Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния вопроса проектирования квадрициклов
1.1. Исторический аспект создания малогабаритных микролитражных механических транспортных средств 14
1.2. Анализ законодательных сведений о квадрициклах 21
1.3. Пассивная безопасность квадрициклов автомобильного типа 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 кузова 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 98
3.2. Обоснование базовых параметров квадрицикла L7 с комбинированной энергосиловой установкой 102
3.3. Анализ конструктивных схем комбинированной энергосиловой установки для квадрицикла 113
3.4. Обоснование параметров ступенчатой трансмиссии квадрицикла L7, оборудованного комбинированной энергосиловой установкой 119
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 131
4.2. Моделирование показателей качества квадрицикла с комбинированной энергосиловои установкой 141
4.3. Методика построения обобщенного критерия качества и учета конструктивных, критериальных и эксплуатационных ограничений при выборе 146
Заключение и выводы 161
Литература 164
Приложение А. Иллюстративный материал к главе 1.1 194
Приложение Б. Разработанный модельный ряд квадрициклов 203
- Анализ законодательных сведений о квадрициклах
- Компоновочные и эргономические правила проектирования квадрициклов
- Анализ конструктивных схем комбинированной энергосиловой установки для квадрицикла
- Методика построения обобщенного критерия качества и учета конструктивных, критериальных и эксплуатационных ограничений при выборе
Анализ законодательных сведений о квадрициклах
Образование единого европейского экономического пространства в 1992 году привело к изменению законодательства по одобрению категорий ТС в ряде европейских стран, как следствие ЕЭК ООН предписала основные правила в Директиве 92/61/ЕЕС от 30 июня 1992 года [325]. Эти правила привели к актуальности создания четырехколесных ТС с малым рабочим объемом двигателя (до 50 см ) и мощностью двигателя до 4 кВт и 15 кВт, обладающих преимуществами по налогам, парковке и управлять, которыми разрешалось без автомобильного водительского удостоверения с 14-16 лет (квадрициклов категорий L2, L5) [325]. В Японии подобными преимуществами обладают ТС класса Q: ТС с двигателем рабочим объемом до 660 см и мощностью до 65 л.с, длиной до 3400 мм и шириной до 1475 мм (с 1998 года), на базу и высоту ограничений нет [233].
В настоящее время действует Директива 2002/24/ЕС Европейского Парламента и Совета Европейского Союза от 18 марта 2002 года [327], аннулировавшая Директиву 92/61 /EEC для сближения законодательств государств Европейского Союза, касающихся и одобрения категорий квадрициклов. Технические требования официального европейского одобрения квадрициклов по некоторым комплектующим узлам и характеристикам были прописаны в 1997 году в Директиве 97/24/ЕС Европейского парламента и Совета Европейского Союза от 17 июня 1997 года [3 28], дополняющая Директиву 92/61/ЕЕС, действующую на то время. Директива [328] будет дополняться ввиду прогресса, развития технологий и будет проводиться дальнейший соответствующий анализ комплектующих узлов и характеристик, в особенности тех, которые касаются пассивной безопасности.
В 1996 году в городе Болонье (Франция) была создана AFQUAD (Association europeerme des fabricants et importateurs de quadricycles -Европейская ассоциация производителей и импортеров квадрициклов). AFQUAD защищает интересы производителей и импортеров в Европейском парламенте и Совете Европейского Союза (внесение дополнений, изменений и участие в создании новых директив европейского законодательства, связанных с квадрициклами), развивает лучшее понимание полезности, обоснованности квадрициклов у европейских гражданских властей и европейского общества, следит за профессиональной этикой между различными игроками рынка квадрициклов. Деятельность AFQUAD с 2004 года началась в странах Восточной Европы (Латвия, Литва и др.) и особенно в России.
Российское законодательство предусматривает ГОСТ Р 52051-2003 «Механические транспортные средства и прицепы. Классификация и определения» от 01.01.2004 года [59] учитывает Директиву 2002/24/ЕС и дает определения квадрициклов по четырем параметрам: ненагруженная масса (Т6, L7), мощность двигателя (L6; L7), скорость (Ц), рабочий объем (1 ). Технические требования к ним излагаются в ГОСТ Р 51815-2001 «Квадрициклы. Общие технические требования» от 01.07.2002 года [5 8].
