Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния вопроса проектирования квадрициклов
1.1. Исторический аспект создания малогабаритных 14 микролитражных механических транспортных средств
1.2. Анализ законодательных сведений о квадрициклах 21
1.3. Пассивная безопасность квадрициклов автомобильного тяпа . 27
1.4. Анализ производства квадрициклов автомобильного типа... 32
1.5. Постановка цели и задач исследования 38
Глава 2. Разработка методических рекомендаций для дизайнерского проектирования квадрициклов
2.1. Типаж квадрициклов 40
2.2. Выбор типа конструкции кузова автомобильного типа при художественно-конструкторской разработке новых моделей квадрициклов 44
2.3. Анализ зависимости формообразования кузова квадрицикла от его типа конструкции 53
2.4. Компоновочные и эргономические правила проектирования квадрициклов 61
2.5. Алгоритм прочностного анализа каркасной конструкции узова квадрицикла на стадии эскизного проекта 76
2.6. Анализ зависимости формального решения кузова квадрицикла от законодательного предела максимальной конструктивной скорости 87
Глава 3. Разработка комбинированной энергосиловой установки для квадрицикла
3.1. Развитие автомобилей с комбинированной энергосиловой установки
3.2. Обоснование базовых параметров квадрицикла L7 с комбинированной энергосиловой установкой
3.3. Анализ конструктивных схем комбинированной энергосиловой установки для квадрицикла
3.4. Обоснование параметров ступенчатой трансмиссии квадрицикла L7, оборудованного комбинированной энергосиловой установкой
Глава 4. Разработка методов выбора конструктивных параметров и характеристик квадрицикла с комбинированной энергосиловой установкой
4.1. Формальная постановка за/дачи оптиминального проектирования квадрицикла с комбинированной энергосиловой установкой
4.2. Моделирование показателей качества квадрицикла с комбинированной энергосиловои установкой
4.3. Методика построения обобщенного критерия качества и учета конструктивных, критериальных и эксплуатационных ограничений при выборе
Заключение и выводы 161
Литература 164
Приложение
- Пассивная безопасность квадрициклов автомобильного тяпа
- Выбор типа конструкции кузова автомобильного типа при художественно-конструкторской разработке новых моделей квадрициклов
- Обоснование базовых параметров квадрицикла L7 с комбинированной энергосиловой установкой
- Моделирование показателей качества квадрицикла с комбинированной энергосиловои установкой
Введение к работе
Актуальность работы. Высокая насыщенность транспортных средств (ТС), оснащенных тепловым двигателем (ТД), и их эксплуатация привела к выбрасыванию в атмосферу большого количества отработавших газов, окиси углерода и других вредных составляющих. Особо ощутимо это проявляется в крупных городах, где загрязнение воздушного бассейна, серьезно влияющее на здоровье горожан, становится острой экологической проблемой. Например, по данным Москомприроды отмечено, что в воздушный бассейн г. Москвы передвижными источниками, в основном автомобильным транспортом, выброшено почти в 12 раз больше загрязняющих веществ, чем стационарными источниками. К сожалению, подобное положение наблюдается и в других крупных городах, например, в Нижнем Новгороде Я6 % загрязнения воздуха дает автотранспорт [300].
Эта проблема давно беспокоит общественность, ученых, конструкторов и других категорий людей, которые ищут пути и методы ее решения. Безусловно, работа должна вестись в сочетании различных направлений: увеличение количества общественного электротранспорта; упорядочение нормативных требований по экологии, удовлетворяющих нормам Комитета по транспорту ЕЭК ООН (ЕВРО-2, ЕВРО-3, ЕВРО-4), и, что важно, разработка обоснованных нормативно-экономических документов и методов изучения, контроля и регулирования состояния экологической обстановки; планомерный регулируемый переход на автотранспорт с улучшенными экологическими характеристиками и др. Однако, решение этой проблемы в целом во многом зависит от совершенства и технического состояния самого источника загрязнения, т.к. любые запретительно-регулирующие, экономические и другие меры, регулирование загруженности транспортных потоков и т.п. не приведут к значительному улучшению экологической обстановки воздушного бассейна городов и уменьшению количества эксплуатируемых ТС. На период до 2050 года прогнозируется активное увели-
7 чение количества ТС, поэтому основной целью в долгосрочной перспективе является внедрение ТС с нулевым (минимальными) выбросами. Это позволит не допустить уравнения применяемых мер по улучшению энергетической и экологической эффективности ТС количеством выбросов, связанных с увеличением ТС [37]. Например, в соответствии с концепцией развития автомобильной промышленности РФ (распоряжение Правительства РФ от 16 июля 2002 года № 978-р [249]) парк легковых автомобилей (ЛА) возрастет к 2010 году с 21,2 до 30-33 млн. штук, в том числе иностранного производства (большая часть из которых не новые) с 4,6 до 7-8 млн. штук. При этом число ЛА на 1 тыс. жителей увеличится со 140 до 245 штук.
