Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ систем обеспечения комфортных условий легковых автомобилей 14
1.1. Анализ путей повышения безопасности автомобилей . 14
1.2 Система обеспечения комфортных условий салона автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» 26
1.3. Влияние конструктивных элементов салона автомобиля на параметры систем обеспечения комфортных условий 29
Выводы по главе и задачи исследования 39
2. Влияние внешних и внутренних факторов на показатели качества систем обеспечения комфортных условий в салоне легкового автомобиля 40
2.1. Номенклатура показателей качества системы обеспечения комфортных условий в салоне автомобиля 40
2.2. Исследование зависимости температуры в салоне автомобиля от внешних и внутренних факторов 46
2.2.1. Математическая модель зависимости температуры в салоне легкового автомобиля особо малого класса от внешних факторов 49
2.2.2. Решение задачи множественной регрессии 51
Выводы по главе 67
3. Экспериментальные исследования влияния элементов конструкции салона легкового автомобиля на показатели качества систем обеспечения комфортных условий 69
3.1. Исследование внешней поверхности кузова автомобиля ВАЗ-Ill 13 «ОКА» с целью выбора оптимального места расположения вытяжных отверстий 70
3.1.1. Новая вытяжная вентиляция в салоне автомобиля В АЗ 11113 «ОКА» 79
3.2. Экспериментальные исследования по определению эффективности систем вентиляции и отопления автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» 82
3.3. Исследование причин и пути предотвращения «запотевания» и «обмерзания» стекол 95
Выводы по главе 104
4. Рекомендации по выбору конструктивных элементов систем вентиляции и отопления салона легковых автомобилей 107
4.1. Выбор конструктивных параметров системы обеспечения комфортных условий в салоне автомобиля ВАЗ-11113.. 107
4.2. Оценка качества воздушной среды системы вентиляции и отопления салона автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» 111
4.3. Разработка функциональной схемы системы обеспечения комфортных условий в салоне легкового автомобиля . 117
Выводы по главе 122
Заключение, выводы, рекомендации 123
Библиографический список использованной литературы 125
Приложения 134
- Влияние конструктивных элементов салона автомобиля на параметры систем обеспечения комфортных условий
- Исследование зависимости температуры в салоне автомобиля от внешних и внутренних факторов
- Исследование внешней поверхности кузова автомобиля ВАЗ-Ill 13 «ОКА» с целью выбора оптимального места расположения вытяжных отверстий
- Оценка качества воздушной среды системы вентиляции и отопления салона автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА»
Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие автомобильной промышленности связано с созданием новых моделей автомобилей, удовлетворяющих современным требованиям безопасности. В автомобилестроении большое внимание уделяется модернизации легковых автомобилей с целью повышения их эксплуатационных характеристик путем разработки и внедрения систем' автоматического управления параметрами основных агрегатов и систем на базе современной микропроцессорной техники. Безопасность движения автомобиля в значительной степени зависит от состояния микроклимата в салоне автомобиля, который обеспечивается эффективностью и уровнем автоматизации систем.
Анализ современных систем отопления и вентиляции (СОВ) показывает высокую степень зависимости многопараметрической функции безопасности движения от характеристик систем обеспечения комфортных условий в легковом автомобиле. Дальнейшее повышение показателей качества подобных систем, без решения оптимизационных задач, приводит к неоправданным затратам, что снижает экономическую эффективность производства новых моделей автомобилей и модернизацию существующих. Учет внешних факторов, влияющих на показатели качества систем обеспечения комфортных условий, важен при проектировании СОВ, поскольку автомобиль эксплуатируется в различных климатических зонах.
Повышение эффективности систем обеспечения комфортных условий в период эксплуатации автомобиля - сложная задача, поэтому велика значимость заложенного технического решения системы на этапе разработки. Несовершенство конструктивных элементов систем обеспечения комфортных условий в салоне и отсутствие систем автоматического управления объясняется недостаточной проработкой вопросов, связанных с влиянием аэродинамических, тепло- и звукоизоляционных характеристик применяемых материалов. Это объясняется отсутствием необходимых методик по расчету и
5 рекомендаций по расположению в салоне элементов, обеспечивающих необходимое распределение движения воздушных потоков.
Задача выбора конструктивных элементов салона легкового автомобиля особо малого класса, влияющих на комфортность воздушной среды и безопасность движения не полностью решена, поэтому тема диссертации является актуальной.
Целью работы является научное обоснование метода выбора конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса по критерию комфортности воздушной среды в салоне, обеспечивающее эффективную работу и управление системой вентиляции и отопления.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи:
- выявление основных факторов, влияющих на показатели качества систем
обеспечения комфортных условий и безопасности движения автомобиля;
исследование влияния аэродинамических параметров конструкции автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» на распределение внешнего давления воздуха по кузову при движении;
разработка математической модели взаимосвязи параметров воздушной среды в салоне автомобиля;
обоснование выбора конструктивных элементов системы обеспечения комфортных условий в салоне легкового автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА»;
разработка метода расчета эффективности системы отопления легкового автомобиля.
