Энергия основа учета показателей автотранспортных средств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629. 113

И.Ф. Дьяков

ЭНЕРГИЯ - ОСНОВА УЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Предложено устройство для учета показателей автотранспортных средств по энергозатратам в кВт ч. Используемый показатель имеет более тесную корреляционную связь между энергозатратами и отказами свыше 37 %, чем с километрами пробега, тем самым можно более точно прогнозировать ресурс деталей (агрегатов) в процессе эксплуатации.

Нагрузочные режимы, энергозатраты, всасывающий коллектор, потенциометр, трибка, анероидная коробка, прогнозирование ресурса детали

I.F. Dyakov

ENERGY AS THE BASIS FOR ACCOUNTING MOTOR VEHICLE INDICATORS

A device is developed for accounting motor vehicle energy consumprion in kWh. The given indicator shows a closer correlation between the energy consumption and failures at more than 37%, which allows to predict more accurately the components life while in operation.

Stress regimes, energy costs, inlet manifold, potentiometer, pinion, aneroid chamber, forecasting of the part resource

При эксплуатации автомобилей действующие нагрузки имеют переменный характер, который зависит как от внешних факторов (дорожных и климатических условий, массы перевозимых грузов (пассажиров), скорость движения), так и от конструктивных особенностей транспортного средства. Характерным видом нагружения является наличие экстремальных величин. Максимальные нагрузочные режимы могут возникать также при резонансных явлениях в трансмиссии от двигателя и подвеске от неровности дороги, в рулевом управлении от управляемых колес. На основе анализа нагрузочных режимов можно выделить: регулярные и нерегулярные, детерминированные и случайные, стационарные и нестационарные нагрузки, влияющие на интенсивность отказов при эксплуатации. Множество нагрузочных режимов практически недостаточно полно связаны с километрами пробега, что требует уточнения достоверности показателей надежности при эксплуатации транспортных средств. На основе результатов исследований

установлено, что количество отказов имеет корреляционную связь с энергозатратами на 37 % теснее, чем с километрами пробега [1].

Величина энергии затраченная автомобилем, находится в тесной связи с условиями эксплуатации. Она изменяется в зависимости от нагрузки и дорожных условий. На основе стендовых и дорожных испытаний двигателей при скоростных и нагрузочных режимах получена зависимость между мощностью бензинового двигателя и давлением во всасывающем коллекторе. При этом мощность бензинового и газобаллонного двигателей соответственно равна [2]

Ре = кп®е {^Рка - ) + к/ , (1)

где кп -постоянный коэффициент пропорциональности, характеризующий тип двигателя; Арка, Арк -давление во всасывающем коллекторе соответственно при холостом ходе и нагрузочном режиме; к / - коэффициент, учитывающий насосные потери мощности двигателя.

Энергия, создаваемая двигателем транспортной машины, может быть выражена

Л = \ РеЯ , (2)

где г — время работы двигателя.

Устройство для измерения энергии двигателя (а.с. № 1661813) содержит датчик давления, принцип действия которого состоит в измерении статического и динамического давления барометрическим методом. Барометрический метод измерения давления основан на использовании закона падения давления во всасывающем коллекторе с увеличением нагрузки на двигатель.

Зависимость давления во впускном коллекторе от нагрузки на двигатель выражается формулой

рсм

р--Р

.га т е

(3)

где ра - давление воздуха в подкапотном пространстве двигателя; Аг — температурный градиент; г — температура в подкапотном пространстве; Т0 — температура окружающей среды; Я — газовая постоянная, равная 29,27.

На рис. 1 показан датчик давления электромеханического типа. Чувствительным элементом является анероидная коробка, состоящая из двух мембран.

Рис. 1. Общий вид датчика давления потенциометрического типа: 1- анероидная коробка; 2, 4 - тяги; 3- штифт; 5 - балансир; 6 - сегмент; 7 - трубка; 8 - пружина; 9, 10 - уплотнители

На оси сектора укреплен сегмент, который находится в постоянном зацеплении с трибкой. На конце оси трибки укреплена контактная пружина со щеткой, которая скользит по потенциометру. Потенциометр крепят винтами к основанию. Датчик работает в интервале температур внешней среды от -50 до +80 °С, выдерживает перегрузочные давления по верхнему пределу 1,33^ 10-4 МПа; по нижнему пределу -6-10"7 МПа.

Погрешность измерения относительно сопротивления составляет от 0,2 до 1,95 %. Чувствительность датчика - 6,51 • 10-4 Ом/МПа. Выход потенциометра соединен с первым входом блока вычитания, выход датчика

частоты вращения вала двигателя и блока вычитания подключены к входам блока умножения, выход которого подключен к входу последовательно соединенного преобразователя напряжения в частоту и счетчика.