Законодательство ЕС [327] регламентирует иную маркировку категорий квадрициклов L6e (Ьб), L7e (L7) и предел максимальной конструктивной скорости до 45 км/ч при одобрении L6e (Lg).
Классификация квадрициклов по технико-конструктивным параметрам [59] и типу посадки водителя проведена на рис. 2.
Европейское законодательство (Директива 91/439/ЕЕС ЕЭК ООН от 29 июля 1991 года [326]) и Российское законодательство (Правила сдачи квалификационных экзаменов и выдачи водительских удостоверений, п. 9) определяют водительские права для различных категорий ТС с двигателем, начиная с двухколесных, а в частности для категорий квадрициклов;
- категория L7 (Г7е) - водительское право категории А или В, удостоверение тракториста-машиниста категории «А» (В 1, заменившее водительское право AT с 1 марта 1999 г., или водительские права для других категорий ТС в Европе [326]);
- категория L6 (L6e) - не определяет. Допуск к управлению ТС (квадрицикла L6) без водительских прав каждое государство может допускать или нет.
Французская терминология (официальная классификация регистрации) этих категорий ТС распространяется на всю Европу. ТС типа «sans permis» (бесправные), называвшиеся VSP (vehicules sans permis) или тележки (voiturettes) называются - QLEM (quadricycles legers a moteur) - легкие квадрициклы (L6e). TQM (tricycles et quadricycles a moteur) - трехколесные мотоциклы (трициклы - L5e) и квадрициклы категории L7e - QLOM (quadricycles lonrds a moteur). В России согласно ГОСТ Р 51815-2001 для квадрициклов с кузовом используется термин «мотоколяска».
В ЕС и РФ квадрициклы категории L6e (L6) не регистрируются или регистрируется как мопед категорий Lie (Lj), L2e (L2) (во Франции с 1 июля 2004 года осуществляется обязательная регистрация мопедов категорий Lie, L2e). Квадрициклы категории L7e (L7) регистрируются как мотоцикл категорий L3e (L3), L4e (L4), а в РФ попадают под разрешительную систему в Инспекции Гостехнадзора, где регистрируются трактора, дороншая техника, экскаваторы и прочий «неавтомобильный транспорт»: в городской или районной Инспекции Гостехнадзора, где получают удостоверение тракториста-машиниста категории «А», ставят на учет и выдают на них специальньіе-«граісгорньіе»номерньіезнаки.
Законодательство Европы, Японии (ТС класса Q), России и т, д. регламентирует для квадрициклов категорий L6e (Le), L7e (L7) упрощенные, экономичные процедуры регистрации и допуска к управлению (или отсутствие этих процедур).
Компоновочные и эргономические правила проектирования квадрициклов
Законодательные требования, предъявляемые при одобрении данной категории ТС [58; 59; 327], определяют специфичные сочетания компоновочных и эргономических правил проектирования квадрициклов.
Обеспечивание малой ненагруженной массы и необходимого антропометрического пространства кузова квадрицикла решается рациональным выбором дизайнера компоновочной схемы, осуществляемый на стадии эскизного проекта. Компоновочное решение ТС - определение числа посадочных мест и их расположение, посадочной схемы водителя, пассажиров и их зоны свободного пространства и досягаемости в салоне ТС, расположение узлов и агрегатов ТС.