Объект исследования: легковой автомобиль особо малого класса ВАЗ-11113 «ОКА».
Предмет исследования: методы выбора конструктивных параметров салона легкового автомобиля.
Методология и методы исследования. Методология исследований построена на принципах рационального сочетания теоретических изысканий и
натурного экспериментирования. Основные теоретические положения разрабатывались на принципах системного подхода с привлечением аппарата математической теории планирования экспериментов, математического программирования, детерминированного и статистического анализа. В работе использованы теория комплексно-системного подхода к проектированию машин, теория принятия решений, теория многопараметрической оптимизации; методы экспериментальной доводки конструкций, экономико-математического моделирования, регрессионного анализа, оценки эффективности и качества машин.
Научной новизной работы являются:
номенклатура показателей качества системы обеспечения комфортных условий в салоне автомобиля, их иерархическая классификация и методика оценки качества воздушной среды, основанная на интегральном критерии коэффициента качества, который определяется методом «профилей» и позволяет разноразмерные показатели качества объединить в один и сравнить его с показателями конкурентных автомобилей;
алгоритм выбора и методика расчета конструктивных элементов систем вентиляции и отопления, заключающиеся в отборе, классификации и систематизации показателей, оценивающих безопасность движения и' комфортность воздушной среды в салоне автомобиля на основе 3-х ступенчатой выборки, в которой предварительно принятые показатели новой модели последовательно оцениваются на эффективность системы обеспечения комфортных условий коэффициентом кратности циркуляции воздуха, на соответствие нормативным требованиям и на качество воздушной среды с помощью интегрального критерия коэффициента качества;
экспериментально полученные на натурном образце аэродинамические спектры обтекания и эпюры распределения давления по поверхности кузова автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА», позволяющие выявить характер потоков' воздуха в зонах расположения элементов системы вентиляции и отопления с
7 целью выбора рационального места расположения и формы блоков вытяжной вентиляции;
вновь полученная регрессионная модель расчета температуры в салоне легкового автомобиля особо малого класса, учитывающая такие метеорологические факторы окружающей среды, как температура, влажность, скорость ветра и время нагрева салона после запуска двигателя;
новый критерий оценки эффективности системы отопления салона легкового автомобиля — коэффициент кратности циркуляции воздуха,' рассчитываемый с учетом таких параметров, как внутренний объем салона, количество воздуха, проходящего через систему отопления, температуру воздуха в салоне и на выходе радиатора отопителя, суммарную теплопроизводительность, отличающийся от известного тем, что температура воздуха в салоне определяется по вновь предложенной четырехфакторной регрессионной модели.
Достоверность научных положений диссертации подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа современного состояния исследований в области систем обеспечения комфортных условий в салоне автомобилей, корректностью выбора исходных допущений и ограничений при постановке научных задач, достаточной адекватностью используемых математических моделей процессам отопления и вентиляции салонов автомобилей, строгостью использования современного математического аппарата при формализации проблемы создания комфортных условий в салоне автомобиля, совпадением результатов расчета по математической модели с результатами экспериментальных исследований, публикацией и апробацией основных положений работы на международном, всероссийском и отраслевом уровнях.
Практическая ценность:
- разработанная классификация показателей качества системы обеспечения
комфортных условий в салоне легкового автомобиля позволяет оценить
8 потребительские свойства автомобиля, подобрать параметры СОВ по введенным критериям и сравнить их с аналогами ещё на стадии разработки;
предложенный критерий оценки эффективности системы отопления способствует выбору рациональных параметров салона легкового автомобиля при разработке;
разработанная конструкция блока вытяжной вентиляции способствует обеспечению более комфортной воздушной среды в салоне автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА»;
разработанная блок-схема системы автоматизированного управления по обеспечению комфортных условий в салоне легкового автомобиля позволяет повысить эффективность ее работы для обеспечения требуемых значений параметров воздушной среды и безопасности движения.
