Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и систематизация методов проектирования транспортных средств 11
1.1. Методологические основы дизайн-проектирования транспортных средств 11
1.2. Анализ эксплуатационных свойств транспортных средств 20
1.3. Анализ сегмента малогабаритных транспортных средств 31
1.4. Выбор направления и постановка задач проектирования транспортных средств городского назначения 52
Глава 2. Разработка классификации компоновочных схем малогабаритных транспортных средств 55
2.1. Разработка классификации малогабаритных транспортных средств по функциональному назначению 55
2.2. Разработка классификации компоновочных схем малогабаритных транспортных средств по шасси, силовым агрегатам и узлам 57
2.3. Разработка классификации компоновочных схем малогабаритных транспортных средств по расположению водителя и пассажира 67
Выводы по главе 79
Глава 3. Разработка методик выбора рациональных компоновочных схем малогабаритных транспортных средств 81
3.1. Аналитическое определение параметров компоновочной схемы и их влияние на эксплуатационные свойства малогабаритных транспортных средств 81
3.2. Определение центра масс для различных компоновочных схем малогабаритных транспортных средств 86
3.3. Разработка методики выбора рациональных компоновочных схем трех- и четырехколесных малогабаритных транспортных средств на этапе дизайн проектирования 90
3.4. Разработка методики выбора и обоснования двигателя и силового агрегата в компоновочных схемах электрических малогабаритных транспортных средств на этапе дизайн проектирования 91
Выводы по главе 106
Глава 4. Создание и разработка перспективных малогабаритных транспортных средств 107
4.1. Малогабаритное транспортное средство коммерческого назначения на базе электротележки 107
4.1.1. Выбор прототипа 107
4.1.2. Техническое задание на проект 113
4.1.3. Проектное решение 114
4.2. Разработка одноместных малогабаритных коммерческого и индивидуального транспортных средств городского назначения с электроприводом 122
4.2.1. Техническое задание на проект 122
4.2.2. Проектное решение для коммерческого электромобиля 124
4.2.3. Проектное решение для прогулочного электромобиля 125
4.3. Разработка перспективного двухместного МТС городского назначения 133
4.3.1. Техническое задание на проект 133
4.3.2. Проектное решение 134
4.4. Перспективная модель и экспериментальный образец трицикла 137
Выводы и заключение 139
Литература 141
- Анализ эксплуатационных свойств транспортных средств
- Разработка классификации компоновочных схем малогабаритных транспортных средств по шасси, силовым агрегатам и узлам
- Разработка методики выбора и обоснования двигателя и силового агрегата в компоновочных схемах электрических малогабаритных транспортных средств на этапе дизайн проектирования
- Проектное решение для прогулочного электромобиля
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время количество автомобилей на городских улицах постоянно увеличивается, несмотря на развитие альтернативных и рациональных способов передвижения по городу. Особенно характерно это для крупных городов, где загрязнение воздушного бассейна, серьезно влияющее на здоровье горожан, становится экологической проблемой. Решение данной проблемы зависит от состояния технического уровня самого источника загрязнения. Запретительные, экономические и другие меры регулирования загруженности транспортных потоков не приведут к значительному улучшению экологической обстановки воздушного бассейна городов и уменьшению количества эксплуатируемых транспортных средств (ТС). Один из путей уменьшения загрязнения отработанными газами – совершенствование конструктивных схем городских ТС с целью уменьшения затрат энергии на их работу.
Проектирование ТС включает определенную совокупность этапов, среди которых компоновочное проектирование осуществляется на одной из ранних стадий. На основе разработанной компоновочной схемы ведется дальнейшая работа дизайнеров, конструкторов и эргономистов. Конструктивное и компоновочное решения ТС подразумевают пространственное расположение узлов, пассажиров и зависят от применяемого типа силового агрегата. Выбор рациональной конструктивной и компоновочной схемы городских ТС требует детального анализа возможных вариантов, учитывая их влияние на эксплуатационные свойства ТС. Проектирование городских ТС требует рассмотрение разных перспективных силовых установок, альтернативных двигателю внутреннего сгорания (ДВС). В результате появляется широкий выбор комбинаций расположения агрегатов и пассажиров в пространстве кузова, которые могут отличаться от общепринятых конструкций ТС.
Существует тенденция к смене традиционного источника энергии ТС – ДВС на электрический привод. Электрические ТС (ЭТС) становятся альтернативой для городских жителей в качестве городских компактных и маневренных ТС. Электрические малогабаритные ТС, в зависимости от назначения, обладают некоторыми особенностями, определяющими выбор электрической машины. Электромобили имеют конструктивные отличия от автомобилей, что требует определенного подхода к проектированию. На этапе дизайн-проектирования МТС возникает ряд вопросов, связанных с выбором конструктивной и компоновочной схемы и ТС в целом. Имеется множество факторов, от которых зависит эффективность того или иного типа электропривода, что определяет задачу выбора его рациональной компоновочной схемы. Непопулярность ЭТС связана с недостатками аккумуляторных батарей. Выбор направления в сторону развития компактных и маневренных ЭТС является наиболее актуальным на сегодняшний день.
