CC BY
40
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
Кинематическая согласованность двигателя и трансмиссии автотранспортных средств
к.т.н. Трембовелъский Л.Г., к.т.н., проф. Шмидт В.О.
ЗИЛ, МГИУ
Закон РФ о высшем и послевузовском профессиональном образовании в качестве одной из задач высшей школы предусматривает использование полученных результатов научных исследований в образовательном процессе. Для МГИУ характерна интегрированная форма обучения, тесно связывающая учебный процесс с деятельностью базовых заводов. Предлагаемая статья содержит результаты теоретического анализа выявленного практикой недостатка автомобиля ЗИЛ.
В настоящее время практика автомобильных заводов показывает, что в жестких условиях развивающейся рыночной экономики выживаемость производителей зависит от быстроты освоения новых, именно в настоящее время необходимых моделей автомобилей. При этом используются готовые узлы и агрегаты ранее выпускаемых или выпускаемых сейчас моделей. В такой ситуации важно правильно подобрать характеристики используемых узлов. Критерием здесь может служить наилучшая согласованность двигателя и трансмиссии.
Рассмотрим их кинематическую согласованность. Прежде всего, сформулируем условия кинематической согласованности:
• Кинематическое обеспечение заданной максимальной скорости движения.
• Кинематическое обеспечение заданной минимальной скорости движения.
• Устойчивая работа двигателя при переключении передач при разгоне.
Первые два условия проверяются по известным формулам:
V = О.377 • nmax • Гк > V
max j т j т max3
U 0 • UKB ,
0.377 • n i • rk
V = _-mm-k_ < V.
mm j j j j — mm 3
U 0 • U K1 ,
где: Vmax и Vmm - максимальная и минимальная скорости движения автомобиля [км/ч];
n n
max и mm - максимальная и минимальная частота вращения коленчатого вала двигателя [об/мин];
V 3 Vi 3 г , п
max3 и mm3 - заданные максимальные и минимальные скорости [км/ч];
r
k - радиус качения [м];
Uo,Uki,Ukb - передаточные числа главной передачи, первой и высшей передач коробки передач.
Одним из факторов, влияющих на устойчивость работы двигателя при переключении передач, является частота вращения коленчатого вала, устанавливающаяся после переключения с низшей на высшую передачу.
Будем исходить из следующего алгоритма переключения при разгоне: переход на высшую передачу осуществляется при достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Такой алгоритм предписывается нормативными документами, определяющими методы испытаний (ГОСТ 22567), и обеспечивает максимальную эффективность разгона и 100% загрузку двигателя. На практике применяются и другие методики переключения, позволяющие, например, снизить эксплуатационный расход топлива.
На рис. 1 представлена кинематическая характеристика автомобиля. На этом рисунке в координатах Ме [Нм] - n [об/мин] построена кривая крутящего момента [А] двигателя, а в
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. координатах V [км/час] - п [об/мин] серия прямых линий, отображающих разгон автомобиля и переключение передач.
&км/ч Ме км /1\
(А)
Пи Пч ГЬ П об/мин.
Рис. 1. Кинематическая характеристика автомобилей.
При трогании на 1-ой передаче в результате разгона автомобиль достигает скорости . Будем считать в момент переключения скорость постоянной (хотя на самом деле она несколько падает).
В момент переключения с 1-ой на 2-ю передачи частота вращения коленчатого вала
двигателя падает до значения П1,2. Используя формулу зависимости скорости от частоты вращения коленчатого вала, легко получить соотношение:
п
п
Обобщая эту формулу, получим:
Пг,г+1 =
иг
■пА
(1)
п
где: 1,1+1 - частота вращения коленчатого вала двигателя, с которой начинается разгон после переключения с 1 на 1+1 передачу в коробке передач [об/мин];
пы
м - частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности (номинальная) [об/мин];
икг ,икг+1 - передаточные числа коробки передач соответственно 1-ой и 1+1 ступени.
Если же рассматривать другой алгоритм переключения, то вместо Пм в формуле (1) необходимо будет поставить частоту, определяемую этим алгоритмом. Устойчивая работа двигателя обеспечивается, если
(2) п
здесь м - частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максиму крутящего момента [об/мин]. В этом случае при полной подаче топлива двигатель автомобиля, продолжающего разгон, работает по падающей ветви крутящего момента, что. как известно из теории, обеспечи-
п1,1 +1 > пм
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. вает устойчивую работу двигателя при изменяющемся дорожном сопротивлении.
Через К обозначаем величину, обратную коэффициенту приспособляемости двигателя по оборотам:
пм
Из соотношений:
К =
пм
пм = К ■ пм
и
Кг+1
и
Кг
и условия (2) вытекает, что для согласованности г и г+1 передачи необходимо и достаточно, чтобы:
иК
Кг+1
и
> К
В качестве примера рассмотрим ситуацию с кинематической согласованностью у 4-х моделей автомобилей ЗИЛ, техническая характеристика которых приведена в таблице 1.
У рассматриваемых автомобилей зиловского производства коробки передач имеют ряды передаточных чисел, построенные по различным принципам - от почти геометрического ряда (КП ЗИЛ-4421 - колебания плотности ряда не превосходят 2,7%) до прогрессивного (ЗИЛ-433360 - максимальное колебание плотности составляет 19%) и еще более прогрессивного (ЗИЛ - 5301ВЕ - максимальное колебание - 29%). Целью статьи является анализ кинематической согласованности таких разных коробок передач с приметаемыми двигателями.