Реализация результатов. Результаты теоретических исследований, а также разработанный метод оценки качества воздушной среды и расчет. эффективности отопления в салоне легкового автомобиля особо малого класса используются в ОАО «ЗМА» при выполнении опытно-конструкторских работ и в учебном процессе в Камском государственном политехническом институте.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATC (Казань: КГТУ-КАИ, 2001, 2003), Международной научно-практической конференции «Наука и практика. Диалоги нового века» (Набережные Челны: КамПИ, 2003), на всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса». (Екатеринбург: УГТУ, 2004, 2005), на III Международной научно-практической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза: АДИ ПТУ АС, 2004), на Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти: ТГУ, 2004), на межвузовской научно-практической конференции «Научно-исследовательская деятельность студентов - первый шаг
9 в науку» (Набережные Челны: КамПИ, 2004), «Вузовская наука - России» (Набережные Челны: КамПИ, 2005), «Студенчество. Интеллект. Будущее» (Набережные Челны: КамПИ, 2005), на Международном научном симпозиуме в рамках научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва: МГТУ «МАМИ», 2005), в НТЦ ОАО «КАМАЗ», на ОАО «ЗМА» и на кафедре «Автомобили и автомобильные перевозки» Камского государственного политехнического института (Набережные Челны, 2001-2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержащего 69 рисунков, 16 таблиц, список литературы включает 99 наименований, приложения приведены на 10 страницах.
В первой главе проводится анализ современного состояния систем обеспечения безопасности движения автомобиля и обзор методов обеспечения комфортных условий в салоне. Изложены предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи, сформулированы цели, дана характеристика проблемы и определены пути ее решения.
На современном этапе развития автомобилестроения, наряду с повышением надежности и снижения себестоимости, основное внимание уделяется повышению комфортных условий в салоне автомобиля. Основные параметры микроклимата, такие как влажность, температура, давление, химический состав воздуха в салоне, определяются эффективностью СОВ.
Решению этой проблемы посвящены труды В.Н. Андронова, А.К. Ватолина, А.В. Зимнихова, Г.Я. Кривуцкого, Е.В. Михайловского, Ю.И. Палутина, Л.Г. Резника, В.П. Хохрякова, А.С. Шелякина и др. Ими были разработаны новые методы испытаний и расчетов элементов СОВ. В то же
10 время изучение и оценку степени соответствия автомобилей условиям эксплуатации проводил ещё в 30-х годах предыдущего столетия академик Е.А. Чудаков. Д.П. Великанов также, указывал, что «автомобиль, как и всякая другая транспортная машина, обладает комплексом качеств, определяющих степень его пригодности к использованию в определённых условиях эксплуатации» [76].
Однако проблема качества воздушной среды в салоне автомобиля полностью не решена. В настоящее время отсутствуют также чёткие, реально выполнимые рекомендации по организации движения воздушных потоков в салоне автомобиля. В связи с тенденцией постоянного ужесточения требований к оцениваемым параметрам автомобиля, необходима эффективная расчетно-экспериментальная методика оценки качества воздушной среды салона автомобиля. На основе анализа установлено, что описываемые в научно-технической и справочной литературе методы расчётов и рекомендации по проектированию наиболее часто используемых конструктивных элементов СОВ салона автомобиля не отвечают современным требованиям. В частности, не учитывается комплексное влияние внешних и внутренних факторов на микроклимат в салоне.
Безопасность движения автомобиля в значительной степени зависит от надежной и эффективной защиты стекол от запотевания и обмерзания, что достигается равномерным его обдувом теплым воздухом из дефлекторов панели приборов. К сожалению, проблема запотевания боковых стекол у выпускаемых в настоящее время автомобилей ВАЗ-11113 «ОКА» не решена.
В главе определены и систематизированы основные требования к параметрам микроклимата салона автомобиля, с целью рационального размещения элементов систем обеспечения комфортных условий (СОКУ). Предложены этапы разработки СОВ салона автомобиля, составлена блок-схема цикла последовательности выполнения заданий. Из проведенного анализа следует, что для повышения технического уровня и конкурентоспособности
отечественной автомобильной техники в отношении совершенствования СОКУ необходимо внедрять элементы СОВ, такие как высокопроизводительный вентилятор, радиатор, автономный отопитель, кондиционер, угольный фильтр, тепло-шумоизолирующие материалы, отвечающие современным требованиям безопасности и экологичности.
Таким образом, возникает необходимость в разработке метода выбора конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса с целью повышения комфортности воздушной среды в салоне, который позволил бы выбрать рациональную конструкцию еще на стадии разработки при анализе альтернативных вариантов СОКУ. При этом необходимо учесть и тот фактор, что «ОКА» является социальным автомобилем и усовершенствование конструкции не должно существенно повышать его цену.
С учетом сформулированной цели и проведенного анализа нерешенных проблем по теме диссертации были определены основные задачи исследования.