В диссертационном исследовании выявляется проблема научно-методического обеспечения анализа и выбора рациональной компоновочной схемы перспективного малогабаритного ТС (МТС) на этапах дизайн-проектирования.
Вопросы компоновки связаны с множеством компромиссов между желаемыми функциями ТС. Под данными функциями подразумеваются потребительские качества, которые делают ТС конкурентоспособным в определенной рыночной нише. Одной из задач дизайн-проектирования является выбор рациональной компоновочной схемы ТС, соответствующей определенным эксплуатационным свойствам.
В существующей научно-технической литературе и немногочисленных пособиях по дизайн-проектированию ТС участие дизайнера в процессе создания ТС зачастую ограничивается разработкой внешнего вида и эргономики. Главной причиной этих ограничений является недостаточная методологическая база для исследования различных вариантов компоновочных решений, поэтому совершенствование существующих методов определения и выбора рациональных конструктивных и компоновочных схем на этапе дизайн-проектирования является актуальной задачей.
Объектом исследования являются индивидуальные МТС разных конструктивных схем (трех- и четырехколесных). Предмет исследования – научно-методические основы выбора рациональных компоновочных схем в дизайне МТС.
Целью диссертационной работы является разработка научно-методического обоснования выбора рациональных компоновочных решений МТС на этапах дизайн-проектирования.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
– систематизировать современные методы и принципы проектирования ТС;
– провести анализ традиционных и альтернативных компоновочных схем МТС и разработать компоновочные, антропометрические рекомендации по их проектированию;
– разработать алгоритм выбора рациональных компоновочных схем трех и четырехколесных МТС различного функционального назначения с учетом антропометрических схем;
– обосновать выбор двигателя и силового привода в компоновочных схемах ЭМТС на этапе дизайн-проектирования;
– апробировать научно-методические рекомендации по разработке и производству МТС различного функционального назначения.
Методы исследований. Метод системного анализа, методы антропометрии, методы технической эстетики, теория принятия решений, теория анализа и синтеза, методы аналитической геометрии, методы инженерного творчества, теория автомобиля.
Достоверность и обоснованность. Проведены в достаточном объеме эскизные, опытно-конструкторские и научно-исследовательские работы по применению разработанных научно-методических основ для дизайн-проектирования МТС разного функционального назначения. Достоверность исследования обеспечена использованием фундаментальных положений ученых, российских и зарубежных стандартов, современных компьютерных программ, основных положений диссертационной работы в практике дизайнеров и конструкторов проектно-производственных организаций и их апробацией в дизайн-проектах, макетных и опытных образцах, публикациях автора.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
– классификации компоновочных схем трех и четырехколесных МТС по его функциональному назначению, типу привода, типу источника питания, форме и типу кузова, количеству посадочных мест, схеме расположения пассажиров, силовых агрегатов и колес, обеспечивающей выбор рациональный компоновочных схем для определённого функционального назначения МТС;
– методике выбора рациональных трех и четырехколесных компоновочных схем в дизайне МТС на основе разработанной классификации МТС, заключающейся в обеспечении требуемых эксплуатационных свойств для МТС определённого функционального назначения;
– методике выбора и обосновании двигателя и силового агрегата в компоновочных схемах ЭТС на этапе дизайна, заключающейся в обеспечении рационального соответствия характеристик двигателя и силового агрегата в компоновочной схеме МТС согласно его функциональному назначению.
Практическая полезность. Основные положения исследования могут быть применены предприятиями мотоциклетной и автомобильной промышленности РФ для дизайна и инжиниринга перспективного конкурентоспособного малогабаритного городского ТС с наилучшими эксплуатационными свойствами.
Реализация результатов. Диссертационное исследование выполнялось в Научно-образовательном центре «Развитие дизайна и инжиниринга промышленных изделий в Удмуртской Республике» (Минобрнауки УР, Минпромтранспорта УР, УдГУ, ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, ОАО «ИжАвто», ООО «Инженерный центр «i-Дизайн», договор о сотрудничестве от 31.10.2008 года № 0870221293-00) и при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» в рамках НИР «Разработка методик структурной и параметрической оптимизации комбинированных (гибридных) энергосиловых установок транспортных средств» (рНП 01.2.00 901933). Основные положения апробированы и внедрены в проектной работе ОАО «Сарапульский электрогенераторный завод», ООО «Битехнолоджи», ООО «Транс-инжиниринг-БАРС», ООО «Инженерный центр «i-Дизайн». Полученные результаты используются в подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Наземные транспортные системы» (ИжГТУ им. М.Т. Калашникова) и «Дизайн» (УдГУ).