Имеются несколько известных путей уменьшения загрязнения воздуха отработавшими газами тепловых двигателей внутреннего сгорания (ЛВС): создание систем дожигания и нейтрализации несгоревших продуктов и вредных примесей; совершенствование конструкций самих ТС с целью уменьшения затрат энергии на их работу; производство и реализация топлива с улучшенными экологическими показателями; применение альтернативных видов топлива, например, сжатого и сжиженного природного газа; разработка новых типов двигателей и др.
Известно также, что одним из направлений решения проблем экологии крупных городов является замена ТД, используемых в настоящее время в конструкциях большинства ТС, электрическими двигателями (ЭД), не загрязняющими окружающую среду и производящими гораздо меньше шума. Многие автомобильные фирмы работают над созданием конструкции электромобиля, способного конкурировать по своим эксплуатационным свойствам с обычными автомобилями. Такие работы не теряют своей актуальности и в настоящее время, но на современном уровне развития электрохимической промышленности в мире широкое развитие электромобиля проблематично из-за отсутствия эффективных накопителей электроэнергии приемлемых габаритов, размеров, массы и стоимости, невозможно также обеспечить путевой пробег электромобиля, срав-
8 нимый с пробегом ЛА на одной заправке топливом. При этом возникает экологическая проблема утилизации отработавших накопителей электрической энергии,
Указанные выше проблемы создания чистого электромобиля и преимущества комбинированной энергосиловой установки (КЭСУ) с тепловым двигателем (ТД) по энергетической и экологической эффективности позволили сделать вывод о необходимости проведения исследований, направленных на разработку конструкций КЭСУ, состоящих из ТД и ЭД [122, 123]. В КЭСУ более эффективно используется электрическая (ЭД) и тепловая (ТД) энергии при выполнении заданного объема работ, что в результате позволяет улучшить топливную экономичность на 30-50 %, уменьшить уровень шума, существенно повысить экологическую безопасность ТС. Улучшение указанных эксплуатационных свойств происходит за счет возможности применения в конструкции маломощного ТД и обеспечения его работы на установившихся или близких к ним режимах. В процессе торможения и замедления происходит рекуперация кинетической энергии ТС, т.е, ЭД работает в генераторном релшме, 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 и других типов ТС, которые используют в своих конструкциях ТД.
В мире КЭСУ занимается ряд известных фирм в Европе (BMW, Audi, Porsche, VW, Mercedes, Opel, Renault, Peugeot, Citroen, Fiat, Saab, Volvo и др.), Америке (GMC, Ford, Daimler Chrysler, Dodge и др.) и Японии (Toyota Motor, Honda Motor, Mazda, Subaru, Nissan, Mitsubishi, Suzuki и др.), По объемам продаж в настоящее время в мире лидирует гибридный автомобиль Toyota Prius, который производит половину гибридных автомобилей, выпускаемых в мире. Выбросы модели Toyota Prius несгоревших углеводородов CFI и окислов азота
9 N0X снижены на 90 %, а углекислого газа С02 на 50 % в сравнении с обычным автомобилем модели «Carolla» [254], Например, в США в декабре 2005 года было продано: Toyota Prius - более 9000 шт., Honda Civic Hybrid - 2528 шт., Toyota Highlander Hybrid - 2198 шт., Lexus RX 400h - 2172 шт., Honda Accord Hybrid - 720 шт., Honda Insight Hybrid - 42 шт.
Дорожное движение современных крупных городов характеризуется высокой загруженностью транспортных потоков, малыми средней скоростью (30-40 км/ч), протяженностью ежедневного пути (не более 70 км) и количеством пассажиров (1-2 человека). В связи с увеличением количества ТС, повышения их динамических свойств и снижением водительской грамотности у владельцев ТС увеличивается аварийность эксплуатации (количество раненых и погибших ежегодно в мире более 10 млн. человек, а в РФ за последние 10 лет погибло 315,1 тыс. человек [189]).
По данным ОАО «Автосельхозмаш-Холдинг» рынок малогабаритных ТС в России к 2010 году составит по 500 тыс. единиц в год, в дальнейшем рынок увеличится до 1 млн. единиц в год7 в настоящее время потенциальная емкость рынка 200-250 тыс. единиц. Так в 2001 году суммарный объем производства малогабаритных ТС составил 62,5 тыс. единиц. В России и СНГ рыночная ниша по производству квадрициклов практически свободна.
ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» выявил проблемы повышения конкурентоспособности российских легковых автомобилей до 2010 года согласно требованиям автомобильного рынка: качество изготовления и надежность; расширение типоразмерного ряда выпускаемых моделей и модификаций; экология; безопасность; дизайн; эргономика; комфортабельность. Одним из главных направлений отмечается применение полимерных материалов в крупногабаритных кузовных деталях [107]. Действие с 2001 года Директивы ЕС 2000/53/ЕС «Транспортные средства, вышедшие из эксплуатации» и подготовка проектов законодательства в РФ приводит к повышению степени пригодности ТС к утилизации не менее 85% к 2006 году и не менее 95% - к 2015 году [107; 138].
10 В решении вышеизложенных проблем имеет преимущество разработка в РФ недорогого экономичного двухместного микролитражного автомобиля особо малого класса (квадрицикла автомобильного типа (КАТ)), обладающего преимуществами по налогам, парковке и допуску к управлению. Производство КАТ может осуществляться на готовых производственных мощностях мотоциклетных заводов. Увеличение производства автомобилей особо малого класса (квадрициклов) относится к приоритетным направлениям в концепции развития автомобильной промышленности России (распоряжение Правительства РФ от 16 июля 2002 года № 978-р [249]).
Реализация на практике рассмотренных двух направлений совершенствования ТС позволит решить ряд экологических, социально-экономических проблем крупных городов и промышленных регионов, а их разумное сочетание в конструкции одного ТС - создать гибридный микролитражный автомобиль особо малого класса (КАТ) для эксплуатации в основном в городских условиях с высоким уровнем показателей топливной экономичности и экологических свойств.
Объектом исследования является ТС категорий Lc и L7 (квадрициклы). Предметом исследования - выбор параметров и методические рекомендации дизайнерского проектирования квадрициклов с КЭСУ.
Цель исследования - разработка научно-методических основ дизайнерского проектирования двухместного легкового автомобиля особо малого класса (квадрицикла) с КЭСУ для эксплуатации, в основном, в городских условиях.
Задачи исследования:
исследовать современное состояние вопроса проектирования квадрициклов;
разработать алгоритм выбора типа конструкции кузова автомобильного типа при художественно-конструкторской разработке новых моделей квадрициклов;
разработать компоновочные и эргономические правила проектирования квадрициклов;
разработать алгоритм прочностного анализа кузова квадрицикла на стадии эс-
кизного проекта;
обосновать выбор базовых параметров квадрицикла категории L7 с КЭСУ;
выбрать рациональную конструктивную схему КЭСУ для квадрицикла и разработать методы выбора конструктивных параметров и характеристик квадрицикла с КЭСУ.
Методы исследования. Теория анализа и синтеза систем; теория системного подхода к проектированию машин; методы математического моделирования; методы прочностных исследований; методы инженерного творчества; теория принятия решений.
Достоверность и обоснованность. В процессе исследования выполнены в достаточном объеме поисковые, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению разработанных параметров и методических рекомендаций для дизайнерского проектирования квадрициклов с КЭСУ. Достоверность исследования обеспечена применением его основных положений в практической деятельности конструкторов, дизайнеров и их апробацией в макетных образцах, научных публикациях автора и докладах на научно-технических конференциях.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
разработан типаж квадрициклов по назначению и эргономическим параметрам;
разработан алгоритм выбора типа конструкции кузова автомобильного типа при художественно-конструкторской разработке новых моделей квадрициклов;
выработаны рекомендации для дизайнера и конструктора по компоновочным и эргономическим правилам проектирования квадрициклов с учетом параметров рабочей позы (посадки) водителя и пассажира;
разработан алгоритм прочностного анализа кузова квадрицикла на стадии эскизного проекта;
исследованы конструктивные схемы КЭСУ для квадрицикла и рекомендована наиболее рациональная схема (параллельное соединение двигателей);
разработаны методы выбора конструктивных параметров и характеристик
12 квадрицикла с КЭСУ, выявлено, что при разработке внешних форм квадрицик-ла Le не требуется согласования и расчета Сх.
Практическая полезность. Основные положения исследования, методы, алгоритмы, рекомендации могут быть применены предприятиями мотоциклетной и автомобильной промышленности РФ для разработки перспективного конкурентоспособного вида транспорта с КЭСУ.