Таблица 1
Модель автомобиля ЗИЛ-433360 ЗИЛ-4331 ЗИЛ-5301ВЕ ЗИЛ-5301 КО
Двигатель ЗИЛ 508300 ЗИЛ-645 Э-245.9Е2 Са1 3054Е2
% 3200 2800 2400 2600
Пм 1800 1600 1600 1600
Коробка передач ЗИЛ-130 ЗИЛ-4421 ЗИЛ-5301 Т5ХС-207и
Количество ступеней 5 9 5 5
Передаточные числа
КП:
иы 7,440 11,400 6,450 6,550 :
ик2 4,100 8,260 3,560 3,620
икз 2,290 6,100 1,980 2,080
ик4 1,470 4,520 1,2750 1,380
ик5 1,000 3,330 1,000 1,000
Ь'кб 2,480
ик7 1,830
Цк8 1,356
ик9 1,000
Главная передача и о 6,330 5,290 3,273 3,273
На рис. 2 на кинематическую характеристику автомобилей сверху нанесена кривая крутящего момента двигателя.
У рассматриваемых автомобилей номинальная частота вращения коленчатого вала дви-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
гателя равна максимальном.
1ИЧ, Иу
V кмУч
Ж
ЗИЛ-433360
п..
ЗИЛ-3301ВЕ
Т1
М„, Мм
II
ЗШЫЗЗ!
и. гню ЗИЛ-? 301 КО
Рис. 2. Кинематическая характеристика автомобилей ЗИЛ.
Таким образом, мы видим изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя и скорости движения автомобиля при разгоне его с места до максимальной скорости.
Если путь, указанный стрелочками, выходит левее пунктирной линии, соответствую- п м
щей м, имеет место несогласованность.
Автомобиль ЗИЛ-433360 имеет несогласованность при переходе с 1-ой на 2-ю передачу. Однако, как правило, трогание с места на автомобиле ЗИЛ-433360 происходит со второй передачи, а в том случае, когда используется первая передача, эта особенность сглаживается очень пологой, плавной характеристикой крутящего момента бензинового двигателя ЗИЛ 508300 и малой скоростью движения автомобиля в момент переключения (не более 12 км/час).
Автомобиль ЗИЛ-4331 такой несогласованности не имеет, зато у ЗИЛ-5301ВЕ несогла-сованы 1, 2, 3 и 4 (на грани) передачи, что в сочетании с характеристикой двигателя Д-245.9Е2 зачастую приводит к неравномерной работе двигателя при переключении передач. Автомобиль ЗИЛ-5301К0 отличается более кинематически согласованной трансмиссией. Ранее отмечено, что соотношение
и
Кг +1
и
> К
Кг
гарантирует устойчивую работу двигателя при переключении коробки передач при разгоне.
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели.
Попытаемся формализовать это условие согласованности. Проведем количественную оценку снизу произведения плотностей ряда передаточных чисел п-ступенчатой коробки передач. Мы имеем дело с функциональным неравенством:
иК2 ■ иК3 ■ ■ иКп = иКп > К"-1 иК1 иК 2 иКп_х иК1
икп > К"-1 ■ иК1, (3)
7 ■ Х* < Р, (4)
где: z, x, у и р первоначально могут рассматриваться как переменные, связанные этим неравенством;
z - передаточное число первой передачи;
х - величина, обратная коэффициенту приспособляемости двигателя по оборотам; у - уменьшенное на единицу количество ступеней коробки передач; р - передаточное число высшей передачи.
Задаваясь различными исходными данными, с помощью функционального неравенства (4) можно проводить оценку принятого конструктивного решения на корректность кинематической согласованности или, наоборот, из условия кинематической согласованности определять некоторые параметры двигателя и коробки передач.
В качестве примера использования неравенства (4) проведем анализ конструкции автомобиля ЗиЛ-5301ВЕ. Первая передача, имеющая UK1=6,45, позволяет в сочетании с существующими параметрами автомобиля преодолевать регламентируемый нормативными государственными документами 25% подъем.
Поэтому примем 7 = 1 = 6,45 .
Кроме этого применяемый двигатель Минского моторного завода имеет коэффициент приспособляемости по оборотам 1,5, поэтому примем X = X = 0,6666.
Передаточное число высшей передачи, выбираемое из условия максимальной скорости, равно 1.
Примем Р = 1,00.
Тогда неравенство (4) будет выглядеть следующим образом:
6,45 ■ 0,6666* < 1,00 (5)
Решая это неравенство, получим: * > 4,6.
Но, так как * = п -1 то п > 5,6.
Следовательно, можно сделать вывод - для автомобиля ЗИЛ-5301ВЕ с параметрами, соответствующими ТУ, невозможно подобрать пятиступенчатую коробку, отвечающую полной кинематической согласованности с двигателем Д-245.9Е2. Кроме этого также некорректно применять пятиступенчатую коробку передач с повышающей высшей передачей (передаточное число меньше 1), что также вытекает из неравенства (5). Вопрос кинематической согласованности можно решить, применяя шестиступенчатую коробку. В этом случае, возможно, применить ускоряющую высшую передачу.
Приведенный пример показывает, что, используя неравенство (4), можно находить пути конструктивного решения задачи повышения конкурентоспособности автомобиля.
Приведенные результаты авторы излагают студентам МГИУ в своих лекциях по специальным дисциплинам.
Новый упругий элемент из композиционного материала
Чуканин Ю.П.
МГТУ «МАМИ»
Вашему вниманию предлагается работа, посвященная разработке конструкции и мето-90 Известия МГТУ «МАМИ» № 2(6), 2008