Во второй главе проведён анализ влияния внешних и внутренних факторов на показатели качества СОКУ. Проведена их классификация по группам, позволяющая выявить показатели, которые имеют наибольшее влияние на комфортность воздушной среды, с целью дальнейшей оценки уровня качества воздушной среды салона конкурентных автомобилей, находящихся в одном классе. В работе также проведена систематизация параметров, влияющих на безопасность движения автомобиля и комфортность в салоне, по которым оценивается технический уровень автомобиля, что дает возможность сравнения его характеристик с аналогичными разработками. Для нахождения рабочего места водителя и пассажиров в зоне комфорта необходимо акцентировать внимание на параметры воздушной среды: температуру, влажность и скорость движения воздушных потоков по салону.
По результатам экспериментальных исследований и на основе применения методов математической статистики, получена зависимость результирующей температуры в салоне легкового автомобиля от
12 метеорологических факторов наружной среды. Для этих целей использовался метод многофакторного регрессионного анализа, который позволил найти функциональную взаимосвязь между признаками и определить степень влияния каждого независимого фактора на результирующий признак.
Для оценки эффективности системы отопления салона автомобиля предложен новый оценочный критерий - коэффициент кратности циркуляции, который определяется с учетом теплопроводности системы, объема салона, температур в рабочей зоне, определенный по вновь полученному четырехфакторному регрессионному уравнению.
В третьей главе приведена методика испытаний СОКУ и дан анализ результатов экспериментальных исследований по влиянию элементов конструкции салона на показатели качества воздушной среды.
Исследованы аэродинамические спектры обтекания и получены эпюры . распределения давлений по поверхности кузова автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА», позволяющие выявить характер потоков воздуха с целью определения рациональных мест расположения вытяжных отверстий. На их основе разработана конструкция блока вытяжной вентиляции, учитывающая габаритные, геометрические, эстетические и технические характеристики, обеспечивающая эффективную работу всей системы в целом. Приведена последовательность испытаний и используемое оборудование.
Показано, что интенсивность теплового потока в салоне определяет степень влияния внешних климатических воздействий. Организация надежной . вентиляции задней части салона любого движущегося автомобиля возможна только при выполнении условия пониженного давления в ней по отношению к давлению на выходе из отопителя. Однако добиться этого возможно только на автомобиле, у которого вытяжные проемы расположены в местах с разреженным давлением на поверхности кузова.
Общепринятые методы расчета, основанные на закономерностях турбулентных струйных течений, применительно к воздухораспределителям
13 СОВ салона автомобилей не позволяют получить точные расчетные параметры, так как истечение воздуха из дефлекторов происходит через отверстия в виде жалюзей. На распространение приточных струй воздушного потока, кроме воздуховодов, направляющих дефлекторов панели приборов, вытяжной вентиляции оказывают не малое влияние предметы и элементы интерьера салона, такие как форма и геометрия сидений, количество пассажиров, загруженность багажного отделения. Приведен анализ результатов испытаний по интенсивности «распотевания» боковых стекол автомобиля «ОКА».
В четвертой главе рассматриваются практические рекомендации и методика выбора конструктивных элементов СОВ салона легковых автомобилей. Приводится обоснование концепции их выбора и определения' параметров системы на основе расчёта по разработанному алгоритму. Проведенные расчеты показателей качества СОКУ, подтверждаемые соответствующими экспериментальными исследованиями, доказывают потенциальную возможность их оптимизации. Это позволяет создание на базе существующих конструкций салона автоматизированной системы контроля и управления микроклиматом с минимальными материальными затратами.
Проведена оценка и сравнение качества воздушной среды СОВ салона серийного и опытного автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» с помощью интегрального коэффициента качества воздушной среды методом «профилей» ' по 36 разноразмерным показателям.
На основе исследованных элементов СОВ салона легкового автомобиля разработана функциональная схема СОКУ, обеспечивающая постоянную комфортную воздушную среду в салоне легкового автомобиля, ориентированная на реализацию алгоритма управления элементами регулирования параметров воздушной среды.
В заключении приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертационной работы.
Влияние конструктивных элементов салона автомобиля на параметры систем обеспечения комфортных условий
В автомобилестроении, наряду с повышением надежности и снижением себестоимости, основное внимание уделяется повышению комфортабельных условий в салоне автомобиля [2]. Основные параметры микроклимата, такие как влажность, температура, давление, химический состав воздушной среды салона, определяются эффективностью СОВ [21].
Качество воздушной среды салона автомобиля зависит от вида системы вентиляции и отопления. Повышение эффективности СОКУ в период эксплуатации автомобиля сложная задача, поэтому велика значимость. заложенного технического решения системы на этапе разработки.
Разработка СОКУ проходит по двум направлениям. Первое направление это повышение эффективности СОВ, энергозависимых от двигателя внутреннего сгорания. Второе — это применение дополнительного оборудования и автоматизация управления систем [12].
Анализ современных СОВ показывает, что второе направление является наиболее прогрессивным, однако, оно влечет за собой повышение экономических и энергетических затрат при снижении надежности.
