CC BY
27
УДК 629.113
И.Ф. Дьяков
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы проектирования машин», ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск
ОПТИМИЗАТОР РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Аннотация. В статье рассматривается вопрос обеспечения оптимального режима движения автотранспортного средства на основе энергетических затрат, влияющих на износ деталей. Показана зависимость скорости движения по неровностям дороги на затраты энергии, определяемые по площади петли гистерезиса. Отношение величины расхода топлива и затраты энергии двигателя характеризует оптимальность режима движения автотранспортного средства.
Ключевые слова: режимы движения, петля гистерезиса, потери энергии, дорожные сопротивления, рекуперации энергии, начало появления микротрещин.
I.F. Dyakov, Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk
TRAFFIC CONDITION OPTIMIZER OF VEHICLES
Abstrart. The article deals with questions of optimal mode of traffic conditions of vehicles based on the energy costs affecting the quality of ride and resources of parts. It is demonstrated the dependence of the velocity on a rough road to energy costs, determined by the area of the hysteresis loop. The ratio of fuel and energy costs to the engine ones characterizes an optimal mode of traffic conditions of vehicles.
Keywords: traffic conditions, hysteresis loop, energy loss, road resistance, energy regeneration, beginning of microfissures appearance.
Процесс оптимального режима движения автотранспортного средства является сложной математической задачей, включающей потери энергии двигателя на выполнение полезной работы, износ трущихся частей трансмиссии, аэродинамических сопротивлений и сопротивления качению колёс. Большая часть энергии двигателя остаётся в деталях трансмиссии, величина которой определяется по изменению площади петли гистерезиса [1]. Потери механической энергии предопределяет не только производительность, но и затраты на технические воздействия и текущий ремонт транспортного средства Кроме того, изменение энергетических потерь транспортного средства зависит от процесса управления, который заключается в правильности выбора режима движения. Для изучения потери энергии при движении транспортного средства требуется комплексное рассмотрение внешних и внутренних сопротивлений. Внутренние сопротивления зависят от совершенства конструкции, правильности использованного материала, технологии обработки деталей, внешние сопротивления характеризуют свойства деформации дорожного полотна, плавность хода, массу перевозимого груза и опытность водителя.
Величина суммарного коэффициента сопротивления дороги на режиме максимальной скорости yV выбирается из тех соображений, что максимальная скорость развивается автомобилем на горизонтальном участке дороги с усовершенствованным покрытием, находящимся в хорошем состоянии. Для этих условий значение суммарного коэффициента сопротивления дороги y может быть принято равным значению коэффициента сопротивления качению на указанной дороге fV. Согласно экспериментальным данным, для асфальтированного шоссе fV = 0,015...0,018. Если отсутствуют данные по сопротивлению качению шин, то можно приближенно считать fo =(0,010 + 5 • 10-6Vm2ax) - для легковых и fa = (0,015...0,02) + 6 • 10-eVm2ax - для грузовых автомобилей.
Известно, что автомобиль обладает как кинетической, так и потенциальной энергией. Кинетическая энергия поступательно движущихся и вращающихся масс способствует ускорению движения для преодоления внешних сопротивлений. Все внешние сопротивления движе-
нию можно выразить уравнением энергозатрат вида:
и (з ) = {^Ср [тн (кгР + Ла)¥+ 802] д + Рв} ^ 2,723 • 10-6/^Тр, (1)
где Ц.р - поступательная скорость движения; тн - номинальная грузоподъемность; ку, р- коэффициенты использования грузоподъемности и пробега соответственно; г/а - коэффициент использования собственной массы автомобиля; у = 4 + / - суммарный коэффициент дорожного сопротивления качению и подъёму; 2 - число пассажиров; д - ускорение свободного падения; Рв - аэродинамический коэффициент сопротивление движению; tдв - время движения автомобиля; Т]тр - КПД трансмиссии.
Если не погашать кинетическую энергию в тормозах колеса, то энергии для разгона автомобиля потребуется меньше в е раз, где е - коэффициент эффективности рекуперации энергии, равный
( та*2 + ¿Лр (Фтр )2 ) ПтрПнаХр
е = 1 +-р-^---^-,-П,, (2)
2х {
тн\кгв( Ф +1} ) + По | + 802
г
д^-соБа + Рв }
где та - снаряжённая масса автомобиля; х - скорость движения автомобиля; итр - момент инерции вращающихся масс; фтр - угловая скорость вращения валов трансмиссии; ц„ак - КПД накопителя (для маховика он может быть принят 0,95, для гидрогазового накопителя - 0,85); Ппр - КПД привода рекуператора; п1 - КПД использования энергии; гд,гк - радиусы динамический и качения колеса соответственно; б - коэффициент, учитывающий вращающиеся массы автомобиля; } - ускорение движения автомобиля.
