диссертационной работы. Исходя из состояния вопросов разработки КЭСУ для транспортных машин, тенденций и перспектив их развития для легковых автомобилей в диссертационной работе исследуются наименее изученные проблемы, связанные с разработкой новых теоретических и расчетных методов исследования КЭСУ. Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка методики расчета и обоснования базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС И ЭД, обеспечивающих оптимальные (наиболее рациональные) тягово-скоростные свойства и топливную экономичность гибридному автомобилю и реализация этой методики в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.
Задачи исследований. Сформулированная цель и проведенный анализ нерешенных проблем по теме диссертации позволили определить следующие основные задачи исследований диссертационной работы:
1. Разработать математическую модель движения гибридного автомобиля, позволяющую наиболее точно рассчитывать показатели тягово- скоростных свойств и топливной экономичности в различных условиях эксплуатации.
2. На основе обоснованной математической модели разработать алгоритмы расчета показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности гибридного автомобиля.
3. Разработать методику расчета и обоснования базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы теплового и электрического двигателей, к которым относятся: внешние скоростные характеристики теплового и электрического двигателей, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии.
4. Реализовать разработанную методику в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.
5. Выполнить расчетные исследования для гибридных автомобилей малого и особо малого классов.
6. Доказать адекватность разработанной математической модели движению реального гибридного автомобиля.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД автомобилей малого и особо малого классов. Предметом исследования являются методики расчета, обоснования и оптимизации базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки, к которым относятся внешние скоростные характеристики ДВС и ЭД, количество ступеней и передаточные числа трансмиссии.
Методы исследований. Теоретические методы исследования базируются на теориях движения и эксплуатационных свойств транспортных машин, математического моделирования и параметрической оптимизации, анализа и синтеза сложных технических систем, программирования, дифференциальных уравнений и численных методов вычислений. Расчетные исследования проведены на основе разработанных автором диссертации программных средств. Экспериментальные исследования выполнены с помощью специализированной контрольно-измерительной аппаратуры в соответствии с нормативными документами на проведение экспериментальных исследований тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей.
Достоверность и обоснованность. Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, реализацией их в конструкциях экспериментальных образцов легковых автомобилей, оборудованных КЭСУ, экспериментальной проверкой в лабораторных и дорожных условиях.
На защиту выносятся результаты теоретических, расчетных и экспериментальных исследований гибридных легковых автомобилей малого и особо малого классов, оборудованных КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД, включающие: динамические модели автомобиля, оборудованного КЭСУ; математические модели характерных режимов движения автомобиля с гибридной энергетической установкой и механической трансмиссией; методику расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемы; методику обоснования мощностных показателей электродвигателя "чистого" электромобиля; результаты расчетных исследований, обосновывающих базовые параметры КЭСУ для автомобиля малого и особо малого классов; результаты экспериментальных исследований созданного гибридного автомобиля малого класса.
Научная новизна. Научная новизна выполненной диссертации заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель движения автомобиля, оборудованного КЭСУ, отличающаяся от известных учетом упругодемпфирующих свойств трансмиссии и позволяющая более точно проводить расчет показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.
2. Впервые разработана комплексная методика расчета и обоснования внешних скоростных характеристик ДВС и ЭД, количества ступеней и передаточных чисел трансмиссии гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД для легкового автомобиля малого и особо малого классов.
3. Разработанная методика реализована в виде комплекса программных средств на ПЭВМ, позволяющего выполнять параметрический анализ и синтез базовых параметров КЭСУ легкового автомобиля.
4. Обоснованы наиболее рациональные базовые параметры КЭСУ для гибридного автомобиля особо малого класса (квадрицикла).
5. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по созданию КЭСУ параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД для автомобилей малого и особо малого классов.