Апробация работы. Основные положения и опытно-конструкторские работы диссертационного исследования докладывались и демонстрировались на молодежном инновационном форуме Приволжского федерального округа (УлГТУ, Ульяновск, 12-14.05.2009 г.), на IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (Москва, ВВЦ, 24-27.06.2009 г.), на Всероссийской научно-практической конференции (НПК) с международным участием «Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве» (Пермь, ПГТУ, 19-21.05.2011 г.), на международной НПК «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (Пермь, ПГТУ, 28-29.10.2010 г.), на региональной научно-технической конференции (НТК) аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, ИжГТУ, 15-18.03.2011 г.), на V международной конференции «Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования (ИжГТУ, Ижевск, 20-22.02.2012 г.), III forum of young researchers in the framework of international forum «Education Quality-2012»: Proceedings (ИжГТУ, Ижевск, 20-22.02.2012 г.), на международной НПК «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, ПНИПУ, 26-28.04.2012 г.), на всероссийской НТК «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технология ремонта и производства» (ИжГТУ, Ижевск, 11.06.2012 г.).
Диссертант был отмечен дипломом лауреата по итогам IX Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (М., ВВЦ, 24-27.06.2009 г.) и дипломом лауреата по итогам Всероссийского конкурса НИР студентов и аспирантов в области технических наук (номинация «Промышленный дизайн») при поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (СПб., НИУ «СПбГПУ», 20.07-05.09.2012 г.).
Результаты исследования неоднократно докладывались на кафедрах «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» (ИжГТУ им. М.Т. Калашникова) и «Дизайн промышленных изделий» (УдГУ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы ( наименований). Общее количество страниц в диссертационной работе , в том числе
рисунков и таблицы.
Анализ эксплуатационных свойств транспортных средств
Любое колесное средство передвижения, как и любой другой предмет нашего быта, имеет определенное назначение, т.е. оно обладает способностью удовлетворять те или иные потребности человека. Причем, эти потребности могут быть совершенно разного характера. Поэтому, оно должно обладать рядом свойств, характеризующих его качество, пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.
Есть среди них свойства, которые определяют степень приспособленности ТС к условиям эксплуатации, а также эффективность и удобства пользования. Они называются эксплуатационными свойствами. С помощью них характеризуется выполнение транспортных и специальных работ, таких как перевозка пассажиров, грузов и специального оборудования [3, 14, 21 17, 45, 51, 52]. Проблема повышения эксплуатационных свойств автомобилей является одной из самых важных в машиностроении на сегодняшний день, и она касается также малогабаритных транспортных средств.
При проектировании ТС необходимо закладывать эксплуатационные свойства в конструкцию еще на ранней стадии дизайн-проектирования. Известно, что практически невозможно добиться максимальных значений всех показателей одновременно, т.к. многие из них противоречивые. Дизайнеры и конструкторы вынуждены улучшать только некоторые из них в ущерб другим. Необходимо исследовать эксплуатационные качества присущие малогабаритным ТС для города, и какие из них требуется улучшать в первую очередь.
На сегодняшний день нет единой классификации эксплуатационных качеств. Разные авторы по-разному рассматривают этот вопрос, но есть много общего в их размышлениях над этим вопросом. Оформление теории эксплуатационных свойств автомобиля (теории автомобиля) как науки принадлежит академику Е.А. Чудакову. Начало было положено его монографиями «Динамические и экономические исследования автомобиля» (1928 г.) и «Тяговый расчет автомобиля» (1930 г.). В 1935 г. Е.А. Чудаковым был выпущен первый в мире учебник «Теория автомобиля». Немалый вклад в изучение эксплуатационных свойств автомобиля внес В.К.Вахламов [14]. Он разделяет их на две основные группы: связанные с движением и не связанные с движением, к которым можно отнести все свойства, предлагаемые другими авторами (рисунок 3). Особое значение имеет первая группа, куда относятся тяговые свойства, топливная экономичность, управляемость и др. свойства, касающиеся прямого назначения автомобиля. Вторая группа не менее важна, т.к. входящие в нее свойства в наибольшей степени относятся к требованиям потребителя в плане удобства эксплуатации.
Кравец В.Н. представляет все свойства автомобиля в виде иерархической системы: качество - крупные групповые свойства - мелкие групповые свойства - единичные свойства. Эксплуатационные свойства относятся к последним. среди них он выделяет основные: вместимость; материалоемкость; тягово-скоростные свойства; топливная экономичность; проходимость; плавность
Великанов Д.П. обращал внимание на терминологию. Он считал, что правильнее называть «эксплуатационное качество», а не «свойство» [3].