Компоновочные решения ТС учитывает эргономические требования, предъявляемые к автомобилям и подразделяющиеся на антропометрические, физиологические, психологические, гигиенические и психофизиологические [133; 257]. Определения параметров кузова ТС преимущественно обеспечивается статическими (линейные размеры отдельных частей тела) и динамическими (зоны досягаемости, угловые и линейные перемещения частей тела) характеристиками потребителей. Антропометрические характеристики потребителей представляются табличными числовыми данными, указывающими среднее арифметическое значение (М) и среднее квадратичное отклонение (0) характеристики, характеризующее ее изменчивость и вариативность. Эти табличные числовые данные соответствуют 5% и 95% уровням репрезентативности (5-му и 95-му перцентилям), определяющиеся по нормальному закону распределения случайной величины (кривой Гаусса). Зоны досягаемости определяются по наименьшим (5-й перцентиль) числовым значениям характеристик, а зоны свободного пространства (салона) - по наибольшим (95-й перцентиль) [44; 160; 171; 189; 222; 223; 251.; 252; 253; 307; 308; 319; 320; 321 и др.]. В настоящее время в проектировании ТС используется в РФ действующий ГОСТ 1985 года, согласно которому М = 172,3 см (50-й перцентиль) [161], в ЕС - согласно действующего DIN 33408 (Deutche Industrial Norm) -M = 175,0 см (50-й перцентиль) [311; 341]. В РФ кузов проектируется под потребителя, обладающего ростом в диапазоне 161,4 см (5-й перцентиль) -183,5 см (95-й перцентиль) [161], в ЕС - 163,0 см (5-й перцентиль) - 187,0 см (95-й перцентиль) [311; 341]. Данные роста и веса представителей населения по российскому и немецкому стандартам были представлены в статье С. Мишина (табл. 8) [161]. Но по результатам последних научных исследований типовых фигур человека ЦНИИ швейной промышленности РФ (2003 год) рост мужчин и женщин приобрел существенные изменения по сравнению с данными 1975 года в РФ (рис. 35). Из сравнительной схемы (рис. 35) видно мужчины и женщины в возрасте 18-29 лет стали выше на 12 см и 4 см соответственно, в возрасте 30-44 лет - на 6 см и 4 см соответственно, в возрасте старше 45 лет - не изменились и стали выше на 4 см соответственно.
Полученные данные необходимо учитывать дизайнеру при проектировании компоновочной схемы квадрицикла. Параметры рабочих позы, места (посадка) водителя и пассажира квадрицикла, согласно разработанному типажу (см. выше 2.1. «Типаж квадрициклов»), можно классифицировать на мопедные, мотоциклетные, легкоавтомобильные и грузоавтомобильные (рис. 36). Автомобильная посадка зависит от условий эксплуатации ТС и определяется размерными данными по отношению опорной точки тазовой кости человека к полу ТС (рис. 37).
Параметры рабочей позы, места водителя и расположение основных органов управления в легкового и грузовом автомобиле приводятся в ОСТ 37.001.413-86, ОСТ 37.001.458-87, ОСТ 37.001.017-70, РД 37.001.020-84, РД 37.001.458-87, РД 37.001.039-86.
Параметры рабочей позы, места водителя и расположение основных органов управления грузового автомобиля приводятся в ОСТ 37.001.413-86 (рис. 38, 39, 40 и табл. 9, 10, 11).
Параметры рабочих позы и места водителя легкового автомобиля приводятся в Директиве 2780 Объединения немецких инженеров, рекомендациях Г. Дюпюи и правилах Ассоциация автомобильной промышленности Германии VDA 239-01 (рис. 41, 42, 43). Расположение основных органов управления легкового автомобиля приводятся на рис. 44 [189], педали управления - в ГОСТ Р 41.35-99 (рис. 45, табл. 12).
Основные органы управления легковым автомобилем определяются по рис, 44, на котором штриховыми зонами выделены целесообразнвіе зонві точек А (условная точка приложения усилий ноги водителя к педалям) и В (точка пятки, располагаемая на уровне пола, рулевого колеса и педалей - РД 37,001.003-82). Расстояние между точками А и В = 200 мм вдолв стопві, другие размерные данные определяются по координатной сетке. Расположение органов управления должны соответствовать требованиям действующих стандартов [189].
Вышеизложенные требования предъявляются к ТС категорий М и N, к квадрициклам эти требования не предъявляются. Но при проектировании квадрицикла автомобильного типа с легкоавтомобильным или грузоавтомобильным кузовом должны предъявляться как рекомендательные требования для создания конкурентоспособного ТС (создание эргономического салона кузова). Квадрициклы имеют специфичные комбинации расположения основных органов управления (тип управления) и параметров рабочей позы и места (тип посадки) водителя (рис. 46). Разработаны опытные эргономические схемы с мопедными и мотоциклетными (с мотоциклетным расположением основных органов управления), легкоавтомобильными и грузоавтомобильными с автомобильным расположением основых органов управления) параметрами рабочих позы и места (посадкой) водителя 95-го перцентиля по DIN 33408 (рис. 47,48,49,50,51).