Практическая полезность. Внедрение в практику проектирования разработанной методики, реализованной в виде комплекса программных средств, позволяет, во-первых, обоснованно выбирать базовые параметры КЭСУ параллельной компоновочной схемы, обеспечивающие автомобилю наилучшие эксплуатационные свойства. Во-вторых, возможность проведения исследований влияния различных конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ на эксплуатационные свойства автомобиля позволяет существенно сокращать сроки разработки новых конструкций и объем доводочных испытаний за счет выбора наиболее эффективных конструктивных решений, причем возможно сделать это еще на ранней стадии проектирования.
Реализация результатов. Разработанные теоретические положения диссертационной работы внедрены в практику проектирования и применяются при разработке новых экспериментальных конструкций гибридных автомобилей, создаваемых в ГОУ ВПО ИжГТУ и ГОУ ВПО МГТУ "МАМИ", а также в учебном процессе при подготовке дипломированных инженеров и магистров в ГОУ ВПО ИжГТУ по специальностям автомобилестроения и в учебном процессе филиала научно-образовательного центра ГОУ ВПО МГТУ "МАМИ" "Автомобильный транспорт с гибридными силовыми установками" при ГОУ ВПО ИжГТУ.
Апробация работы. В период 2003-2006 г.г. автор диссертации принимал активное участие в исследованиях и создании экспериментальных образцов КЭСУ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с подпрограммой "Транспорт" научно-технической программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" [60] (2003-2004 г.г.), в рамках гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук Минобразования РФ [62] (2003-2004 г.г.), в рамках договора с Московским государственным техническим университетом "МАМИ" [57, 69] (2005 г.), в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)" [61] (2006 г.) и по договору с Московским государственным техническим университетом "МАМИ" в рамках Государственного контракта 2006-РИ-16.0/005/146 "Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области транспортных технологий и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок" (VIII очередь) [63] (2006 г.).
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Восьмой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 2003 г.); на III Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции "Социально-экономическое развитие России" (г. Пенза, 2003 г.); на III Международной научно-практической конференции "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (г. Тирасполь, 2003 г.); на VIII Международной конференции "Образование. Экология. Экономика. Информатика" (г. Астрахань, 2003 г.); на III Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике" (г. Пенза, 2003 г.); на IV Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на XV и XVI Международных интернет-конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (г. Москва, института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 2003-2004 г.г.); на VI Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (г. Москва, 2003 г.); на II Международной научно-практической конференции "Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" (г. Пенза, 2003-2004 г.г.); на IV Международной научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, производстве и экономических процессах" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на Международной научной конференции "Анализ и синтез как методы научного познания" (г. Таганрог, 2004 г.); на Первой заочной электронной конференции "Приоритетные направления развития науки, технологий и техники" (г. Москва, 2004 г.); на Всероссийской молодежной научно-практической конференции "Инновации в науке, технике, образовании и социальной сфере" (г. Казань, 2003 г.); на Межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы науки в России" (г. Кузнецк, 2004 г.); на IV Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства(г. Новочеркасск, 2004 г.); на Международной конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград, 2004 г.); на Всероссийской интернет-конференции с международным участием "Проблемы экологии в современном мире" (г. Тамбов, 2004 г.); на заочной электронной конференции "Экология промышленных регионов России" (г. Москва, 2004 г.); на II Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Информационные технологии, системный анализ и управление" (г. Таганрог, 2004 г.); на заочных Всероссийских научно-технических конференциях "Современные промышленные технологии" (г. Нижний Новгород, 2004-2005 г.г.); на 13-ой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 2004 г.); на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ "Иннов-2005" в рамках П-ой специализированной выставки инноваций в промышленном производстве "Высокие технологии XXI века" (г. Новочеркасск, 2005 г.); на IV-ой Международной специализированной выставке "Машиностроение. Металлургия. Металлообработка - 2005" (г. Ижевск, 2005 г.).