Свойством автомобиля, по его мнению, называется присущая ему отличительная способность изменять свое состояние или положение в пространстве под влиянием каких-либо внутренних или внешних физических факторов. Свойство существует безотносительно к условиям использования, оно объективно и не может определяться как «эксплуатационное» или «неэксплуатационное». Тем не менее, большинство авторов используют именно формулировку «эксплуатационное свойство» и автор диссертации также придерживается ей.
В таблице 2 представлены наиболее важные свойства характеризующие автотранспортные средства разного назначения представленные Великановым Д.П.
Также он привел следующий комплекс основных эксплуатационных свойств автомобиля: вместимость; использование массы; скорость движения (скоростность); проходимость; топливная экономичность; долговечность; надежность; простота технического обслуживания и ремонта; удобство пользования, включающее в себя плавность хода; комфортабельность (удобство пассажиров); простота управления; путевого обслуживания; маневренность; удобство погрузки, выгрузки; сохранность груза. Также он отдельно выделил безопасность, к которой относятся: тормозные свойства; устойчивость; управляемость; обзорность; эффективность сигнализации; загрязнение окружающей среды; бесшумность.
Большинство из представленных свойств относятся практически ко всем типам ТС, хотя значимость каждого из этих свойств для ТС разных классификаций и разного назначения может отличаться. Их перечень может отличаться в зависимости от типа транспортного средства. Проведенный анализ позволяет сформулировать перечень эксплуатационных свойств,
Критерием для получения транспортного средства высокого качества является достижение высоких показателей его эксплуатационных свойств. Вследствие того, что многие из них противоречивы, возникает необходимость в ранжировании их по степени важности с целью выявления критериев требующих повышения своих показателей в первую очередь. В зависимости от назначения малогабаритного транспортного средства, условий его эксплуатации и желаний заказчика эти приоритеты будут отличаться.
Эксплуатационные качества оцениваются измерителями и показателями, которые устанавливаются ГОСТами, стандартами и другими нормативными документами. Показатель позволяет оценить эксплуатационное свойство лишь при одном, вполне определенном сочетании условий его работы. Для полной оценки эксплуатационных свойств приходится применять несколько показателей.
Каждый измеритель (показатель) эксплуатационного свойства оценивается по определенной общепринятой методике. Рассмотрим измерители основных эксплуатационных свойств ТС и факторы, влияющие на них.
Тягово-скоростные свойства ТС характеризуются следующими измерителями: максимальной скоростью (umax, км/ч); скоростной характеристикой (разгон-выбег); минимальная устойчивая скорость (на высшей передаче) (итт, км/ч); время разгона с места до максимальной скорости (tp, с); путь разгона с места до максимальной скорости (Sp, м); максимальные и средние ускорения при разгоне (на каждой передаче) (jm:aJcp, м/с); максимальный преодолеваемый подъем (уклон) на низшей передаче и при постоянной скорости (/гаах, %); длина преодолеваемого подъема с разгоном (5(, м); максимальная сила тяги на крюке на низшей передаче (Рс, Н).
В качестве обобщенного оценочного показателя тягово-скоростных свойств ТС можно использовать среднюю скорость непрерывного движения vcp, км/ч. Она зависит от условий движения и определяется с учетом всех его режимов, каждый из которых характеризуется соответствующими показателями тягово-скоростных свойств.
Скоростные показатели во многом зависят от характеристик ЭСУ, массы ТС, обтекаемости кузова и выбора шин.
Топливная экономичность зачастую противоречит показателям тягово-скоростных свойств. Топливо - это один из основных эксплуатационных материалов, потребляемом ТС в большом количестве, поэтому топливная экономичность является одним из самых важных эксплуатационных свойств. Особо важное значение оно приобретает в малогабаритных ТС городского назначения.
Топливная экономичность оценивается двумя группами измерителей. К первой группе относят измерители топливной экономичности самого автомобиля, ко второй - измерители топливной экономичности двигателя. Измерителями первой группы являются путевой расход топлива - расход топлива в литрах на единицу пробега автомобиля (qn, л/100 км), и расход топлива в граммах на единицу транспортной работы ( ?„, гр/т-км или пасс.-км).
К измерителям второй группы относятся расход топлива двигателя за час работы (GT, кг/ч), и удельный эффективный расход топлива в граммах на киловатт-час (дп, г/кВт-ч) [2, 6, 8-10]. Данные измерители также зависят от массы ТС, обтекаемости, и удельного сопротивления качению шин. Свое влияние также оказывает манера управления водителя и условия, в которых эксплуатируется ТС.