Реализация результатов. В период 2002-2006 гг. автор диссертации на ОАО «Ижевские мотоциклы» принимал участие в проектных работах по созданию новых моделей квадрициклов с КЭСУ в соответствии с темой НИР «Разработка научных основ создания конкурентоспособного автомобиля особо малого класса (квадрицикла) с гибридной энергосиловой установкой», выполняемой в рамках научно-технической программы 2003-2004 гг. Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук. Диссертационная работа выполнялась в рамках гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук Минобразования РФ 2003-2004 гг. [243], а ее результаты исследования использованы в целевой аналитической программе Минобр-науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» и в договоре с ГОУ ВПО «Московский государственный технический университет «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), 2006 г.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXX и ХХХШ итоговых студенческих научных конференциях ГОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» (г. Ижевск, май 2002 г. и апрель 2005 г.), на IV международной научно-технической конференции (НТК) «ІТ&ІР'ОЗ - Информационные технологии в инновационных проектах»
13 (г. Ижевск, ГОУ ВПО «ИжГТУ», 29-30 мая 2003 г.), на конференции в ГОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» «Искусствоведение. Художественное образование в Удмуртии», посвященной 45-летию Института искусств и дизайна (г. Ижевск, октябрь 2004 г.), на научно-техническом форуме с международном участием «Высокие технологии - 2004» (г, Ижевск, ГОУ ВПО «ИжГТУ», 23-26 ноября 2004 г.), на II всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений РФ «Иннов - 2005» (г. Новочеркасск, ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НИИ)», 19-21 мая 2005 г.), на X международной НТК «Современные тенденций развития транспортного машиностроения» (г. Пенза, ГОУ ВПО «ПТУ», 27-28 мая 2005 г.), на 53 международной НТК «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (г, Ижевск, ОАО «ИжАв-то», 22-23 марта 2006 г.), на региональной НТК «Экологическая и эксплуатационная безопасность подвижных транспортных средств» (г. Чайковский, ГОУ ВПО «ЧТИ (филиал ИжГТУ)», май 2006 г.).
Диссертация неоднократно докладывалась на кафедрах «Дизайн промышленных изделий» ГОУ ВПО «Удмуртский государственный университет», «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет».
Публикации. По теме исследования опубликованы 1 монография (в соавторстве), 13 научных статей (3 входят в перечень научных журналов, рекомендованных ВАК РФ), 2 тезиса докладов и 3 научно-технических отчета с государственной регистрацией.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и выводов, списка литературы (343 наименований), 2 приложений и содержит 193 страницы, 90 рисунков, 22 таблицы.
Пассивная безопасность квадрициклов автомобильного тяпа
С каждым годом увеличивается количество дорожно-транспортных происшествий (ДТП) на дорогах РФ. Увеличение передвижного парка ТС и их динамических свойств, снижение водительской грамотности у владельцев ТС и как следствие увеличение количества раненых и погибших в результате ДТП. Ежегодно раненных и погибших в мире более 10 млн. человек, а в РФ за последние 10 лет погибло 315,1 тыс. человек [189].
Во Франции ONISR (Observatoire National Interministeriel de Securite Routiere - Межведомственная Национальная Обсерватория Службы безопасности движения) провела ряд исследований, в результате которых отмечено, что квадрициклы категорий L6e (L6), L7e (L7) [59; 327] автомобильного типа [6; 58] имеют лучшие показатели по пассивной безопасности в сравнении с автомобилем, мопедом и мотоциклом (рис. 3, табл. 2). Стоит отметить, что Франция удерживает лидерство в Европе по количеству пользователей КАТ (рис. 4) по данным AFQUAD, которое достаточно для получения достоверных результатов исследований. В 2004 году AFQUAD провела исследования пострадавших (погибшие + раненные) в ДТП по отношению к европейскому действующего парку квадрициклов (табл.3 и табл. 4).
Для квадрициклов необязателвнві и нерегламентированны требованиями по одобрению прохождение креш-тестов, характерные для ТС категории М. Но в Европе фирмы «AIXAM-MEGA» (с 1988 года, Франция), «GRECAV S.p.A. (GONZAGA)» (с модели «ЕКЕ 505», Италия) испытывает свои модели квадрициклов в тестах активной и пассивной безопасности (рис. 5-7). Эти испытания обеспечивают максималвную безопасноств водителя, пассажира и управляемость ТС. (управление - с 14 лет) не решают эту проблему, так как мопед более травмоопасное ТС (рис. 3), а также что касается обучения вождению ТС автомобильного типа и ППД, уважения других участников дорожного движения категории населения до 18 лет. Пожилая категория населения и люди с ограниченными физическими возможностями уже не могут сдать выше упомянутые экзамены. Альтернативой является квадрициклы категорий L6 (L6e), L7 (Lie) автомобильного типа в силу возможности управления их без автомобильного водительского удостоверения с 14 лет (Lg) и с мотоциклетным водительским удостоверением с 16 лет (L7).