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ГОУ ВПО ИжГТУ «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» и на кафедре ГОУ ВПО УдГУ «Дизайн промышленных изделий», а также на производственно-технических совещаниях в Управлении главного конструктора и в отделе компьютерных систем и технологий ОАО «ИжАвто».
Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография (в соавторстве); 30 научных статей; 2 тезиса докладов; выпущено 6 отчетов о научно-исследовательских работах, выполненных в соответствии научно-техническими программами Минобрнауки РФ.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (109 наименований). Общее количество страниц в диссертационной работе 164. Основная часть содержит 128 страниц текста, в том числе 19 рисунков и 18 таблиц.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована основная цель, приведено краткое описание всех глав, дается общее представление о диссертационной работе.
В первой главе проведен: анализ современного состояния вопросов расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ, анализ состояния вопросов выбора и обоснования теплового и электрического двигателей для комбинированной энергетической установки, общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей. Проведенный анализ позволил сформулировать цель, теоретические и практические задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработана математическая модель движения автомобиля с КЭСУ параллельной компоновочной схемы энергетической установки на основе обоснованной рациональной структурной схемы гибридного автомобиля такого типа. Рассмотрены внутренние и внешние силы действующие на гибридный автомобиль в процессе движения, которые являются основными составляющими разработанной математической модели. Показано, что математическая модель движения автомобиля с КЭСУ многоструктурная, состоящая из четырех систем дифференциальных уравнений, описывающих четыре режима движения: трогание с места, движение с буксующей муфтой сцепления, движение с блокированной муфтой сцепления и процесс переключения передач. Вывод систем дифференциальных уравнений проведен на основе уравнения Лагранжа второго рода.
В третьей главе представлены результаты разработки методики расчета, обоснования и оптимизации базовых параметров КЭСУ, а именно, внешних скоростных характеристик ТД и ЭД и конструктивных параметров трансмиссии. Рассмотрены особенности расчета показателей топливной экономичности и тягово-скоростных свойств гибридного автомобиля, в частности, рассмотрены вопросы моделирования движения гибридного автомобиля в городском ездовом цикле. Подробно рассмотрен алгоритм создания транспортной машины, оборудованной КЭСУ.
Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям разрабатываемых экспериментальных образцов легковых автомобилей малого и особо малого классов. В частности, рассмотрен подход и проведены расчеты мощностных показателей ЭД "чистого" электромобиля, оборудованного только ЭД; представлены результаты расчетов мощностных показателей и характеристик ТД и ЭД КЭУ, разработанной для экспериментального гибридного автомобиля на базе ИЖ-2126 "Ода"; проведен расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии на примере разрабатываемого гибридного автомобиля; проведено обоснование необходимости создания гибридного четырехколесного квадрицикла автомобильного типа и представлены соответствующие расчетные исследования.
В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований, доказана адекватность разработанных математических моделей движению реальных гибридных автомобилей с КЭУ параллельной компоновочной схемы ТД и ЭД, рассмотрена конструкция экспериментального гибридного автомобиля, выполненного на базе легкового автомобиля ИЖ-2126 "Ода".
Общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Восьмой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 2003 г.); на III Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на II Всероссийской научно-практической конференции "Социально-экономическое развитие России" (г. Пенза, 2003 г.); на III Международной научно-практической конференции "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (г. Тирасполь, 2003 г.); на VIII Международной конференции "Образование. Экология. Экономика. Информатика" (г. Астрахань, 2003 г.); на III Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике" (г. Пенза, 2003 г.); на IV Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на XV и XVI Международных интернет-конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (г. Москва, института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, 2003-2004 г.г.); на VI Международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (г. Москва, 2003 г.); на II Международной научно-практической конференции "Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции "Современные информационные технологии" (г. Пенза, 2003-2004 г.г.); на IV Международной научно-практической конференции "Компьютерные технологии в науке, производстве и экономических процессах" (г. Новочеркасск, 2003 г.); на Международной научной конференции "Анализ и синтез как методы научного познания" (г. Таганрог, 2004 г.); на Первой заочной электронной конференции "Приоритетные направления развития науки, технологий и техники" (г. Москва, 2004 г.); на Всероссийской молодежной научно-практической конференции "Инновации в науке, технике, образовании и социальной сфере" (г. Казань, 2003 г.); на Межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы науки в России" (г. Кузнецк, 2004 г.); на IV Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства(г. Новочеркасск, 2004 г.); на Международной конференции "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград, 2004 г.); на Всероссийской интернет-конференции с международным участием "Проблемы экологии в современном мире" (г. Тамбов, 2004 г.); на заочной электронной конференции "Экология промышленных регионов России" (г. Москва, 2004 г.); на II Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Информационные технологии, системный анализ и управление" (г. Таганрог, 2004 г.); на заочных Всероссийских научно-технических конференциях "Современные промышленные технологии" (г. Нижний Новгород, 2004-2005 г.г.); на 13-ой Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 2004 г.); на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ "Иннов-2005" в рамках П-ой специализированной выставки инноваций в промышленном производстве "Высокие технологии XXI века" (г. Новочеркасск, 2005 г.); на IV-ой Международной специализированной выставке "Машиностроение. Металлургия. Металлообработка - 2005" (г. Ижевск, 2005 г.).
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ГОУ ВПО ИжГТУ «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» и на кафедре ГОУ ВПО УдГУ «Дизайн промышленных изделий», а также на производственно-технических совещаниях в Управлении главного конструктора и в отделе компьютерных систем и технологий ОАО «ИжАвто».
Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография (в соавторстве); 30 научных статей; 2 тезиса докладов; выпущено 6 отчетов о научно-исследовательских работах, выполненных в соответствии научно-техническими программами Минобрнауки РФ.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (109 наименований). Общее количество страниц в диссертационной работе 164. Основная часть содержит 128 страниц текста, в том числе 19 рисунков и 18 таблиц.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована основная цель, приведено краткое описание всех глав, дается общее представление о диссертационной работе. В первой главе проведен: анализ современного состояния вопросов расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ, анализ состояния вопросов выбора и обоснования теплового и электрического двигателей для комбинированной энергетической установки, общий обзор и анализ методик расчета передаточных чисел трансмиссий автомобилей. Проведенный анализ позволил сформулировать цель, теоретические и практические задачи диссертационной работы.
Во второй главе разработана математическая модель движения автомобиля с КЭСУ параллельной компоновочной схемы энергетической установки на основе обоснованной рациональной структурной схемы гибридного автомобиля такого типа. Рассмотрены внутренние и внешние силы действующие на гибридный автомобиль в процессе движения, которые являются основными составляющими разработанной математической модели. Показано, что математическая модель движения автомобиля с КЭСУ многоструктурная, состоящая из четырех систем дифференциальных уравнений, описывающих четыре режима движения: трогание с места, движение с буксующей муфтой сцепления, движение с блокированной муфтой сцепления и процесс переключения передач. Вывод систем дифференциальных уравнений проведен на основе уравнения Лагранжа второго рода.
В третьей главе представлены результаты разработки методики расчета, обоснования и оптимизации базовых параметров КЭСУ, а именно, внешних скоростных характеристик ТД и ЭД и конструктивных параметров трансмиссии. Рассмотрены особенности расчета показателей топливной экономичности и тягово-скоростных свойств гибридного автомобиля, в частности, рассмотрены вопросы моделирования движения гибридного автомобиля в городском ездовом цикле. Подробно рассмотрен алгоритм создания транспортной машины, оборудованной КЭСУ.
Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям разрабатываемых экспериментальных образцов легковых автомобилей малого и особо малого классов. В частности, рассмотрен подход и проведены расчеты мощностных показателей ЭД "чистого" электромобиля, оборудованного только ЭД; представлены результаты расчетов мощностных показателей и характеристик ТД и ЭД КЭУ, разработанной для экспериментального гибридного автомобиля на базе ИЖ-2126 "Ода"; проведен расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии на примере разрабатываемого гибридного автомобиля; проведено обоснование необходимости создания гибридного четырехколесного квадрицикла автомобильного типа и представлены соответствующие расчетные исследования.
Внутренние и внешние силы, действующие на гибридный автомобиль при его движении
Этот ряд передаточных чисел, как было отмечено в работе [99], можно рекомендовать для автомобилей с большим запасом мощности. Избыток мощности позволит преодолевать дополнительные сопротивления на высшей передаче. Поэтому в близком расположении передаточных чисел высших передач нет надобности, например, у карьерных автомобилей при их движении без груза. переключения передач. Кроме того, усложняется конструкция коробки передач и управление ею, что влияет на утомляемость водителя (для коробки передач с ручным управлением). Поэтому любое увеличение количества передач в трансмиссии автомобиля требует технико-экономического обоснования.
Основным достоинством исследований Ф.Л. Хлыстова по данному вопросу следует считать заключение, в котором отмечено, что общего решения для всех случаев практики дать нельзя. Передаточные числа трансмиссии необходимо рассчитывать для конкретного автомобиля и обязательно учитывать условия эксплуатации проектируемого автомобиля.
Можно отметить еще ряд работ, в которых авторы берут за основу расчета передаточных чисел трансмиссии геометрическую прогрессию [23, 24, 67, 82 и др.]. При этом предлагается передаточное число высшей передачи определять исходя из максимальной скорости автомобиля на ровной горизонтальной дороге. Передаточное число высшей передачи для гоночных и скоростных автомобилей, максимальная скорость которых должна быть как можно больше, предлагается выбирать из условия, что максимальная скорость автомобиля достигается на частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максимальной мощности двигателя. Для других типов автомобилей предлагается передаточное число высшей передачи увеличивать на 10-25 % с целью повышения запаса мощности за счет некоторого снижения максимальной скорости движения.
Внешняя скоростная характеристика мощности КЭУ из-за высоких вращающих моментов ЭД на малых частотах вращения вала, как правило, имеет максимальную мощность в области средних частот вращения вала, несовпадающую с максимальной мощностью ТД. Поэтому при выборе передаточного числа трансмиссии высшей передачи у автомобиля с КЭУ из условия достижения максимальной скорости при максимальной мощности КЭУ мы будем иметь плохую динамику разгона и тяговые свойства автомобиля из-за заниженного значения передаточного числа. В этом случае проблематично использовать в процессе движения автомобиля высокие частоты вращения вала КЭУ на высших передачах.
В [6, 12, 15, 18, 25, 67, 80] также рекомендуется рассчитывать передаточные числа коробки передач по геометрическому закону. При этом подчеркивается необходимость сближения передаточных чисел высших передач.
Из литературы [23, 47, 72, 74 и др.] хорошо известен, кроме законов построения рядов передаточных чисел (1) и (2), ряд передаточных чисел, построенный по закону арифметической прогрессии: где Ъ, - разность арифметической прогрессии.
При расчете передаточных чисел по арифметической прогрессии, как правило, сначала определяют передаточное число первой и высшей передач, по которым вычисляют разность арифметической прогрессии к-1 Расчетная разность арифметической прогрессии и зависимости (3) позволяют определить промежуточные передаточные числа коробки передач. Как показано в работах [23, 82, 99] и доказано практикой эксплуатации, передаточные числа высоких ступеней трансмиссии должны быть сближены, т.е. плотность ряда передаточных чисел трансмиссии при движении по ряду от низших к высоким передачам должна возрастать. Арифметический ряд передаточных чисел трансмиссии имеет постоянную плотность, что ограничивает его практическое применение. Этот ряд передаточных чисел, как было отмечено в работе [99], можно рекомендовать для автомобилей с большим запасом мощности. Избыток мощности позволит преодолевать дополнительные сопротивления на высшей передаче. Поэтому в близком расположении передаточных чисел высших передач нет надобности, например, у карьерных автомобилей при их движении без груза. При расчете передаточных чисел трансмиссии значительное внимание уделяется интенсивности разгона автомобиля до заданной скорости или на заданном участке пути. Разработкой методики расчета ряда передаточных чисел коробки передач, обеспечивающего разгон до заданной скорости за наименьшее время, занимался Н.К. Куликов [33, 34].