Для обеспечения необходимого антропометрического пространства кузова малогабаритного транспорта в работе Б.М. Фиттермана [297] рекомендуются следующие компоновочные схемы: - двигатель установлен впереди, передние колеса ведущие; - двигатель установлен впереди, задние колеса ведущие; - двигатель установлен сзади, задние колеса ведущие. Также автор предлагает оценивать комфортабельность и пригодность ТС для перевозки установленного числа пассажиров удельной площадью (Sy) -отношение площади горизонтальной проекции ТС (S = ДхШ) к числу пассажиров (п) [297]: Sy=S/n, [м2/пасс]. (1)
Компактность и степень рациональности компоновки ТС оценивается коэффициентом использования базы ТС (К) - отношение полезной длины антропометрического пространства (С) (от тыльной стороны спинки заднего сидения до нажатой до отказа педали сцепления) к длине базы ТС (Б). Чем больше К, тем лучше компактность и степень рациональности компоновки ТС [297]
Рациональность компоновочного решения ТС и прочностные качества конструктивного решения ТС оцениваются отношение снаряженного веса ТС (G0) на 1 м длины базы ТС (Б) [297]
Также рациональность компоновочного решения ТС и влияние внешнего формального решения ТС на его вес оценивается отношением снаряженного веса ТС (G0) на 1 м горизонтальной проекции ТС (S = ДхШ) [297]
По компоновочному решению кузова автомобильного типа квадрицикла имеет преимущество однообъемное решение, обладающее при равной габаритной длине ТС наибольшим антропометрическим пространством, повышает обзорность и маневренность ТС, что актуально для городских условий эксплуатации ТС.
Анализ конструктивных схем комбинированной энергосиловой установки для квадрицикла
В зависимости от сформулированных требований к топливной экономичности, экологичное, тягово-скоростным свойствам, компоновке и т.д. можно применить в конструкции квадрицикла различные агрегаты и конструктивные схемы КЭСУ. Например, в качестве ТД можно использовать карбюраторный ДВС, дизель, газотурбинный двигатель и др., в качестве ЭД -различные типы ЭД постоянного и переменного тока, в качестве накопителя энергии (НЭ) - различные типы накопителей начиная от евинцоволшелотных аккумуляторных батарей и кончая маховичными накопителями кинетической энергии. В настоящее время наиболее распространены накопители электрической энергии. Поэтому все структурные схемы КЭСУ квадрициклов будем рассматривать для случая, когда в качестве НЭ используются накопители электрической энергии.
Все разнообразие КЭСУ можно разбить в зависимости от принципа компоновочных решений ТД и ЭД на два типа:
1. КЭСУ последовательной компоновочной схемы (ведущие колеса квадрицикла приводятся в движение от ЭД);
2. КЭСУ параллельной компоновочной схемы (привод ведущих колес может осуществляться одновременно от ТД и (или) ЭД).
Структурная схема квадрицикла с колесной формулой 4x2, оборудованного КЭСУ с последовательной компоновкой ТД и ЭД, представлена на рис. 85, где за ТД расположен Г электрической энергии.
Выходным валом КЭСУ в данном случае является выходной вал ЭД, с которого поток мощности поступает на ведущие колеса квадрицикла. За выходным валом ЭД обычно находится муфта сцепления. Для увеличения и изменения передаваемого крутящего момента между выходным валом и ведущими колесами можно установить коробку передач и редуктор, а далее межколесный дифференциал (Д). Участок от выходного вала КЭСУ до дифференциала условно назовем преобразующей частью (ПЧ) КЭСУ. Отметим, что возможно и другая конструкция ПЧ, например, для полноприводиого квадрицикла возможна раздаточная коробка передач, межосевой дифференциал и т.п. Любая из перечисленных возможных составляющих ПЧ может также отсутствовать в конструкции.
При движении квадрицикла с установившимися скоростями или при разгонах с небольшими ускорениями мощностиой поток от ТД до ведущих колес будет проходить через следующие агрегаты квадрицикла: ТД-Г-ЭД-ПЧ-Д. Если при этом НЭ находится в разряженном состоянии, то дополнительно энергия поступает в НЭ по цепи ТД-Г-НЭ. При необходимости дополнительной силы тяги на ведущих колесах - например, тяжелые дорожные условия, необходимость динамичного разгона, увеличение сопротивления движению при высоких скоростях квадрицикла - энергия поступает от НЭ к ведущим колесам по цепи НЭ-ЭД-ПЧ-Д одновременно с мощностным потоком от ТД по цепи ТД-Г-ЭД-ТТЧ-Д. Возможно движение квадрицикла при отключенном ТД за счет энергии, поступающей только от ЫЭ, например, при необходимости уменьшения выбросов вредных веществ с отработавшими газами ТД (движение в закрытых заводских и других помещениях, на территории лечебных учреждений, в городах с высокими плотностями населения и транспортных потоков и др.). При торможении и при движении накатом за счет перехода ЭД в режим генератора осуществляется рекуперация энергии замедления и торможения в энергию НЭ по цепи Д-ПЧ-ЭД-НЭ.