Рекуперация энергии позволяет развивать ускорение при разгоне, исходя из потребной мощности или из соблюдения комфорта пассажира. Для того чтобы сравнивать показатели машин в расчёте на единицу совершаемой работы, показатели эффективности рекуперации надо
t
умножить на коэффициент использования энергии: г/и = и(Ре)/и(5), где и(Ре) = |Ре& - энер-
0
гозатраты двигателя, Ре - мощность двигателя.
Для получения реального значения эффективности рекуперации необходимо учитывать КПД привода рекуператора. При среднем КПД такого привода в режиме глубокого варьирования 0,7, при рекуперации энергии она дважды проходит через привод, и стало быть КПД приво-
2
да при рекуперации равен ^пр. Это следует учитывать при подсчете реальной экономии энергии при рекуперации. Эффективность рекуперации энергии торможения в большой степени зависит от режимов движения машины - скорости перед торможением, расстояния между остановками и сопротивления движению.
Рекуперация потенциальной энергии при торможениях или равномерном движении происходит за счёт кинетической энергии. При этом автомобиль способен преодолевать подъёмы, причём связь между скоростью автомобиля уа и высотой подъёма Л выражается формулой
уа =л\2дЛ . Тогда короткие спуски с разностью высот Л < уа/2д по выделению энергии эквивалентны торможению со скоростью у , и движение автомобиля на спусках имеет частный харак-
тер. Кинетическая энергия автомобиля перед торможением равна Кт = 0,5
та (X2) + I Лр (Ф2 )
Механическая работа, которую должен совершить автомобиль равна
Л(5) =
ти
Ф+^] I + П,
+ 80г
д-^008« + Рв !> 1г1п
(3)
где х - путь, пройденный автомобилем.
Если движение автотранспортного средства происходит по неровностям дороги, то возникают колебания подрессоренной массы (рис.1).
Рисунок 1 - Осциллограмма колебаний подрессоренной массы автомобиля с колесной формулой 4*4 при скорости движения 40 км/ч
Колебания автомобиля, создаваемые двигателем при передаче крутящего момента и движении по неровностям дороги, вызывают потери энергии на деформацию деталей. В процессе работы автомобиля эти колебания носят циклический характер и имеют место при переменном режиме движения.
При деформировании деталей на стенде показали, что происходит перераспределение напряжений от цикла к циклу, то есть одним и тем же внешним приложенным нагрузкам на деталь будут соответствовать различные напряжения и деформации. Процессы циклического на-гружения и разгружения происходят по различным кривым: первая из них идёт выше второй, то есть каждый цикл образует петлю гистерезиса. Опыты показывают, что при крутильных и изгиб-ных колебаниях линейная зависимость между деформациями и напряжениями деталей нарушается. Помимо полученных закономерностей, была выявлена динамика изменения петли гистерезиса и твёрдости материала от количества циклов и частоты нагружения.
В начальный период нагружения до заданного предела образца площадь петли гистерезиса возрастает до определенной величины. Причем величина площади в основном зависит от амплитуды нагружения: чем выше нагрузка, тем меньше требуется количества циклов для возврата петли гистерезиса в исходное положение (рис. 2). Нижняя точка возврата петли
гистерезиса характеризует начало появления микротрещин и при достижении критического уровня накопленной энергии приводит к усталостному разрушению детали. Процесс разрушения детали можно разделить на три стадии:
1. появление новых свойств материалов за счёт искажения кристаллической решетки материала;
2. повышение твёрдости материала (когда повреждение решетки связано со структурными изменениями в различных локальных объёмах металла, распределенных по всему объёму; она заканчивается возникновением трещины);
3. развитие трещины до полного разрушения детали.