В работе [34] Н.К. Куликов предложил для улучшения разгона автомобиля выбирать передаточное число первой разгонной передачи из условия максимального ускорения автомобиля, а передаточные числа последующих передач рассчитывать по геометрической прогрессии. Отметим , что данный подход к расчету передаточных чисел коробки передач может несколько улучшить динамичность разгона, но не обеспечивает оптимальное время разгона до заданной конечной скорости разгона. Например, пусть при разгоне автомобиля до скорости VK0H участвуют две передачи. Тогда общее время разгона до скорости VK0H
- соответственно время разгона на первой и второй передачах, At -время переключения с первой передачи на вторую.
Методика расчета базовых параметров и характеристик КЭСУ параллельной компоновочной схемы
В работе [100] передаточное число высшей передачи рекомендуется определять по заданной максимальной скорости движения транспортной машины Vmax. При этом выбранная скорость Vmax не должна быть больше реально возможной максимальной скорости. Данное условие проверяется по уравнению мощностного баланса. Передаточное число трансмиссии первой передачи ijp определяется по максимальной величине суммарного дорожного сопротивления. По расчетным значениям передаточных чисел высшей и низшей ступеней определяют передаточные числа промежуточных передач по геометрическому, гармоническому или арифметическому закону. Для коробок передач с числом ступеней к 5 передаточные числа высших ступеней согласно [100] должны рассчитываться с отклонением от геометрического ряда на 10-20 % в сторону к гармоническому. Если число ступеней к 6, то более рационален геометрический ряд передаточных чисел. Отклонение от геометрического в сторону арифметического целесообразно для автомобилей, часто использующих низшие передачи.
Подобные рекомендации по расчету передаточных чисел трансмиссий автомобилей описаны в работе [19]. В данной работе приведены также характеристики наиболее типичных коробок передач автомобилей и результаты обработки статистических данных по передаточному числу главной передачи, количеству ступеней и диапазону коробки передач. Например, согласно обследованию ста моделей легковых автомобилей: передаточное число главной передачи 3,1-3,6 имеют 19 % автомобилей, 3,7-4,3 - 62 % и 4,4-4,9 - 16 %.
В работе [18] рекомендуются максимально возможные интервалы между передаточными числами коробки передач: 1,7-1,8 для дизельных двигателей, 2 - для карбюраторных. При больших интервалах возможны затруднения при переключении с низшей на высшую передачу. Т.к. 80-90 % общего времени разгона приходится на две последние передачи, предлагается высшие передачи сближать на 5-15 %.
О необходимости введения ускоряющей передачи с целью улучшения топливной экономичности легкового автомобиля при скоростях движения 80-100 км/ч говорится в работе [107]. При этом передаточное число третьей ступени рекомендуется выбирать из условий обгона и перестроения, а общее передаточное число четвертой передачи должно обеспечивать преодоление подъемов 4-6 %.
Кроме рассмотренных методик расчета передаточных чисел трансмиссии автомобиля следует отметить, что по данному вопросу в литературе существует много работ, в которых проводятся исследования влияния передаточных чисел трансмиссии, рассчитанных по одной из рассмотренных методик, на тягово-скоростные свойства и топливную экономичность автомобиля.