Потребителям КАТ с получением автомобильного водительского удостоверения, не нужно будет привыкать к управлению ТС категории М (органы управления и посадка водителя соответствуют). Переход на ТС категории М будет осуществляться профессиональным ростом (лучшим пониманием дорожного движения и поведения на дороге), а не совершение дорожных нарушений.
В 1991 году производители квадрициклов Европы (Голландии, Франции, Австрии, Испании) предложили совместно с гражданскими властями бесплатное образование любому покупателю-новичку нового квадрицикла в специальной созданной ими автошколе. Это теоретическое и практическое обучение было адаптировано к молодой (до 18 лет) и пожилой категории населения. Большинство потребителей квадрициклов было обучено поведению и правилам дорожного движения дистрибуторами производителей квадрициклов. Именно эта система позволила квадрициклу стать «хорошим учеником» (потребитель) в вопросе о безопасности дорожного движения. Это наилучшее решение, чтобы приводить будущих водителей (участников дорожного движения) на дороги и гарантировать общую безопасность дорожного движения. Данная практика дает результаты в статистике ДТП (табл. 3 и табл. 4), в которых участвовали квадрициклы (и их потребители), что актуально в РФ.
Выбор типа конструкции кузова автомобильного типа при художественно-конструкторской разработке новых моделей квадрициклов
Выбор технических параметров конструктивного решения кузова ТС целесообразнее осуществлять на проектных стадиях создания ТС (легкость внесения изменений в проектные решения). Правильность выбора конструктивных параметров обеспечивается конструктивным и технологическим уровнями современных существующих решений и производства, а также уровнем совершенства и обоснованности применяемых методов при выборе конструктивных параметров, влияющие на определение эксплуатационных свойств ТС.
При художественно-конструкторской разработке кузова автомобильного типа [59] новой модели квадрицикла выбор конструктивного решения кузова должен основываться на регламентируемых законодательством ЕС и РФ [58; 59; 327] при одобрении категории ТС технико-конструктивных параметрах. Законодательством при одобрении квадрициклов категорий L6 (L6e), L7 (L7e) [58; 59; 327] регламентируется четыре технико-конструктивных параметра: ненагруженная масса, максимальная эффективная мощность двигателя, рабочий объем ДВС и максимальная конструктивная скорость (табл. 6). Табл. 6 показывает, что технико-конструктивные параметры при одобрении квадрицикла L6 соответствуют параметрам при одобрении категорий Li (Lie), L2 (L2e) (двухколесный и трехколесные мопеды, рис. 22). Это предопределяет специфичные конструкторско-компоновочные решения кузова автомобильного типа квадрицикла, так как при проектировании категорий L( (Lie) - L5 (L5e), которым характерно не применение конструкции кузова автомобильного типа, учитывается соответствующие технико-конструктивные параметры. Регламентируемые требования будут определять конструктивное решение кузова квадрицикла, а конструкция кузова - назначение и условия эксплуатации (городские и полевые) квадрицикла, учитывая финансовую стоимость ТС, имеющиеся производственные мощности, возможность модернизации и быстрой смены моделей кузова и компенсацию финансовой стоимости экологической сложной энергосиловой установки (в случае с КЭСУ) и пр. Конструкция кузова квадрицикла при обеспечении малой ненагружениой массы [58; 59; 327] (малых массогабаритных показателей ТС) должна иметь достаточную прочность и жесткость, для противостояния рабочим нагрузкам, возникающим при определенных условиях эксплуатации ТС (преимущественно в городских условиях). Кузов должен иметь конструктивные элементы обеспечения пассивной безопасности водителя и пассажира в случае возникновения нештатных аварийных ситуаций.
На основание вышеизложенного разработан алгоритм выбора параметров конструкции кузова квадрицикла автомобильного типа при художественно-конструкторской разработке новых моделей с учетом их законодательных требований по ненагружениой массе (рис. 23).
Вес конструкции кузова ТС должен составляет до 40-50 % [70]. Рекомендации по удельному весу отдельных элементов кузова малогабаритного ТС были исследованы ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» под руководством Б.М. Фиттермана (табл. 7). В результате исследований было выявлено, что наименьший вес ТС обеспечивается компоновочным решением ТС с задним расположением двигателя (ДВС) [297]. Применение КЭСУ (ДВС+ЭД) обеспечивает применения ДВС меньшей мощности на 20-50 %, снижая вес ДВС [6] и в случае ЭД - масса аккумуляторов не учитывается в ненагруженной массе квадрицикла [58; 59; 327].