При комплексном подходе в решении задач, стоящих перед разработчиками, автомобиль необходимо рассматривать как единую систему взаимодействующих, функционально зависимых звеньев, показатели качества которых, необходимо оптимизировать по единому критерию [20, 70]. Данный критерий должен обеспечивать максимизацию безопасности и комфортности при оптимальных материальных и временных затратах. Добиться эффективных результатов по созданию комфортной среды в салоне невозможно только за счет конструктивных изменений СОВ автомобиля. Многообразие решений требует внедрения систем автоматизированного управления и регулирования параметров СОКУ на базе микропроцессорных систем, так как при ручной регулировке водителю постоянно приходится корректировать работу СОКУ, что доставляет неудобства и отвлекает от управления автомобилем [36, 48].
На работу системы кондиционирования оказывает влияние много факторов, таких, как скорость автомобиля, температура наружного воздуха, солнечная радиация, обороты двигателя и, соответственно, компрессора. Но установка кондиционера в автомобиле «ОКА», кроме удорожания, приведет к снижению мощности двигателя на 6 - 10 л.с. и увеличению расхода топлива на 5 - 10% [61].
Подбор вентилятора при проектировании системы вентиляции автомобиля производят, исходя из существующих санитарных норм: 40 - 60 м3/час воздуха на одного человека [32].
Так, производительность вентилятора отопителя модели ВАЗ-2108 на максимальной скорости равна 360 м3/ч в режиме вентиляции салона и 325 м3/ч -в режиме отопления. Этого обычно достаточно как для вентиляции летом, так и для отопления зимой. Теоретически увеличить производительность системы вентиляции возможно, установив более мощный вентилятор, но уже сейчас при включении максимальной скорости вентилятора отопителя зимой при температурах окружающего воздуха ниже минус 15С двигатель ВАЗ-2108 не прогревается выше температуры 70 - 75С [59]. Поэтому увеличивать производительность вентилятора в автомобиле «ОКА» с объемом двигателя вдвое меньше ВАЗ-2108, не имеет смысла.
Повышение эффективности вентиляции салона в автомобиле «ОКА» возможно за счет применения вытяжных отверстий. Места расположения отверстий вытяжной вентиляции определяют методами аэродинамических испытаний по коэффициенту статического давления. В каналах вытяжной вентиляции в обязательном порядке устанавливают обратные клапаны, которые препятствуют проникновению в салон автомобиля пыли, осадков и выхлопных газов.
На рисунке 1.14 показано расположение вытяжных вентиляционных отверстий в задней стойке автомобиля ВАЗ-1121 «ОКА-2».
Такой тип вытяжной вентиляции планируется к внедрению на новом семействе автомобилей ВАЗ-1118 «Калина», а в перспективе и при модернизации существующих автомобилей «ВАЗ». В практике мирового автомобилестроения в последнее время все большее распространение получает вытяжка через заднюю стойку или багажник [65]. Недостатком вытяжной вентиляции в дверях является нерациональное распределение и протекание воздушных потоков в салоне автомобиля. Зимой практически весь нагретый воздух, поднявшись из зоны ног вверх к потолку салона, поступает к холодному заднему стеклу. Там он охлаждается и направляется по спинке заднего сиденья и спинам задних пассажиров вниз, чтобы выйти наружу через вытяжку в задних дверях на уровне поясницы и почек пассажиров. Это явление называют «холодной волной». Оно характерно для всех переднеприводных автомобилей, в том числе и для «ОКИ». Кроме того, вытяжка в дверях приводит к быстрому запотеванию стекол.
Система вытяжной вентиляции через двери не может конкурировать с более совершенными системами. Для систем вентиляции через задние стойки и через багажник воздух из салона выходит через щель между нижней кромкой заднего стекла и задней полкой. А в летнее время это обеспечивает большее поступление свежего воздуха в зоны головы водителя и пассажиров. Вентиляция, осуществляемая через багажник, имеет и некоторые другие преимущества - это вентиляция багажника, снижение уровня шума, увеличение расходов воздуха в салоне, предотвращение запотевания стекол (рисунок 1.18)
Исследование зависимости температуры в салоне автомобиля от внешних и внутренних факторов
В результате анализа влияния внешних и внутренних факторов на показатели качества систем обеспечения комфортных условий проведена классификация по группам на основе систематизации параметров, влияющих на комфортность в салоне. Приведено исследование зависимости температуры в салоне автомобиля от внешних и внутренних факторов. Для оценки эффективности системы отопления салона автомобиля предложен новый оценочный критерий -коэффициент кратности циркуляции воздуха, который определяется с учетом теплопроводности системы, объема салона, температур в рабочей зоне, определенный по вновь полученному четырехфакторному регрессионному уравнению.