Конструктивная схема ГЭУ, изображенная на рис. 85, позволяет реализовать работу ТД в малом диапазоне его работы на режимах наилучшей топливной экономичности. Однако получить высокие показатели топливной экономичности в данном случае проблематично из-за основного недостатка, рассмотренного в работе [122]. При передаче всей энергии от ТД на ведущие колеса квадрицикла происходит трехкратное и более преобразование ее. Одна часть тепловой энергии ТД преобразуется в механическую, механическая в Г в электрическую энергию, а затем в механическую в ЭД. Вторая часть энергии преобразуется дополнительно из электрической энергии в химическую, а затем вновь в электрическую в ЭД. Очевидно, что каждое преобразование энергии сопровождается ее потерями. Кроме того, надежность этой конструктивной схемы зависит от надежности работы ЭД и Г, т.е. при выходе их из строя продолжать движение на квадрицикле невозможно.
Большие потери энергии затрудняют конкуренцию последовательной компоновочной схемы КЭСУ с энергетическими установками, у которых ТД и ЭД работают параллельно. Конструктивную схему, изображенную на рис. 85, можно рекомендовать к применению, когда основными требованиями к проектируемому квадрициклу являются требования уменьшения токсичных выбросов в атмосферу или в связи с рациональностью компоновочного решения квадрицикла. Известно, что токсичность отработавших газов ТД увеличивается многократно при работе ТД на неустановившихся режимах.
Большую часть этих неустановившихся режимов можно исключить за счет применения на квадрицикле КЭСУ рассматриваемой конструктивной схемы. Полностью реализовать работу ТД на установившихся режимах невозможно из-за частой необходимости высоких крутящих моментов на ведущих колесах в процессе разгона или при увеличения дорожного сопротивления.
В соответствии с вышесказанным при проектировании гибридного квадрицикла в аспекте потерь энергии в КЭСУ более предпочтительна параллельная конструктивная схема, позволяющая в сравнении с квадрициклом, оборудованным только ТД, на ряду с улучшением показателей экологичной безопасности повысить топливную экономичность квадрицикла. Наиболее распространенная в настоящее время структурная схема квадрицикла типа 4x2 с такой КЭСУ представлена на рис. 86. Для согласования частот вращения валов ТД и ЭД они соединяются между собой через согласующий редуктор (СР).
При необходимости зарядки НЭ в режиме движения с установившимися скоростями и близкими к ним происходит зарядка НЭ по цепи ТД-СР-ЭД-НЭ, т.е. ЭД переходит в режим работы Г. Движение накатом и торможение сопровождается рекуперацией энергии в энергию НЭ по цепи Д-ПЧ-СР-ЭД-НЭ.
В качестве СР могут использоваться различные типы редукторов, например, цепной, шестеренчатый, ременный. Для таких типов СР проведен ряд теоретических и расчетных исследований при создании КЭСУ для легкового автомобиля [287; 288; 289].
Многолетней опыт работ по созданию КЭСУ для транспортных машин позволил выявить следующие недостатки конструктивной схемы, представленной на рис. 86.
Первый - повышенные потери мощности в трансмиссии КЭСУ из-за введения в конструкцию СР. В соответствии с общей теорией силового потока [15] СР является обобщенной узловой точкой, которая одновременно преобразует силовые и скоростные факторы потоков мощности от ТД и ЭД, Потери в трансмиссии ЭМП, связанные с циркуляцией мощности, отсутствуют, так как в рассматриваемой конструкции, изображенной па рис. И6, нет замкнутых потоков мощности. Причиной повышенных мощностных потерь в трансмиссии являются сложные динамические процессы, происходящие в СР, т.е. имеются большие диссипативные потери устранить которые конструктивно достаточно сложно.
Второй недостаток, сложность согласования работы ТД и ЭД из-за неустановившихся режимов работы ТД в разнообразных дорожных и природно-климатических условиях эксплуатации. Это в конечном итоге также влияет на потери энергии и повышенные динамические нагрузки в СР. Эта проблема возложена на пускорегулирующую аппаратуру и электронный блок управления основным показателем совершенства, которых и является их способность согласовать работу обоих двигателей КЭСУ при передаче крутящих моментов по заданной программе, моделирующей реальные условия движения.