Разработка классификации компоновочных схем малогабаритных транспортных средств по шасси, силовым агрегатам и узлам
Компоновочная схема, габаритные размеры и пропорции ТС относятся к компоновочно-геометрическим параметрам. На сегодняшний день существуют три основных вида компоновок с учетом расположения двигателя: классическая, переднеприводная, заднемоторная. Полноприводные автомобили совмещают в себе преимущества переднеприводного и заднеприводного автомобилей. При выборе ведущих колес следует учитывать не только компоновочные, но и эксплуатационные свойства МТС. Каждое из компоновочных решений имеет свои преимущества и недостатки, что требует выполнения тщательного анализа по эксплуатационным свойствам в зависимости от назначения МТС.
При выборе расположения двигателя в МТС и ведущих колес следует учитывать не только компоновочные, но и эксплуатационные свойства квадри-цикла. Для этого проведем анализ влияния компоновки на эксплуатационные свойства МТС.
Компоновочная схема, габаритные размеры и пропорции легкового автомобиля относятся к компоновочно-геометрическим параметрам. На сегодняшний день существуют три основных вида компоновок с учетом расположения двигателя: классическая, переднеприводная, заднемоторная [2, 3, 65]. Полноприводные автомобили совмещают в себе преимущества переднеприводного и заднеприводного автомобилей. Каждое из компоновочных решений имеет свои преимущества и недостатки, что требует выполнения тщательного анализа по эксплуатационным свойствам в зависимости от назначения автомобиля.
Рассмотрим влияние каждой из них на такие эксплуатационные свойства квадрицикла как тягово-скоростные свойства, топливная экономичность, устойчивость и управляемость.
Тягово-скоростные свойства. При больших значениях коэффициента сцепления шин с полотном дороги заднеприводный автомобиль будет иметь лучшую динамику разгона, т.к. при больших ускорениях передняя часть автомобиля разгружается, а задняя часть загружается, т.е. на дорогах хорошего качества (с высокими показателями сцепления шин с полотном дороги) лучшие показатели тягово-скоростных свойств можно реализовать у заднеприводных автомобилей. Следовательно, на автомобилях такого типа можно использовать более мощные двигатели. Максимальные возможные углы подъема заднеприводного автомобиля по условию буксования ведущих колес из-за перераспределения веса автомобиля больше в сравнении с переднеприводным автомобилем [51].
Передний привод обеспечивает лучшее сцепление шин с полотном дороги при неполной загрузке автомобиля и при движении с невысокими скоростями по дорогам с малым значением коэффициентом сцепления шин с дорогой (менее 0,4 - 0,5), т.к. примерно 60% веса автомобиля приходится на передние ведущие колеса [8].
Топливная экономичность. Топливная экономичность переднеприводного автомобиля будет лучше по следующим причинам: меньше потери в трансмиссии, ТС будет легче примерно на 40 - 50 кг. При этом следует отметить, что увеличение нагрузки переднеприводного автомобиля на передние колеса приводит к росту усилий на рулевом колесе и неравномерности тормозных сил между мостами [8].
Управляемость и устойчивость. Переднеприводный автомобиль имеет недостаточную поворачиваемость, а заднеприводный - небольшую недостаточную поворачиваемость при половинной нагрузке (что хорошо с точки зрения управляемости и устойчивости движения). При возникающих высоких поперечных ускорениях нарушается устойчивость переднеприводного автомобиля на крутых поворотах, что очень важно при движении в экстремальных условиях. Если сила тяги на ведущих колесах резко снизится, возникает увеличение коэффициента сопротивления шин боковому уводу, что приводит к вилянию задней части переднеприводного автомобиля. Увеличение сопротивления шин переднеприводного автомобиля по сравнению с заднеприводным является следствием того, что водитель должен поворачивать колеса на больший угол для обеспечения выбранной траектории движения.
Как было отмечено, на крутых поворотах у переднеприводного автомобиля нарушение устойчивости и управляемости происходит с большей вероятностью в сравнении с заднеприводным автомобилем. Возникающие при этом центробежные силы могут быстро достигать значения силы сцепления шин с полотном дороги. Правда, промежуток времени, в течение которого центробежная сила увеличивается до опасного предела, у переднеприводного автомобиля немного меньше в сравнении с заднеприводным. Однако бесспорно, что при входе в поворот заднеприводныи автомобиль реже теряет управляемость по условию сцепления шин с полотном дороги, а для переднеприводных автомобилей это не редкое явление [8, 51].