При работе двигателя напряжения и1 с выхода датчика прямо пропорциональное давлению

впускного коллектора двигателя Дрк то есть ul = Дрк поступает на первый вход блока, на второй вход которого подается постоянное напряжение ио с выхода источника опорного напряжения, прямо пропорционального величине Po. С выхода блока напряжения получаем

U2 = k К - и1 ) = k (^о -ДРк ) , (4)

где Аpko - давление во всасывающем коллекторе (на малых частотах вращения вала двигателя), от датчика давления поступает напряжение на один из выходов блока, на другой вход которого поступает напряжение с выхода датчика, прямо пропорциональное угловой скорости коленчатого вала.

С выхода блока напряжение и4 прямо пропорциональное мощности двигателя в текущий момент

и4 = и2из = к (ио - и) из = к (Дрко -Д)к) (5)

где юе — угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя.

Напряжение и4 поступает на вход преобразователя напряжения в частоту, на входе которого частота следования импульсов прямо пропорционально мгновенной мощности двигателя.

3 = I

к (650 - Арк)(пе - 600)-

( 650 пе Л

+ е

+ к2

сИ, (6)

ЛРк 600у

где к1, к2— постоянные коэффициенты, учитывающие геометрические параметры и насосные потери двигателя;

650, 600 — постоянные коэффициенты, учитывающие соответственно максимальное давление во всасывающем коллекторе и минимальные частоты вращения вала двигателя.

Испытания опытного образца прибора в дорожных условиях показали, что при движении с минимальной скоростью величина расхода энергии возрастает за счет временного фактора. Для повышения точности измерения динамического давления разработан датчик, состоящий из двух чувствительных элементов, двух усилителей, инвертора, двух интеграторов, формирователя импульсов, аналогового вычитающего устройства.

В качестве чувствительных элементов использованы микрофоны МКЭ-30, обеспечивающие максимальный динамический диапазон и чувствительность при малых изменениях давления.

При включении двигателя пульсирующее давление во впускном трубопроводе вызывает изменение емкости чувствительного элемента, одновременно второй чувствительный элемент будет воспринимать все механические колебания и изменения атмосферного давления, выходные сигналы от чувствительных элементов поступают в усилители, чувствительность которых составляет 0,з мВ, входное сопротивление 47 кОм, нелинейные искажения 0,05 %.

Выходное напряжение усилителя подключено к входу интегратора с непрерывной выборкой и автоматическим сбросом результата интегрирования. Устройство выборки-хранения поочередно осуществляет выборку и хранение предыдущего значения проинтегрированного входного сигнала. Аналогичные операции выполняет второй интегратор, но сигналы поступают от инвертирующего усилителя. Использование инвертирующего усилителя необходимо для того, чтобы обеспечить идентичность характеристик по обоим каналам обработки сигнала, то есть усилители выполнены по одной и той же схеме. Выходные сигналы от интеграторов поступают в блок вычитания (рис. 2) и производится вычитание и1 - и2 = Ди » Дрк.

Датчики, работающие в режиме «ход-стоп», обеспечили корректировку величины затраченной энергии в режиме «ход». Такой принцип работы устройства очень удобно использовать при дорожном испытании автомобиля. Алгоритм работы (рис. 3) счетного блока действует следующим образом:

Шаг 1. После начальной установки при включении питания производится ввод информации с датчиков частоты вращения вала двигателя, колеса и впускного коллектора через буферные регистры и ввод команды с регистра при ручном управлении;

Шаг 2. По количеству импульсов с датчика колеса фиксируется состояние автомобиля «ход-стоп» и определяется величина затраченной энергии, при значении «стоп» расчет производится в масштабе реального времени, при значении «ход» — в масштабе приведенного времени ;

Шаг 3. Значения юе, ДРк, 32 выводятся на индикатор по команде «счет»;

Шаг 4. Определяется выведенная команда. При вводе «старт» фиксируется текущее значение Зх, и алгоритм переходит в режим списания команды «стоп», фиксируется значения 32 и вычисляется

3 2 - = Д7. 142

t

Рис. 2. Схема блока вычитания

Рис. 5. Блок-схема алгоритма энергомера

Как показали результаты опытной проверки, при использовании данного устройства можно обеспечить достижение следующих показателей:

— относительные значения энергетических потерь в трансмиссии после сборки автомобиля на конвейере;

— определение степени износа двигателя в процессе эксплуатации автомобиля;

— уточнение периодичности технического обслуживания и показателей надежности;

— корректировку передаточных чисел трансмиссии.

Кроме того, с помощью разработанного устройства можно учитывать количество затраченной энергии и устанавливать оптимальные режимы движения.

Результаты стендовых испытаний показали, что погрешность измерения на нагрузочном и скоростном режимах не более 10 %. В табл. 1 приведены результаты дорожных испытаний автомобилей УАЗ-3303 при различной скорости движения без груза по асфальтированной дороге.

Таблица 1

Результаты измерения показателей при различной скорости движения

Наименование показателей Скорость движения, км/ч

30 40 60 80

Расход топлива, дм3 136,0 131 156,0 194,0

Время движения, с 118,7 87,7 58,9 43,9

Расход энергии, кВтч 0,327 0,298 0,343 0, 468

В табл. 2 приведены стендовые испытания при постоянных частотах вращения коленчатого вала двигателя и различных передачах. Применение бортовых микропроцессорных систем и семейства датчиков на автомобилях дает возможность использования оптимального управления режимами движения в различных условиях, снижения интенсивности износа и отказов деталей.