Возможна и другая конструкция КЭСУ параллельной компоновочной схемы, которая более благоприятная в аспекте согласования работы ТД и ЭД и позволяет уменьшить динамические нагрузки в СР и снизить диссипативные потери энергии в трансмиссии, которую также можно применять при создании квадрицикяа. Структурная схема гибридного квадрицикла с такой КЭСУ представлена на рис. 87.
В этом случае ГЭСУ представляет собой замкнутую дифференциальную передачу, позволяющую передавать мощность от ТД к ведущим колесам после делителя мощности (ДМ) двумя потоками. Замыкание мощиостных потоков от ТД и ЭД осуществляется за счет введения в конструкцию дифференциального СР (ДСР), что создает дополнительно возможности для создания автоматической трансмиссии квадрицикла. Большая часть мощности от ТД на ДСР идет по цепи с постоянным передаточным отношением ТД-ДМ-ДСР. Другая часть мощности поступает на ДСР через ЭД, который работает под управлением электронного блока как вариатор. Таким образом, получается автоматическая трансмиссия.
Методика построения обобщенного критерия качества и учета конструктивных, критериальных и эксплуатационных ограничений при выборе
Частные критерии оптимальности (32) Qj=Qj(K, X, Р, Y) функционально связывают показатели качества (эксплуатационных свойств) проектируемого квадрицикла с его конструктивными параметрами и характеристиками и с параметрами и характеристиками, описывающими условия эксплуатации квадрицикла. При решении задач оптимального проектирования квадрицикла с КЭСУ векторы параметров Р и характеристик Y, как правило, являются заданными, т.е. конструкция разрабатывается для конкретных усредненных условий эксплуатации. Если проектируемый квадрицикл планируется эксплуатировать в различных условиях, например, природно-климатических или дорожных, то задаются множества векторов Р и Y, описывающие все планируемые условия эксплуатации. Эти множества обозначим Р и Y. Тогда Р єР и YeY. Множества векторов приходится рассматривать также при вероятностном подходе к описанию условий эксплуатации.
Поиск оптимального решения ведется по конструктивным параметрам и характеристикам, т.е. по компонентам векторов К и X. В процессе оптимизации, как правило, определяются только некоторые компоненты векторов К, X при заданных других, т.е. определяются подвекторы КсК и ХсХ при заданных подвекторах К1 и Xі, При этом логическая сумма (объединение) подвекторов К0 UK1=K, а Х UX1=X. Например, при постановке задачи оптимального проектирования коробки передач квадрицикла может проводиться поиск оптимальных параметров и характеристик только коробки передач при заданных конструктивных параметрах и характеристиках других агрегатов квадрицикла. Более того, и некоторые конструктивные параметры и характеристики самой коробки передач могут быть фиксированными.
В общем случае при математической постановке задач оптимального проектирования необходимо задавать три типа ограничений: конструктивные, функциональные и критериальные. Конструктивные ограничения вводятся на оптимизируемые параметры и характеристики, которые являются компонентами векторов К0 и Х. Значения KH(P,Y) и KB(P,Y) задают интервал возможного изменения конструктивного параметра К KH(P,Y) и KB(P,Y) - параметра К0 и т.д.
Например, пусть конструктивный параметр К является жесткостью упругого элемента подвески квадрицикла, тогда KH(P,Y) и KQ(P,Y) задают интервал допустимых возможных значений жесткости, т.е. при поиске оптимальных значений показателей эксплуатационных свойств квадрицикла необходимо контролировать, чтобы жесткость была не менее KH(P,Y), но и не более KB(P,Y).