Заднеприводныи автомобиль более отчетливо информирует водителя о приближающейся критической ситуации, например, снос задних ведущих колес служит первым намеком об опасности. На переднеприводном автомобиле более сложно уловить начало сноса передних колес. Занос начинается незаметно и постепенно автомобиль теряет управляемость, а резкое уменьшение в этом случае силы тяги на ведущих колесах переднеприводного автомобиля может приводить не только к ухудшению управляемости, но и к заносу заднего моста.
При полной нагрузке заднеприводныи автомобиль обладает избыточной поворачиваемостью. Избыточная поворачиваемость может привести к курсовой неустойчивости. Однако, как известно, это явление можно исключить независимой задней подвеской. Перед неприводный автомобиль при прямолинейном движении ведет себя устойчиво даже при движении по скользкой обледенелой или укатанной снегом дороге.
Переднеприводный автомобиль легче в управлении (особенно на скользких дорогах) и более устойчив при движении в некоторых заданном диапазоне скоростей, зависящем от состояния дорожного покрытия. Но в экстремальных условиях (в аварийной ситуации) для устойчивости и управляемости переднеприводного автомобиля необходимо увеличивать силу тяги на ведущих колесах, т.к. Переднеприводный автомобиль из заноса выводится добавлением газа, а заднеприводныи - наоборот, уменьшением газа и поворотом управляемых колес в сторону заноса.
При сносе всех четырех колес переднеприводным автомобилем можно частично управлять при умелом пользовании рулем и педалью газа, а у заднеприводного автомобиля необходимо дождаться прекращения бокового скольжения передних колес.
Компоновка агрегатов МТС. Утвержденная компоновочная схема МТС характеризуется подводом мощности на все колеса при его движении в интервале скоростей, соответствующих городскому циклу. В меньшей степени, при движении на максимальной скорости и близкой к ней, происходит передача мощности только на колеса приводимые ДВС. Поэтому нельзя сказать, что квадрициклу будут присущи особенности полноприводного ТС. Более того, на поведение на дороге будут влиять расположение агрегатов квадрицикла. Потому что, в зависимости от расположения ДВС привод будет осуществляться либо на задние, либо на передние колеса. Чтобы выяснить, как лучше расположить агрегаты, нужно пересмотреть возможные варианты и оценить их.
На рисунке 18 изображена схема с передним расположением рядного двухцилиндрового ДВС. Общая длина увеличена из-за образованного подкапотного пространства. Сиденье водителя немного смещено назад относительно передней оси. Сзади имеется пространство для расположения баллона и газового оборудования, а под сиденьем можно разместить аккумуляторы. С такой компоновкой проще добиться оптимальной развесовки по осям.
Если двигатель располагать перед задней осью (среднемоторная компоновка, рисунок 19), центр тяжести сместится назад, при этом уменьшится недостаточная поворачиваемость МТС. Основной привод от ДВС здесь приходится на задние колеса, что положительно повлияет на динамику разгона, благодаря увеличению сцепления с дорогой. Аккумуляторы удобно располагаются под ногами, если они имеют плоскую форму. Под сиденьем находится баллон с газом, если посадка водитель мотоциклетного типа. С автомобильными креслами тут все сложнее. Придется увеличить длину кузова, чтобы ДВС оказался позади заднего кресла, либо людей расположить рядом друг с другом, увеличивая ширину. Поэтому, здесь лучше расположить людей на седле, хотя нельзя совсем исключать и другие варианты.
Разработка методики выбора и обоснования двигателя и силового агрегата в компоновочных схемах электрических малогабаритных транспортных средств на этапе дизайн проектирования
В зависимости от условий эксплуатации, класса ЭТС, назначения, компоновочных решений на первое место выдвигается какое-то одно наиболее важное требование. Например, может быть поставлена задача получения минимальных размеров тягового электропривода при сравнительно большой грузоподъемности и т.п.
В процессе проектирования МТС ведется борьба за максимальное использование внутреннего пространства. Наличие накопителей энергии, занимающих значительную часть пространства требует максимального уплотнения агрегатов ЭСУ. В данном аспекте рациональное решение - в электромобиле с мотор-колесами. Расположение ЭД в колесах решает проблему внутренней компоновки ТС, но возникает проблема повышенной массы неподрессоренных колес, что ведет к ухудшению плавности хода и управляемости электромобилем и снижается комфортабельность. ЭД будет испытывать вибрацию и колебания колес, что ухудшает его надежность. У данного типа электропривода имеется множество положительных сторон. Разработаны методические рекомендации по использованию мотор-колес в проектируемом ЭТС в аспекте эксплуатационных свойств.
Для выбора необходимого типа электропривода проведен анализ ЭД, применяемых в ЭТС в качестве тяговых. В таблице 11 приведены некоторые основные характеристики электрических машин для тягового привода электромобиля. Предложены рекомендации по выбору типа ЭД.