Сравнительная оценка требуемых значений параметров воздушной среды и полученных в результате моделирования и экспериментальных исследований показывает возможность создания микроклимата, отвечающего современным требованиям. Расчёт производился исходя из полученных экспериментальных данных с автомобиля, дооборудованного опытным блоком вытяжной вентиляции.
Приведен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных температуры в салоне. Расхождения между результатами составили 3С. Одной из острейших социальных проблем является проблема снижения уровня аварийности на автомобильных дорогах, вследствие которой растёт число погибших и пострадавших в дорожно-транспортных происшествиях. Можно выделить следующие основные причины аварий: по вине водителя, по вине пешехода, из-за технического состояния автомобиля, качество дорожного , покрытия, влияние погодных условий [26, 77].
Безопасность движения автомобиля, в частности автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» в значительной степени зависит от состояния микроклимата в салоне, который обеспечивается эффективностью системы вентиляции и отопления, и комфортным, эргономично сконструированным салоном [27, 68].
Системы, обеспечивающие микроклимат в салоне автомобиля, выполняют важную функцию повышения активной безопасности автомобиля. Во-первых, в комфортных условиях повышается способность водителя к концентрации внимания на быстро изменяющиеся условия движения. Во-вторых, целенаправленное распределение воздушных потоков из системы отопления и вентиляции позволяет избежать конденсации влаги на стеклах автомобиля, и тем самым обеспечивается хорошая видимость.
Низкие температуры внешней среды ухудшают эксплуатационные свойства автомобилей и физико-химические свойства эксплуатационных и конструктивных материалов. Ухудшение пусковых характеристик двигателя, низкая надежность средств облегчения запуска или предпускового его подогрева, повышенное потребление электроэнергии вызывают необходимость работы двигателя на средних оборотах холостого хода, что ухудшает экологическую обстановку.
Сложность эксплуатации усугубляется неудовлетворительными дорожными условиями, ограничивающими видимость (сложный макропрофиль в плане, пыле-дождевой туманный шлейф за автомобилем, белый окружающий фон и т.д.) и вызывающими повышенную вибрацию и повреждаемость элементов конструкции автомобиля [60, 78].
Систематизация влияния внешних и внутренних факторов на безопасность движения автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» выявила необходимость проведения экспериментальных исследований аэродинамики кузова и распределения температуры воздуха в салоне. Это позволит определить конструктивные решения элементов СОКУ, с целью оптимизации ее параметров. Экспериментальные исследования распределения воздушных потоков на, поверхности кузова автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» проводились с целью учёта распределения давления по поверхности для оптимального выбора мест расположения вытяжных отверстий и проверки соответствия параметров микроклимата в салоне требованиям ГОСТ Р 50993-96 «Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Требования к эффективности и безопасности». Место расположения и форма блока вытяжной вентиляции влияет не только на экстерьер и интерьер автомобиля, но и на удовлетворение требованиям обеспечения комфортной среды в салоне автомобиля [71]. Вентиляция в салоне автомобиля должна обеспечивать его необходимым, количеством свежего воздуха, удалять теплоизбытки из салона, предотвращать попадание в него выхлопных газов, пыли и осадков. Результаты исследований направлены на повышение эффективности систем вентиляции, отопления и качества воздушной среды салона. Испытания по визуализации процесса обтекания воздушным потоком кузова автомобиля проводились на взлетно-посадочной полосе аэропорта «Бегишево» в феврале - марте 2003 года при температуре окружающей среды от минус 10 до плюс 5С и скорости встречного ветра 3-4 м/с. Визуализация воздушного потока у поверхности кузова автомобиля производилась наклеиванием на него «шелковинок», представляющих собой пучки из десяти хлопчатобумажных нитей, длиной до 100 мм с помощью липкой ленты. Для визуализации воздушного потока у радиатора были закреплены «шелковинки» на рамке, установленной на расстоянии 150 мм от решетки. Распределение нитей «шелковинок» в воздушном потоке позволяет определить турбулентность потока перед решеткой радиатора, влияющего на распределение давления по поверхности кузова [15]. Анализ распределения воздушных потоков у поверхности кузова производился с помощью видеосъемки. Автомобиль двигался прямолинейно с заданными скоростями 40, 60 и 80 км/ч. Перемещение видеокамеры осуществлялось с той же скоростью, на расстоянии 4 - 5 м от испытуемого автомобиля.
Исследование внешней поверхности кузова автомобиля ВАЗ-Ill 13 «ОКА» с целью выбора оптимального места расположения вытяжных отверстий
Проанализировав состояние воздушной среды салона автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» со штатной системой вентиляции и отопления можно сделать-следующие выводы, что в салоне автомобиля движение воздушных потоков хаотично из-за наличия препятствий в виде конструкций элементов интерьера салона. Скорость воздушных потоков и интенсивность вентилирования передней части салона в несколько раз превышает интенсивность вентилирования задней части салона, поэтому образуются застойные участки.