При выборе конструкции и получение сопоставимых данных, обеспечивающих малую ненагруженную массу ТС, на проектном этапе создания ТС применяются кроме удельных параметров отдельных элементов кузова, таюке соотношения веса кузова (Gk) с 1 м горизонтальной проекции (Srn) и 1 м2 полезной площади (Snn) ТС и - веса сидений (Gc) на одного пассажира (п - количество пассажиров). А также - данные по удельной мощности [297].
Выбор типа конструкции квадрицикла должен осуществляться по технической классификации, критерием которой является структурная модель кузова [248]. В отношении квадрицикла оптимальным является использование каркасного типа конструкции кузова. Согласно классификации несущих систем (рис. 24) [248] каркасная конструкция является пространственной силовой схемой, образуемой стержнями различных сечений в виде модели рамы или фермы [248; 297] и характеризуется простотой (в технологическом и конструктивном аспектах [81; 248; 276; 297]) и жесткостью. Стержни конструкции, соединенные сваркой, противостоят рабочим нагрузкам. Простота стержневой (трубчатой) конструкции дает возможность получать для анализа искомые поля перемещений, напряжений и деформаций в малые временные сроки [100; 102; 293; 313]. Этот тип конструкции обеспечивает применение различного материала внешних панелей, не являющиеся несущими, но повышают общую жесткость конструкции кузова. По применяемому материалу каркасная конструкция является комбинированной. Основанием данного типа конструкции служит рама различных сечений с панелью пола, которая соединяется со стержневой конструкцией неразборно или разборно. По условиям сборки - составной [248], обеспечивая возможность быстрой разборки конструкции, разделения и сортировки материалов, повышая степень пригодности ТС к утилизации и обеспечивая его быстрый расчет на проектном этапе создания ТС. Составной тип конструкции перспективен в аспекте ужесточения законодательства по утилизации ТС [138]. Внешние панели изготавливают из легких сплавов и пластических масс, но последние являются наиболее целесообразными и перспективными в аспекте формообразования (дизайн) и повышения эстетического уровня кузова ТС. Съемность и заменяемость внешних панелей упрощают текущий ремонт кузова повышают общую ремонтоспособность ТС, следовательно, приспособленность конструкции к эксплуатации в городских условиях [155].
Обоснование базовых параметров квадрицикла L7 с комбинированной энергосиловой установкой
Процесс создания любой транспортной машины начинается с анализа потребительского рынка, различных информационных источников о подобных типах машин и имеющихся финансовых и технологических возможностях для организации производства. Результатом этого анализа является техническое задание, в котором указываются назначение и цель создания новой машины, основные конструктивные параметры и характеристики, требования к эксплуатационным свойствам разрабатываемой машины.
При создании квадрицикла для эксплуатации в основном в городских условиях наряду с общими требованиями, предъявляемыми ко всем транспортным машинам, необходимо учитывать специфические требования условий эксплуатации в городе и покупательскую способность потребителей, которыми будут в основном физические лица.
Условия эксплуатации машины в городе характеризуются ограниченными скоростями движения, плотными транспортными потоками, большим количеством светофоров и дорожных знаков, проблемами парковки. В связи с этим квадрицикл с КЭСУ должен иметь: максимальную скорость движения для города 60-70 км/ч, т.к. эта скорость движения в городе ограничена ППД на уровне 60 км/ч; достаточно динамичный разгон, чтобы квадрицикл не был помехой, не сдерживал транспортные потоки и не создавал аварийные ситуации; малые ГР (это требование не относится к высоте), обеспечивающие высокую маневренность, удобство парковки и транспортировки, требование малых стояночных и гаражных площадей; хорошую обзорность с места водителя, обеспечивающую безопасность движения и легкость управления в сложных городских транспортных потоках.
Учитывая склонность потребителя к более высоким скоростям движения и возможность частичной эксплуатации на магистральных дорогах, например на пригородных дорогах, необходимо предусмотреть возможность оборудования квадрицикла КЭСУ, обеспечивающей максимальные скорости движения 90-100 км/ч. Как показывает анализ потребительского рынка такие квадрициклы будут пользоваться большим спросом в нашей стране, т.к. многие потребители имеют дачные участки и садоогороды на значительном расстоянии от города. Более того, часть потенциальных покупателей будет в сельской местности, где имеются хорошие дороги с асфальтобетонным покрытием.
Отмстим, что требование динамичности разгона и достаточно большой максимальной скорости движения дополнительно связано с психологическими ощущениями водителя и пассажира во врем.я движения, которые должны уверен 1-ю чувствовать себя равноправными участниками дорожного движения наравне с автомобилями больших ГР, которые оборудованы мощными двигателями, При выборе ГР следует обеспечить требования устойчивости движения с учетом гаганируемых компоновочных решений, влияющих на положение центра тяжести и объем жизненного пространства в салоне.