Двигатели постоянного тока долгое время имели приоритет в транспорте благодаря возможности плавного и экономичного изменения частоты вращения в широком диапазоне и отсутствию необходимости преобразования частоты напряжения. Главное достоинство этих двигателей в том, что они имеют практически линейные механическую и регулировочную характеристики [61].
Существует три типа двигателей постоянного тока - сериесные, шунто-вые и компаундные. Для тягового привода чаще используют двигатели постоянного тока смешанного типа, т.к. они обладают промежуточными свойствами последовательных и параллельных двигателей постоянного тока при согласном включении обмоток, а при встречном включении имеют более жесткую характеристику и стабильную частоту вращения.
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока всех типов изначально осуществлялось изменением напряжения на обмотке возбуждения. В некоторых приводах дополнительно изменяли число пар полюсов обмотки возбуждения, а также схему включения двигателей между собой, если их несколько. В любом случае, в системе управления применялся реостат, связанный с педалью управления. Такая система проста и безопасна, но в ней происходит значительная потеря энергии.
На их смену пришли полупроводниковые регуляторы, которые изменяют не величину напряжения, а длительность его действия в обмотках двигателя. Другими словами, напряжение подается импульсами, а сам метод называется широтно-импульсным модулированием (ШИМ) [61].
Альтернативой асинхронному двигателю с преобразователем частоты является вентильный двигатель. Его основа - синхронный двигатель, в котором магнитное поле статора вращается в зависимости от положения ротора, как у двигателей постоянного тока. Но в вентильном двигателе функцию коллектора выполняет полупроводниковый коммутатор с датчиком положения ротора. Эти двигатели ещё называют безколлекторными двигателями постоянного тока. Они более динамичны, чем асинхронные, обладают теми же показателями надежности и долговечности. Имеют столь же высокий диапазон регулирования и КПД. Но их система управления сложнее и стоимость двигателя выше из-за применения постоянных магнитов в роторе. Двигатели постоянного тока имеют щеточно-коллекторный узел, который требует периодического обслуживания и имеет ограниченный срок службы, а также в некоторой степени удорожает двигатель. Этот недостаток стал одной из причин, почему в последнее время в транспорте используются синхронные и асинхронные машины переменного тока.
Асинхронный электропривод (АЭП) уступает двигателям постоянного тока в случае необходимости получения большого диапазона регулирования скорости, частого включения привода, либо плавного регулирования скорости, что требуется в приводе электромобиля [46]. Однако в современных АЭП с питанием от вентильных преобразователей частоты проблема плавного регулирования решена.
Асинхронные двигатели более экономичны, безопасны и надежны. Они легко обслуживаются и служат значительней дольше. Но эффективное их использование возможно только на высоких частотах вращения. Поэтому, данный тип двигателя должен иметь редуктор [61].
Вентильный двигатель, в котором роль электрической машины отведена индукторному двигателю, называется вентильно-индукторный двигатель (ВИД). Данный тип двигателя представляет собой единство индукторной машины (ИМ), преобразователя частоты и микропроцессорной системы управления.
Преобразователь частоты производит питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии; система управления с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи от датчика положения ротора, управляет данным процессом [25].
Индукторная машина включает в себя безобмоточный ротор, а его статорная обмотка состоит из простых полюсных катушек. Такой двигатель имеет меньше затрат на изготовление, более надежный, особенно при больших частотах вращения, и ремонтопригодный, что является неоспоримым преимуществом в использовании ВИД в качестве тягового двигателя электромобиля. От 95 сутствие обмотки на роторе ведет к улучшению массогабаритных характеристик, следовательно, и к его низкой инерционности, что весьма важно для транспортного средства. Благодаря этим качествам, ВИД можно применять в мотор-колесах электромобиля. Несмотря на более высокую стоимость полупроводниковых преобразователей сам двигатель дешевый, надежный и более эффективный наряду с синхронными и асинхронными машинами [48].
К недостаткам ВИД можно также отнести наличие пульсаций электромагнитного момента и, как следствие, повышенный шум и вибрация двигателя, но они существенны лишь при высоких значениях частоты вращения.
В других типах привода, в зависимости от номинальной скорости вращения двигателя, схемы подвода мощности к колесам принципиально отличается, и имеют свойственные им недостатки, прежде всего связанные с массогабарит-ными показателями. Как правило, у высокоскоростных двигателей эти показатели лучше [62]. Но при этом возникает необходимость в понижении оборотов выходного вала при помощи редуктора, который несколько уменьшает КПД всего привода и занимает некоторое пространство. Если в проектируемом ТС планируется использовать мотор-редуктор, то для такого типа привода целесообразней использовать асинхронный двигатель в силу его невысокой стоимости.