Температура воздуха в салоне автомобиля в зимний период не соответствует требованиям ГОСТ Р 50993-96, поскольку разница температур в зоне головы и ног водителя и пассажиров доходит до 7С, при допуске 3...5С. Хотя в холодный период года температура воздуха в зоне головы должна быть на 4...5С ниже, чем в зоне ног.
Производительность вентиляционной системы и теплопроизводительность системы отопления недостаточны, вследствие чего происходит «запотевание» и «обмерзание» стекол. Ряд преимуществ имеет опытная система вентиляции с вытяжкой в районе задней стойки. В этом случае поступивший в заднюю часть салона нагретый воздух охлаждается и удаляется из него через вытяжные отверстия, расположенные на уровне головы пассажира в районе задней стойки, исключая эффект «холодной волны». При этом повышается температура в зоне ног, задних пассажиров в среднем на 3...4С.
Такая система вентиляции является оптимальной и в летний период эксплуатации за счет значительного снижения выхода воздуха через вентиляционные отверстия в дверях. Прогретый воздушный поток будет удаляться вытяжной системой в районе задней стойки.
Недостатком данной вытяжной вентиляции является зависимость ее эффективности от скорости движения автомобиля. Так при движении со. скоростью 80-100 км/ч вентиляционные отверстия попадают в зону интенсивного разрежения и отсоса воздуха из салона, поэтому в салоне. автомобиля может преобладать пониженное давление даже при включенном вентиляторе. Это явление может привести к подсосу пыли, а в зимний период холодного воздуха, поэтому эффективность вентиляции с вытяжкой в районе задней стойки напрямую зависит от герметичности кузова и производительности вентилятора отопителя.
Система вентиляции с вытяжкой в районе задней стойки при согласованной работе с системой отопления является вполне работоспособной альтернативой, но только с применением современных компонентов системы вентиляции и отопления. Теплопроизводительность штатной СОВ салона явно недостаточны, поэтому не рекомендуется совместное использование вентиляционных отверстий в районе задней стойки и в торцевой части дверей ввиду резкого снижения герметичности и, как следствие, тепловых потерь.
Важной задачей СОВ является предотвращение запотеванию и обмерзанию стекол салона. Это достигается равномерным обдувом стекол теплым воздухом.
Для создания надлежащего обдува и избыточного давления в салоне необходимо заменить штатный осевой вентилятор двухконсольным радиальным вентилятором с высокооборотным электродвигателем. Хотя при установке радиального вентилятора создается дополнительное сопротивление входящему воздуху при не работающем вентиляторе, что влечет за собой необходимость постоянно включенного на минимальную скорость электродвигателя отопителя. Но учитывая преимущественное использование легкового автомобиля особо малого класса ВАЗ-11113 «ОКА» в городском цикле, при регулярных остановках на перекрестках, движению со скоростью 40 - 60 км/ч, естественная вентиляция в таких условиях практически не работает, т.е. без принудительной вентиляции не обойтись. Данное техническое решение благоприятно повлияет на повышение комфортности воздушной среды за счет воздухообмена салоне, так и на улучшение обзорности путем предотвращения образования конденсата на стеклах.
Для обеспечения комфортной воздушной среды в салоне легкового автомобиля особо малого класса разработан алгоритм выбора и расчета конструктивных элементов систем вентиляции и отопления, заключающийся в выборе, классификации и систематизации показателей, оценивающих безопасность движения и уровень качества воздушной среды; сделан расчет результирующей температуры в салоне, зависимой от внешних и внутренних факторов; определен интегральный показатель качества воздушной среды; вновь выведен коэффициент кратности циркуляции воздуха (рисунок 4.1) [18, 57, 63].
Для рационального выбора и последовательного расчета конструктивных элементов СОКУ представлен 3-х ступенчатый алгоритм, в котором предварительно принятые показатели новой модели оцениваются на эффективность СОКУ по коэффициенту кратности циркуляции воздуха (Кц), проверяются на соответствие ГОСТ Р 509993-96 «Системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Требования к эффективности и безопасности» (см. таблицу 3.6), а затем оцениваются по интегральному показателю качества воздушной среды (Кк) [19].
В основе алгоритма заложен анализ исследования существующих, конструкций СОКУ конкурентных моделей автомобилей особо малого класса, выбор параметров системы вентиляции и отопления, расчет конструктивных элементов в салоне автомобиля (см. приложение 2). Данный алгоритм позволяет сравнить конструктивные решения СОКУ и определить влияние различных параметров на эффективность работы всей системы в целом [22].