Подобным образом задают ХН(Р,У) и ХВ(Р,У) - ограничения на компоненты вектора конструктивных характеристик Х. Однако отметим, что задание ограничений вида (36) для характеристик задача более сложная и неоднозначная. Например, при проектировании ТД для ЮСУ квадрицикла можно в техническом задании оговорить, что необходимо получить внешнюю скоростную характеристику, значения которой отличаются от расчетной оптимальной зависимости для проектируемого квадрицикла и заданных условий эксплуатации не более чем на 10 % во всем диапазоне изменения частоты вращения вала двигателя. По данной информации можно построить область возможных значений, т.е. определить верхнюю и нижнюю границы на внешнюю скоростную характеристику проектируемого двигателя. Еще сложнее задавать ограничения и учитывать их в процессе поиска оптимального решения для характеристик, зависящих от двух и более переменных. Например, ввод ограничения на семейство нагрузочных характеристик ДВС при рассмотрении этого семейства как функции двух переменных ОгЧЦсСдр, пе), где адр - угол открытия дроссельной заслонки, пе - частота вращения коленчатого вала.
Обоснованный выбор критериальных ограничений часто затруднителен без предварительного исследования частных критериев оптимальности. Поэтому рекомендуется определять ресурсные возможности проектируемого квадрицикла с КЭСУ по каждому частному критерию, на которые вводятся ограничения, т.е. определять минимальные (максимальные) возможные значения частных критериев оптимальности. Эта проблема сводится к определению экстремумов частных критериев оптимальности без ограничений, например, определению исследуемых конструктивных параметров и характеристик для квадрицикла, соответствующих минимуму показателя расхода топлива в городском ездовом цикле; конструктивных параметров и характеристик, соответствующих минимуму времени разгона в интервале скоростей движения от 30 до 70 км/ч, и т.д.
Ограничения (35), (36), (37) и (38) задают допустимое множество решений D, из которого необходимо выбрать единственное оптимальное конструктивное решение по частным критериям оптимальности Qi(K, X, Р, Y). Возможен случай, когда множество допустимых решений D пусто. В этом случае необходимо пересмотреть ограничения (35) - (38) в сторону их ослабления, т.е. принять компромиссное решение. Построив частные критерии оптимальности проектируемого квадрицикла и задав конструктивные, функциональные и критериальные ограничения можно сформулировать постановку задачи оптимального проектирования в общем виде в математических терминах: минимизировать вектор частных критериев (32) по векторам конструктивных параметров Ё и характеристик Х проектируемого изделия с учетом введенных конструктивных (35) и (36), функциональных (37) и критериальных (38) ограничений.
В зависимости от вида математической модели, описывающей качество конструкции квадрицикла с КЭСУ, т.е. количества и типа частных критериев оптимальности (32) и ограничений (35) - (38) применяются различные методы поиска оптимального решения. Однако невозможно разработать универсальный метод поиска оптимального решения, который был бы приемлем для всех типов задач. В связи с этим, на начальном этапе решения оптимизационных задач очень важны умение проектировщика провести анализ особенностей функциональных зависимостей (частных критериев оптимальности, зависимостей между конструктивными параметрами и характеристиками, возможных ограничений) и хорошие познания в методах оптимизации. Это позволит выбрать наиболее эффективный метод поиска оптимальных конструктивных параметров и характеристик и решить задачу с минимальными затратами.
В реальных задачах проектирования квадрицикла с КЭСУ частные критерии оптимальности представляют собой сложные нелинейные функции конструктивных параметров и характеристик и условий эксплуатации, которые из-за сложности и невозможности записать их аналитически рассчитывают на ПЭВМ численными методами. Поэтому наибольшее распространение при решении оптимизационных задач нашли методы математического программирования. Однако, методы математического программирования позволяют минимизировать (максимизировать) только одну функцию, т.е. один частный критерий оптимальности. Для разрешения данного противоречия можно рекомендовать два подхода к исследованию, направленному на поиск оптимального решения по вектору частных критериев с учетом введенных ограничений.
Первый подход - принятие и обоснование оптимальности конструктивного решения на основе анализа всей совокупности (вектора) частных критериев оптимальности. Одним из наиболее распространенных и эффективных методов, относящихся к этому подходу, является метод исследования параметров (метод ЛП-поиска), позволяющий построить множество точек оптимальных по Парето. Суть метода заключается в следующем. Для решения оптимизационной задачи используется математическая модель проектируемого изделия, позволяющая по заданным конструктивным параметрам и характеристикам, а также по параметрам и характеристикам, описывающим условия эксплуатации проектируемого квадрицикла, рассчитывать частные критерии оптимальности (32). Пространство проектирования, заданное в виде ограничений-неравенств на оптимизируемые параметры (35) и характеристики (36), заполняется пробными точками (наборами значений конструктивных параметров и характеристик), в каждой из которых вычисляются частные критерии оптимальности.