Авторы работы [14] предлагают определять передаточное число ускоряющей передачи легкового автомобиля из условия обеспечения автомобилю экономичной езды на скоростях движения 90 и 120 км/ч. При этом необходимо обеспечить хорошие ездовые качества на ускоряющей передаче -при резком открытии дроссельной заслонки на скоростях 90 и 120 км/ч ускорение автомобиля должно быть не менее 0,2-0,3 м/с".
В [108] отмечается, что передаточное число ускоряющей передачи зависит от внешней характеристики двигателя. При увеличении отношения частоты вращения коленчатого вала при максимальной мощности к частоте вращения при максимальном моменте - передаточное число ускоряющей передачи должно уменьшаться. Отметим, что эта рекомендация актуальна для автомобилей с КЭСУ при параллельной компоновке ТД и ЭД, т.к. в данном случае высокие крутящие моменты КЭСУ находятся в области малых частот вращения выходного вала КЭСУ. Метод оценки возможной теоретической экономии топлива от введения в коробку передач ускоряющих ступеней для автомобиля, оборудованного ДВС, разработан и рассмотрен в работах [108, 109].
Ряд исследований по выбору числа ступеней и передаточных чисел трансмиссии проведен Б.Н. Нифонтовым [49, 50]. В работе [50] рекомендуется в качестве критерия при оптимизации передаточных чисел трансмиссии использовать показатель транспортных издержек народного хозяйства, приходящихся на единицу транспортной работы. Методика и результаты исследования влияния числа ступеней и передаточных чисел представлены в работе [36]. Чрезмерная детализация при рассмотрении эксплуатационных расходов является недостатком работы. Например, проводится анализ влияния числа ступеней и метода разбивки передаточных чисел по ступеням на заработную плату водителей, на восстановление износа и ремонта шин, на техническое обслуживание автомобиля и другие показатели. Многие положения проведенного анализа в работе [36] спорны. При решении задачи выбора параметров трансмиссии, по нашему мнению, рассматриваемые эксплуатационные расходы несущественны.
Ряд исследований по расчету передаточных чисел трансмиссии автомобиля, работающего в условиях сельского хозяйства, выполнил Д.А. Чудаков [101, 102]. При расчете передаточных чисел трансмиссии автомобиля, эксплуатируемого в условиях сельского хозяйства, рекомендуется пользоваться геометрической прогрессией, а передаточное число главной передачи выбирать на 10-20 % больше, чем у базовых моделей общего назначения.
Можно отметить еще ряд работ по проблемам расчета передаточных чисел. Например, в [81] рассмотрены методы геометрического построения совокупностей передаточных чисел трансмиссий. Обзор конструкций коробок передач зарубежных автомобилей и некоторые рекомендации по выбору количества ступеней и диапазона передаточных чисел коробки передач легкового автомобиля изложены в [17]. В работе [70] представлены результаты расчетного исследования влияния передаточного числа главной передачи на процесс обгона. В работах [35, 45] представлены результаты исследований по расчету передаточных чисел трансмиссии автомобиля, который эксплуатируется в горных условиях, а в работе [37] из условия получения достаточного дорожного просвета и простоты конструкции главной передачи вводятся ограничения на максимальное возможное значение передаточного числа главной передачи: i0 5 - для легковых автомобилей, i() 7 - для грузовых автомобилей грузоподъемностью до 4-5 тонн, i0 10 - для тяжелых грузовых автомобилей.
Расчет и анализ особенностей расчета передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля, оборудованного КЭУ
Работа машины в промежуток времени At (плавное включение муфты сцепления при одновременном увеличении частоты вращения и крутящего момента двигателя) описывается системой дифференциальных уравнений (15).