Оценка качества воздушной среды системы вентиляции и отопления салона автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА»
Проведенные, в диссертационной работе, исследования показали, что СОВ салона серийного автомобиля не соответствует современным требованиям и возникает необходимость повышения ее эффективности.
Показатели качества СОКУ, к которым относятся распределение температурного поля воздуха по объему салона, давление, влажность, скорость движения воздушных потоков, время достижения заданных параметров и т.п., отвечают за безопасность движения автомобиля.
В результате внедрения теоретически и экспериментально обоснованных разработанных элементов вентиляции и отопления салона автомобиля снижается разность температур в нижней и верхней частей салона на 3 - 4С, что влечет за собой снижения уровня запотевания боковых стекол.
Из этого следует, что поставленная цель - научное обоснование методов выбора конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса по критерию комфортности воздушной среды в салоне, обеспечивающее эффективную работу и управление системой вентиляции и отопления -достигнута за счет конструктивных изменений элементов СОКУ и введения автоматического управления параметрами микроклимата. Полученные решения снижают риск возникновения аварийных ситуаций при движении автомобиля.
В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты работы: 1. По результатам анализа проблем качества обеспечения комфортных воздушных условий в салонах легковых автомобилей установлены причины неравномерного распределения воздушных потоков по салону, большие" разницы температур в зонах головы и ног передних и задних пассажиров, запотевание боковых стекол. Причинами недостатков являются изначально заложенные несовершенства конструкций, некорректно подобранные характеристики системы, некачественное изготовление. Что объясняются отсутствием объективных данных о характерных особенностях СОВ, комплексных методик расчёта и испытаний, рекомендаций по сравнительной оценке СОВ конкурентных моделей автомобилей. 2. Разработана номенклатура показателей качества системы обеспечения комфортных условий в салоне автомобиля, их иерархическая классификация и методика оценки качества воздушной среды, основанная на интегральном критерии коэффициента качества, который определяется методом «профилей» и позволяет разноразмерные показатели качества объединить в один и сравнить его с показателями конкурентных автомобилей. Сравнение коэффициентов качества салонов опытного и серийного автомобилей «ОКА» показали повышение качества воздушной среды при применении экспериментальных блоков вытяжной вентиляции в 1,2 раза. Коэффициенты качества составили 0,637 и 0,524 соответственно. 3. Разработан алгоритм выбора и метод расчета конструктивных элементов систем вентиляции и отопления, заключающийся в отборе, классификации и систематизации показателей, оценивающих безопасность движения и комфортность воздушной среды в салоне автомобиля на основе 3-х ступенчатой выборки, в которой предварительно принятые показатели новой модели последовательно оцениваются на эффективность системы обеспечения комфортных условий коэффициентом кратности циркуляции воздуха, на соответствие нормативныммгрёбованиям и на качество воздушной среды с помощью интегрального критерия коэффициента качества. 4. Экспериментально получены на натурном образце аэродинамические спектры обтекания и цифровые значения распределения давления по поверхности кузова автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА», позволяющие выявить характер потоков воздуха в зонах расположения элементов системы вентиляции и отопления с целью выбора рационального места расположения и формы блоков вытяжной вентиляции. Благоприятная зона находится в области задней стойки боковины кузова, поскольку характеризуется необходимым для обеспечения вентиляции разрежением при скорости 60 км/ч, давление на поверхности кузова составляет - 36 Па, при 80 км/ч - 67 Па. Установка дополнительного блока вытяжной вентиляции позволила повысить температуру в зоне ног задних пассажиров на 3...4С. 5. Получена регрессионная модель расчета температуры в салоне легкового автомобиля особо малого класса, учитывающая такие метеорологические факторы окружающей среды, как температура, влажность, скорость ветра и время нагрева салона после запуска двигателя. Проверка множественного коэффициента корреляции по критерию Фишера и коэффициентов регрессии -по критерию Стьюдента для уровня достоверности а=0,05 значимы. Множественный коэффициент корреляции - 0,97. Средняя ошибка, аппроксимации менее 1 %. 6. Предложен новый критерий оценки эффективности системы отопления салона легкового автомобиля - коэффициент кратности циркуляции воздуха, рассчитываемый с учетом таких параметров, как внутренний объем салона, количество воздуха, проходящего через систему отопления, температуру воздуха в салоне и на выходе радиатора отопителя, суммарную теплопроизводительность, отличающийся от известного тем, что температура воздуха в салоне определяется по вновь предложенной четырехфакторной регрессионной модели. Коэффициент кратности циркуляции воздуха опытного . автомобиля ВАЗ-11113 «ОКА» составил 0,29-0,47 м3/с при минимальных и максимальных режимах работы СОВ, а у серийного автомобиля он не превышает 0,3 м /с.