Таблица 2

Результаты измерений на стенде при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя

Наименование показателей Номер передачи при п=2000 мин-1

I II III IV

Расход топлива, дм3 346,0 244,3 179,0 158,0

Время измерения, с 275,4 177,3 111,7 71,5

Расход энергии, кВтч 0,498 0,34 0,292 0,369

Известно, что за счет полученной энергии двигателя происходит преодоление сопротивлений движению и деформации деталей трансмиссии и несущих элементов конструкции автомобиля. Здесь будут участвовать кинетическая энергия поступательно движущихся и вращающихся масс. Учитывая их совместно при расчете, приведенные энергозатраты могут быть положительными и отрицательными. Величина энергии, затраченной на деформацию детали, имеет вид

Jдет = 2,723 -10-6 Л^о, еКм818пЛг /2л, (7)

где Аг - площадь петли гистерезиса; тО е - масштабные коэффициенты по напряжениям О и относительным деформациям е; Ум - объем испытываемого материала (образца); Аг - модуль скорости изменения площади петли гистерезиса по 7-му режиму нагружения.

Зная энергозатраты Jдетна усталостное разрушение детали [3-5] или агрегата (коробки передач, карданного вала, главной передачи), можно выразить ресурс изделия от количества энергозатрат двигателя J , предварительно определив остаточный энергетический коэффициент

к = Л^ег . (8)

] т

и е

Тогда ресурс рассматриваемого изделия составит = к]-Ле.

Причиной значительного снижения ресурса изделия от усталостной прочности могут служить задиры на поверхности детали, возникающие при грубой обработке поверхности резанием, являющиеся концентраторами напряжений. В табл. 3 приведены результаты испытаний первичного вала коробки передач автомобиля УАЗ-3303 при различных напряжениях на кручение [х] и циклах нагруже-

ния N. Периодичность снятия петли гистерезиса детали на стенде производилась через 1000 циклов. Нагружение - разгружение коробки передач осуществлялось первичным валом при заторможенном вторичном вале.

Таблица 3

Результаты испытаний первичного вала при различных режимах нагружения

Характеристика образца Изменения площади петли гистерезиса относительно начала появления микротрещин

0.2DM 0.4DM 0.6[т] 0.8DM

Затрачено энергии на деформацию, кВтч/цикл 0.0810-9 0.11-10"9 0.1410-9 0.1910-9

Коэффициент рассеяния энергии, % 0.27 0.32 0.64 0.78

Угол наклона кривой изменения площади петли гистерезиса, рад/цикл 0.0012 0.0027 0.0032 0.0051

Скорость роста микротрещин, мм/цикл 0.081 • 10-8 0.11-10"8 0.1410-8 0.19310-8

Ресурс кВтч <10 7 Ыц 0.622-10® 0.41 • 106 0.52105

Прогнозируемое значение ресурса кВтч <10 7 Ыц 229.6-10® 128106 101.9105

Таким образом, детали транспортных средств подвергаются циклическому нагружению - разгру-жению, тем самым образуют петли гистерезиса, на основе которой находят энергозатраты, характеризующие рост микротрещин, а по скорости роста микротрещин можно прогнозировать ресурс детали.

В рамках описанной модели определяют исправность транспортного средства и прогнозируют остаточный ресурс, что позволит выявить ненадежные элементы и более точно оценить его техническое состояние.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дьяков И.Ф. Основы оптимизации в автомобилестроении / И.Ф. Дьяков. М.: Машиностроение, 2012. 385 с.

2. А.с. № 1453394 Российская Федерация МПК G 07 C 5/10 Устройство для учета ресурса транспортных машин / И.Ф. Дьяков, А.М. Казаков; заявитель: Ульяновский политехнический институт, заявл. 26.01.87, опубл. 23.01. 89. Бюл. № 3.

3. Капуста П.П. Экспериментальные исследования сопротивления усталости и разработка новой сборной конструкции рамы двухосного магистрального тягача с повышенным ресурсом / П.П. Капуста, А.И. Верес, И. А. Слабко // Грузовик. 2011. № 5. С. 34-39.

4. А.с. № 2087895 Российская Федерация. МПК G 01 N 3/32 Устройство для определения накопления энергии в материале при циклическом нагружении / И.Ф. Дьяков, А.М. Казаков, заявитель Ульяновский политехнический институт, заявл. 04.08. 94, опубл. 20.08. 97. Бюл. № 23.

5. Дьяков И.Ф. Прогнозирование ресурса деталей транспортных средств при циклическом нагружении / И.Ф. Дьяков // Грузовик. 2013. № 1. С. 40-43.

Дьяков Иван Федорович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы проектирования машин» Ульяновского государственного технического университета

Ivan F. Dyakov -

Dr. Sc., Professor,

Head: Department of Machine Design Fundamentals, Ulyanovsk State Technical University

Статья поступила в редакцию 11.07.14, принята к опубликованию 25.09.14