Рассмотренные математические модели справедливы для КЭУ параллельной компоновки ТД и ЭД, соединенных жестко между собой согласующим редуктором, например, шестеренчатым. Для повышения демпфирующих свойств согласующего редуктора и предотвращения сложных динамических процессов в нем ударного характера возможно применение ременной передачи. Одна из таких конструкций будет рассмотрена ниже, которая используется в экспериментальном образце гибридного легкового автомобиля, изготовленного на базе автомобиля ИЖ-2126 "Ода". Ременный редуктор относится к передачам трения с гибкой связью. В этом случае простейшим способом повышения тяговой способности (предотвращение процесса буксования) является введение в конструкцию редуктора дополнительных ремней. Ременные передачи надежны в эксплуатации практически при любых нагрузках, просты в изготовлении и в ремонте. Для ременного согласующего редуктора разработанные системы дифференциальных уравнений, описывающие различные режимы движения гибридного автомобиля, остаются справедливыми с некоторыми оговорками. Из-за установки ремня с некоторым начальным натяжением следует принимать А0/ = АС2У = 0. В этом случае не учитывается, что в ременной передаче крутящий момент передается за счет сил трения шкивов и ремня с некоторым упругим проскальзыванием контактирующих тел. Более того, возможно пробуксовывание ремня, например, при достаточно больших внешних нагрузках. Поэтому расчет показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности по разработанным математическим моделям будет давать завышенные результаты. Ременные передачи нашли широкое применение в машиностроении. Однако методы теоретического исследования динамических процессов, происходящих в этих механических передачах, в зависимости от изменения конструктивных параметров, нагрузочных и скоростных режимов их работы и других параметров мало изучены по настоящее время. Причины этому следующие: - сложность и многовариантность построения математической модели в зависимости от поставленной задачи и требований к точности расчетных исследований. Ряд исследователей приходят к выводу, что аналогом ременной передачи является движение жидкости в абсолютно гибкой безинерционной трубке, например, работа [66]. Распространяют на ременные передачи теоретические исследования и функциональные зависимости теории гидрообъемного привода [44]; - трудности аналитического описания основных характеристик ременной передачи - КПД и кривых скольжения - в зависимости от нагрузочного и скоростного режимов работы и ее конструктивных параметров. Использование эмпирических зависимостей ранее проведенных исследований может существенно влиять на точность расчета, так как эти зависимости получены для заданных условий эксплуатации и конструкции передачи; - часть крутящего момента в ременных передачах теряется на скольжение, внутреннее трение в ремне, трение в опорах шкивов и др. Для учета этих потерь необходимо иметь экспериментальные зависимости КПД применяемых передач от коэффициента тяги, т.е. г}рем= грсм(\/), где \/ = 0,5Ft/F0, F, - окружная сила на ведущем шкиве, F0 - сила начального натяжения в каждой ветви ремня. Отметим, что на практике для повышения точности моделирования передач трением по рассмотренным математическим моделям необходимо проводить большой объем экспериментальных исследований: определение суммарных потерь, включающих в себя потери на все виды скольжения, внутренние потери в ремне, потери на трение в подшипниках и аэродинамические потери для различных нагрузочных и скоростных режимов работы ременных передач, построение кривых буксования и др. Более того, при поисковом проектировании приходится проводить эти экспериментальные исследования для различных конструкций ременных передач и их составляющих.
Малый мировой опыт создания и исследования автомобилей, оборудованных КЭСУ, требует создания методик расчета, обоснования и оптимизации различных конструктивных параметров и агрегатов как КЭСУ в отдельности, так и гибридного автомобиля в целом. Как было отмечено выше, уже на начальном этапе создания автомобиля с КЭСУ необходимо решать проблемы по выбору и обоснованию базовых параметров и характеристик КЭСУ, к которым относятся мощностные параметры и характеристики ТД и ЭД, входящие в КЭУ, и конструктивные параметры механической трансмиссии (количество ступеней и передаточные числа коробки передач, передаточные числа различных редукторов). В настоящее время подобные методики, позволяющие проводить теоретические и расчетные исследования, вырабатывать на основе проведенных исследований рекомендации практической направленности находятся на стадии создания и можно говорить об их отсутствии.
