CC BY
17Анализ процесса управляемого разгона автомобиля
Ган Р.С. fromangan@pochtamt.ru ), Проскуряков В.Б.
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Одной из важнейших задач при проектировании автомобиля является выбор оптимальной мощности двигателя и параметров трансмиссии, которые позволят добиться сочетания топливной экономичности с хорошими динамическими показателями машины. Важным инструментом, с помощью которого эта задача может быть решена, является тягово-динамический расчёт автомобиля. Данный расчёт позволяет определить основные тягово-динамические показатели транспортного средства на стадии проектирования или провести сравнительный анализ динамических качеств уже существующих автомобилей.
Методы тягово-динамического расчёта [2], используемые в классической теории движения автомобиля основаны на использовании внешней характеристики двигателя, т.е. зависимости мощности и момента двигателя от частоты вращения коленчатого вала и не учитывают управляющего воздействия со стороны водителя. Однако при управлении автомобилем, особенно в городском цикле, преимущественно используются режимы работы двигателя с неполной подачей топлива. При вычислении времени разгона на каждой передаче в классической методике тягово-динамического расчёта предполагается, что переключение передач происходит при достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала, т.е. частоты, соответствующей максимальной мощности двигателя. На практике переключение передач, как правило, происходит при частоте вращения коленчатого вала ниже номинальной.
Чтобы учесть эти обстоятельства, необходимо более глубокое изучение процесса управляемого разгона, и в частности, динамических характеристик системы «водитель - автомобиль», которые отражают поведение автомобиля в реальных условиях.
С этой целью были проведены экспериментальные исследования процесса разгона автомобиля ВАЗ-21083 с учётом управляющей роли водителя. Эксперимент проводился при информационной поддержке АО «АвтоВАЗ», предоставившего подробную техническую характеристику данного автомобиля и установленного на нём двигателя. Необходимо отметить, что до настоящего момента АО «АвтоВАЗ» не располагал результатами подобных исследований.
Испытания проводились в режиме разгона автомобиля на прямом горизонтальном участке дороги с асфальтобетонным покрытием с места до 60 км/ч с использованием двух и трёх передач и до 100 км/ч с использованием трёх и четырёх передач. При этом датчики фиксировали изменение ускорения и угла положения дроссельной заслонки во времени. В результате интегрирования временной зависимости ускорения получена зависимость скорости автомобиля от времени. Изменение положения дроссельной заслонки во времени соответствует временной зависимости коэффициента использования мощности С, который представляет собой отношение фактической мощности, расходуемой на движение автомобиля на данном режиме работы двигателя к базовой, определяемой по внешней характеристике стандартного двигателя [1].
Все три зависимости для случая разгона до 100 км/ч с использованием трёх передач показаны на рис.1. Анализируя данные зависимости, отметим следующее:
• изменение скорости при разгоне в пределах каждой передачи можно считать линейным, а ускорение, соответственно, постоянным;
• снижением скорости за время переключения передач можно пренебречь (на графике изменения скорости во времени отчётливо видны горизонтальные участки, соответствующие времени, затрачиваемому на переключение передач);
Рис.1 Экспериментально полученные зависимости ускорения, скорости и положения дроссельной заслонки (коэффициента использования мощности) от времени
• конечные скорости разгона на каждой передаче ниже, чем скорости, соответствующие номинальным оборотам двигателя;
• при разгоне на каждой передаче двигатель работает при неполной подаче топлива (коэффициент использования мощности С< 1); чем выше передача, тем более полно используется мощность двигателя;
• управляющее воздействие водителя на педаль акселератора выглядит следующим образом: сначала подача топлива наращивается крайне интенсивно, затем удерживается практически постоянной, затем происходит резкое снижение подачи топлива. Этот поцесс можно описать серией прямоугольных
а
0,8
0,6
0,4
0,2
п! ' 1| ~ 1 1
1 1 || 1, 1 1
1 J ч "I 1 —1—1—
Мягкий режим разгона
Интенсивный режим разгона
10
15
20
2 С
Рис.2 Коэффициент использования мощности при разгоне до 100 км/ч
0
0
5
импульсов, высота которых соответствует среднему коэффициенту использования мощности на участке, где он близок к постоянному, ширина -времени движения на передаче, а расстояние между соседними импульсами -времени переключения передач (рис.2).
По результатам эксперимента построена функция управления -зависимость мощности двигателя, подаваемой на колёса, от скорости движения в реальных условиях разгона автомобиля с учётом активной управляющей роли водителя. Для каждой передачи она близка к частичной характеристике двигателя с соответствующим значением коэффициента использования мощности.
На основе экспериментальных исследований получены значения частоты вращения коленчатого вала, при которых осуществляются переключения передач в реальных условиях движения. Для случая интенсивного разгона до 100 км/ч на четырёх передачах эти значения составляют (в % от номинальной частоты вращения коленчатого вала т.е. частоты, соответствующей
максимальной мощности двигателя) 90, 80 и 75 для переключения с первой передачи на вторую, со второй на третью и с третьей на четвёртую соответственно. Эти значения могут быть использованы в тягово-динамическом расчёте автомобиля [1], а также при разработке алгоритма управления автоматической коробкой передач. Также сформулированы рекомендуемые для тягово-динамического расчёта значения коэффициента использования мощности - 0,7, 0,8, 0,85, 0,9 для первой, второй, третьей и четвёртой передачи соответственно.
В процессе эксперимента в одном из случаев разгон до 100 км/ч на четырёх передачах осуществлялся плавно. Таким образом моделировался спокойный, или мягкий режим управления. Приведём аналогичные результаты для этого режима: значения частоты вращения коленчатого вала, при которых осуществляются переключения передач - 80, 75 и 70 % от значения коэффициента использования мощности - 0,4, 0,45, 0,55, 0,6.
Использование этих значений в методике тягово-динамического расчёта [1] позволяет учесть активную управляющую роль водителя при разгоне. Сравнение результатов расчёта времени разгона автомобиля ВАЗ-21083 до 100 км/ч по внешней характеристике двигателя (¿100 = 16,4 с) с результатами расчёта при тех же условиях, но с учётом использования частичных характеристик и переключения скоростей при частоте вращения коленчатого вала ниже номинальной (¿100 = 21,5 с, на 25 % выше) показывает, что отличие реального режима управления от принимаемого в классическом тягово-динамическом расчёте сильно влияет на результаты расчёта.
Для подтверждения и уточнения приведённых рекомендаций необходим обширный статистический материал, который может быть получен при исследовании процесса разгона различных автомобилей, управляемых разными водителями.
Выводы. В результате экспериментальных исследований получены следующие важные сведения о процессе разгона автомобиля в реальных условиях движения, с учётом активной управляющей роли водителя:
• разгон осуществляется при линейном возрастании скорости и постоянном ускорении в пределах каждой передачи;
• переключение передач осуществляется при частоте вращения коленчатого вала ниже номинальной;
• при разгоне двигатель работает в режимах с неполной подачей топлива, уровень которой можно считать постоянным в пределах каждой передачи.
Данные выводы являются новыми с позиций классической теории движения автомобиля. Учёт этих обстоятельств в тягово-динамическом расчёте позволит более адекватно оценивать динамические качества проектируемого автомобиля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ган Р.С., Проскуряков В.Б. Динамические качества автомобиля и мощность двигателя// Автомобильная промышленность. - 2002. - № 8. - С.14-15
2. Машиностроение. Энциклопедия. Ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. Т. IV-15 - М.: Машиностроение, 1997. - 688 с.