Эксплуатация в городе - это поездки на работу, в магазины и в различные другие организации с частыми остановками, связанными с выходом из автомобиля, и необходимостью перевозки малогабаритных грузов. Поэтому необходимо для квадрицикла с малыми ГР за счет большой высоты обеспечить достаточно объемный багажник, удобство посадки и выхода из салона. Отметим, что высота квадрицикла мало повлияет на топливную экономичность при движении в городе, т.к. аэродинамическое сопротивление для скоростей движения до 60 км/ч мало в сравнении с сопротивлением качению колес и другими потерями энергии, связанными с движением квадрицикла.
Для жителей города важны показатели загрязнения от квадрицикла с КЭСУ на протяжении всего жизненного цикла от производства до утилизации. Более высокая экологичность производства и утилизации такого категории ТС в сравнении с категорией М подтверждается малыми массогабаритными показателями и отсутствием дополнительных типов токсичных или трудно перерабатываемых материалов. Экологичность эксплуатации обеспечивается меньшими выбросами токсичных веществ за счет применения высокоэкономичиой гибридной установки, сводящей к минимуму работу ДВС на неустановившихся режимах, меньшими объемами применяемых масел, тормозной жидкости и т.п., а также меньшим количеством заменяемых при эксплуатации деталей и узлов.
На уровень внешнего и внутреннего шума квадрицикла в большей степени влияют массогабаритные показатели агрегатов механической части и энергетической установки (двигателя). Поэтому от квадрицикла с КЭСУ в сравнении с обычными автомобилями шумовое загрязнение окружающей среды и в салоне автомобиля, очевидно, будет меньше. Более того, маломощный ДВС в составе КЭСУ будет большую часть времени работать на установившихся и квазиустановившихся режимах, шум на которых значительно меньше в сравнении с переходными режимами.
Другие требования потребителя в пашей стране к ТС особо малого класса с ГЭСУ, которые в обязательном порядке должны быть проработаны на стадии создания конструкции квадрицикла; ремонтопригодность (легкий доступ к основным узлам, легкозамеияемость, унифицируемость деталей и узлов с другими выпускаемыми автомотосредствами в нашей стране, недорогие материалы, применяемые в производстве, простота конструкции); - проходимость (КЭСУ должна быть достаточно мощной для уверенного движения по российским дорогам); - возможность эксплуатации зимой и в дождь (кузов должен быть герметичен, необходимо предусмотреть отопление и вентиляцию салона); - эргономичность (достаточно привлекательный вид по экстерьеру и интерьеру, удобство в эксплуатации, отсутствия недопустимого утомления и раздражительности); - комфортабельность (минимальный уровень комфорта должен быть аиболее рациональным, т.е. без излишеств). Повышение комфорта обычно влияет на увеличение стоимости, но покупатель должен иметь выбор из нескольких вариантов комплектации и отделки квадрицикла с ГЭСУ (дорогие квадрициклы - с большим, а дешевые -с меньшим комфортом), тле. этот вопрос тесно связан с объемом производства и продаж такой категории ТС. ТС особо малого класса с ГЭСУ должен удовлетворять также и другим общим требованиям нормативных документов, которые предъявляются ко всем транспортным, машинам: - устойчивость движения; - легкая управляемость (возможно применение гидроусилителя руля, автоматической коробки передач или, что наиболее предпочтительно, вариаторной автоматической трансмиссии); - безопасность. Устойчивость квадрицикла зависит от многих факторов: расположения центра тяжести, профиля поперечного сечения, формы, сцепления колес с дорогой. Квадрицикл должен быть четырехколесным, что позволит обеспечить лучшую проходимость, меньшую высоту центра тяжести и более рационально выполнить компоновочные решения в сравнении с трехколесной схемой, которая менее устойчива на повороте, при маневре, особенно если одно колесо расположено спереди.