Выводы по выбору электродвигателя:
1. Коллекторные двигатели постоянного тока до сих пор используются в транспортных средствах по ряду причин:
- Не требуют сложной системы управления;
- Не требуют преобразования напряжения;
- Большой выбор среди серийно-производимых двигателей;
Эти показатели являются решающими при выборе данного типа двигателя для малогабаритного ТС городского назначения.
КПД двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением — около 70% в диапазоне 2000...5000 об/мин [61]. 2. Асинхронные двигатели переменного тока также могут применяться в некоторых случаях благодаря следующим преимуществам:
- Относительно дешевый и простой в изготовлении;
- Более надежный и требующий меньшего обслуживания наряду с коллекторным двигателем;
- Имеет высокий КПД в широком диапазоне частот (не менее 80% при 2000... 12000 об/мин);
- Имеют хорошие массогабаритные показатели, но зависящие от номинальной частоты вращения вала [46].
Проектное решение для прогулочного электромобиля
Функциональное решение. Данный тип транспортного средства рассчитан на самое широкое распространение, поэтому принимаются только те технические решения, которые могут воспроизводиться многотысячными тиражами без отрицательного влияния на стоимость, надёжность и безопасность.
Автомобиль должен обеспечивать удобство парковки в ограниченном пространстве (лёгкий поворот колёс, большие наружные зеркала, чётко обозначенные габариты), малую длину и ширину, что является главным плюсом на перегруженных потоками авто мегаполисов, достаточную разгонную динамику, хорошую обзорность с места водителя (отсюда высокая посадка водителя с вертикальной спиной, высокая крыша и достаточно низкая граница остекления).
Художественное решение. Концепцией проекта является, разработка легкого и компактного городского малогабаритного автомобиля нового поколения, обладающим современным внешним видом, а его композиция - свойствами, характерными для высокоорганизованной формы. Внешний вид достигается при соответствии современным течениям и направлениям в автомобилестроении, при использовании современных конструкторских и дизайнерских разработок. Трех- и четырехколесное транспортные средства рассчитаны на одного человека и позволяют достичь индивидуализации автомобиля. Водитель размещается в закрытой кабине.
Внешность трицикл а проста и в тоже время дерзкая - уравновешенная и прочная посадка, усиленная достаточной шириной автомобиля контрастирующей с его небольшой длиной. При виде сбоку, короткие свесы и сдвинутый немного назад салон добавляют динамику, но в тоже время позволяют расширить внутреннее пространство.
На кузове нет частей выпирающих за пределы его форм. За счет этого, простота и элегантность не перестают радовать глаз и в конце концов проста приковывают внимание.
Внешняя поверхность одноместного автомобиля создает ощущение движения и эмоциональности, подчеркивая новизну и современность дизайна. Характерные линии оконных проемов плавно и гармонично перетекают в поверхность кузова. Панорамная стеклянная крыша пропускает дневной свет и позволит водителю чувствовать себя комфортно даже в городских пробках, а ночью затемненный интерьер создаст внутри салона мистическую атмосферу.
В целом, стиль транспортного средства делает его идеальным транспортным средством для городских улиц завтрашнего дня.
Конструктивное решение. Внутригородской электромобиль имеет ограничение максимальной скорости передвижения (благо, правила дорожного движения сами устанавливают такое ограничение), что позволяет также уменьшить критический параметр веса - устанавливаются менее мощные (одновременно менее тяжелые) электродвигатели. Несмотря на планку скорости в 60-80 км/ч, внутригородской электромобиль не будет чувствовать себя изгоем на дорогах - благодаря высокому крутящему моменту электродвигателя на низких оборотах и низкому весу электромобили при старте от светофора оставляют далеко позади большинство собратьев.
Назначение электромобиля диктует определенный подход к конструкции серийных образцов - более простой и дешевый. Описанные ограничения диктуют внешний облик современного доступного электромобиля: несущий каркас безопасности (идея, проверенная временем на спортивных багги, предоставляет отличную пассивную безопасность при минимуме вложений), корпус из пластиковых навесных панелей - обеспечивает длительную жизнь без заботы о коррозии, покраске, а также обеспечивает более низкий вес. А одноместная компоновка делает его по настоящему индивидуальным транспортным средством, ведь по статистики в 70% случаев в автомобиле по городу перемещается один человек. Общий вес электромобиля без нагрузки 300-400 кг, полезная нагрузка до 250 кг (чем меньше вес, тем меньше емкость аккумуляторной батареи на борту для обеспечения того же пробега; чем меньше необходимая емкость, тем дешевле эксплуатация) три мотор - колеса, с номинальной нагрузкой в 10 КВт контроллер питания, обеспечивающий возможность рекуперативного торможения (увеличивается запас хода, меньше изнашивается тормозная система).