Моделирование показателей качества квадрицикла с комбинированной энергосиловои установкой
Каждая машина характеризуется своим назначением, т.е. способностью удовлетворять потребности человека в определенной области деятельности. Поэтому она должна обладать рядом полезных (эксплуатационных) свойств и ресурсосберегающими и природоохранными свойствами, которые непосредственно влияют на показатели качества машины. В настоящее время разработано ряд нормативных документов и методических материалов, определяющих основные понятия, термины, множество показателей качества и рекомендации и методики их оценки, например, ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения» и ГОСТ 15895-77 «Статистические методы управления качеством продукции. Термины и определения». Показатели качества нашли широкое применение при оценке технического уровня продукции, т.е. соответствия продукции мировому, региональному, национальному или отраслевому уровню. Всплеск внимания к этим вопросам в нашей стране относится ко второй половине 1980-х годов. В это время принимается ряд постановлений правительства, возрастает роль государственного комитета по управлению качеством продукции и стандартам, на предприятиях вводится государственная приемка продукции. Политические преобразования в нашей стране в начале 1990-х годов и глобальные преобразования в экономике, связанные с изменением вида собственности целых отраслей народного хозяйства, и ее ориентация на рыночные взаимоотношения привели к структурной перестройке государственных организаций, занимающихся проблемами качества. Стали актуальными проблемы выдачи официальных документов, разрешающих осуществлять указанные в них виды деятельности по выпуску продукции, проведению работ и оказанию услуг, а также определяющих условия осуществления этих видов деятельности (лицензирование), и подтверждение уполномоченными органами соответствия товаров (работ, услуг) обязательным требованиям стандартов, санитарным нормам, правилам и другим документам (сертификация), которые в соответствии с законодательством устанавливают обязательные требования к качеству товаров (работ, услуг).
Однако эта деятельность органов, занимающихся качеством продукции, относится к контрольно-разрешительным мероприятиям. С насыщением рынка продукцией и появлением конкуренции роль теоретических исследований по разработке достоверных методик оценки технического уровня и качества продукции будет возрастать, т.к. неудачные решения будут оборачиваться огромными финансовыми потерями. В настоящем разделе рассмотрим математическое моделирование только показателей тягово-скоростных свойств и топливной экономичности эксплуатации квадрицикла с КЭСУ, т.к. это основные эксплуатационные свойства, влияющие на выбор конструктивной схемы КЭСУ и параметры ее составляющих (ЭД, ДВС, трансмиссия и т.д.). При большом многообразии показателей тягово-скоростных свойств и экономичности квадрицикла с КЭСУ у них общее то, что для их математического моделирования обычно достаточно систем дифференциальных уравнений, рассмотренных выше. Основными показателями скоростных свойств гибридных квадрициклов, как, например, и легковых автомобилей, являются: максимальная возможная скорость на горизонтальном участке пути, время разгона с места с переключением передач до заданных скоростей разгона, на заданных участках пути и в заданных интервалах скоростей разгона. Поэтому для моделирования указанных показателей достаточно разработать математическую модель процесса разгона. Математические модели, необходимые для моделирования процесса разгона подробно описаны выше. Первый режим движения при разгоне квадрицикла - трогание с места. Данный режим начинается при минимальной частоте вращения выходного вала ГЭУ фдВш, на которой ГЭУ работает устойчиво, и длится малый промежуток времени в сравнении с общим временем разгона, в течение которого крутящий момент My , подводимый к ведущим колесам квадрицикла, увеличивается от нуля до момента сопротивления движению при трогании Мтр . Далее происходит разгон квадрицикла с буксующим сцеплением. Этому режиму соответствует условие фдВ фСц, т.е. частота вращения вала двигателя больше частоты вращения ведомых деталей муфты сцепления. Момент трения в муфте сцепления возрастает. Происходит выравнивание частот вращения Фдв Фсц и начинается разгон с блокированной муфтой сцепления. Переключение на последующую передачу проводится при выполнении одного из условий: первое - достигнута максимально возможная частота вращения вала двигателя фдв=фдБах; второе - ускорение квадрицикла на последующей передаче больше, чем на включенной. При моделировании показателей разгона с целью получения наилучших показателей скоростных свойств двигатель работает по внешней скоростной характеристике ГЭУ. Процесс разгона считается законченным при заданной конечной скорости разгона или при достижении заданного мерного участка пути.
При разгоне до максимально возможной скорости Vmax процесс разгона заканчивается либо при достижении частоты вращения фдВах на высшей передаче, либо при поступательном ускорении квадрицикла х, меньшем некоторой заданной величины єуск, например еуск = 0,001 м/с . Результатом решения систем дифференциальных уравнений при моделировании разгона являются зависимости срк = tpK(t), фк=фк(Х), которые позволяют с учетом изменения радиуса качения ведущих колес определять пройденный путь и скорость квадрицикла в любой момент времени разгона: S = = S(t)HV = V(t). В качестве основных показателей тяговых свойств квадрицикла с КЭСУ можно брать максимальные преодолеваемые подъемы на различных передачах и значения преодолеваемых подъемов при заданных постоянных скоростях движения. При расчете этих показателей ускорение поступательно движущейся массы х принимается равным нулю. Тогда динамический фактор квадрицикла