х
□
30
24
18
Д2
о к X
100
60
40
20
.л
к' У ' \ \ 2' ч
а / ' \ чУ /
1 ^Ч /1 5 ~ —-- -. --- ■— ____
1 1 1 1 1
10
20
30
Ыц-103
40
50
60
70
Рисунок 2 - Изменение площади петли гистерезиса и поверхностной твёрдости в зависимости от циклов нагружения стали 45: 1, 2 - изменение площади петли гистерезиса незакалённой и закалённой стали; 1', 2' - изменение поверхностной твёрдости незакалённой и закалённой стали 45
Как правило, более длительной является последняя стадия усталостного разрушения -от 60 до 70% общей долговечности. Однако в некоторых случаях (при наличии концентрации напряжений в деталях больших размеров) весьма продолжительной бывает и вторая стадия, что следует учитывать при расчётах. То есть для уточнения долговечности детали необходимы методы, позволяющие оценивать процесс накопления в материале усталостных трещин, определять момент возникновения магистральной трещины и описывать кинетику её развития по фону внутреннего трения, выраженную через площадь петли гистерезиса = 3/ ж, где 3-логарифмический декремент колебаний образца.
Логарифмический декремент затухания колебаний находят по кривой переходного процесса:
А
3 = !п-
А
где А тахА+1тах - две амплитуды рядом расположенных экстремумов кривой переходного процесса.
Результаты исследования. Материал при циклических нагрузках необратимо поглощает часть внешней энергии, и происходит накопление её до критического уровня. Мера накопления энергии в материале выражена отношением разности площадей петли гистерезиса ДА3+1 -АА3 после многократного нагружения к общему числу циклов нагружения N в виде:
Ду = (ДА3+, - АА3)/.
Так, для стали 40Х после термической обработки с твёрдостью по Роквеллу НРО = 30 площадь петли гистерезиса после 60 103 циклов нагружения возросла в 4 раза, по сравнению с 2 103 циклов. Величина относительной деформации увеличилась в 3 раза.
Изучение кривых циклического деформирования проводилось в двух направлениях: 1) при деформациях, соответствующих напряжениям, равным при изгибе 0,6атк , при кручении - 0,8атк и растяжении - 1,0атк , где ат - предел текучести материала; к - коэффициент, учитывающий сопротивления усталости; 2) изменение формы петли гистерезиса при изменении числа циклов с интервалом (50...60) 103.
Напряжённое состояние произвольной точки при изгибно-крутильном колебании детали
геометрически может быть описано поверхностью второго порядка, так как возникают нормальные и касательные напряжения, и описывают тензорной величиной. Если напряжение в той или иной плоскости отсутствует, то в матрицу тензорной величины подставляются нули. При нагру-жении сложной детали различными силовыми факторами элементы детали работают преимущественно на какой-либо один вид деформаций, то есть аналогично элементарному образцу (одноосное напряжённое состояние).
Частота возникновения деформаций 8 детали пропорциональна петли гистерезиса и зависит от периода колебаний, а её площадь - от амплитуды напряжений. При пульсационном нагружении, например от гидравлического насоса, следует различать два основных случая:
1. напряжения возрастают равномерно от нуля до максимума;
2. деформация происходит по первоначальной ветви петли гистерезиса (тангенс угла наклона кривой возврата принят одинаковым для всех частных случаев).
Важным, с практической точки зрения, является появление бороздки в изломе единицы площади петли гистерезиса. Результаты этих исследований показали зависимость длины трещин от площади петли гистерезиса. Локальный характер поглощения энергии при циклическом нагружении связан с колебанием автомобиля и вызывает зарождение и рост усталостных трещин. Размер трещины при каждом цикле колебаний зависит от деформации, нагрузки и размера зерна. Знание этих закономерностей является важным для прогнозирования усталостного разрушения деталей.
До последнего времени кривые Вёлера оставались основными при оценке работоспособности материала. Применение же линейной механики разрушения к анализу усталостного разрушения привело к разработке кинетических диаграмм усталостного разрушения, с помощью которых определяли скорость роста трещин за цикл нагружения. Это значение несёт важную информацию о кинетике роста усталостной трещины на различных её стадиях. Усталостные трещины возникают в результате не полностью обратимой пластической деформации в поверхностных слоях. Кроме того, распространение трещин не может происходить без достаточного приложенного уровня напряжения.
Высокое сопротивление усталостному разрушению наблюдается в том случае, когда состояние материала препятствует движению дислокаций зёрен. При нагружении детали потенциальная энергия переходит в кинетическую. Величина остаточной энергии составит Д] = П - К , которая в процессе нагружения-разгружения накапливается в материале и при критическом положении возникают усталостные микротрещины [1].
Для достижения плавности хода, выполняющей реально оптимальный режим и снижение амплитуды колебаний подрессоренной массы автотранспортного средства, приемлем оптимальный режим движения, при котором обеспечивается минимальный расход топлива на единицу затраченной энергии [2, 3]:
, 0анирт1,16 • 10-3
г'= 5 и т -г- ^тт, (4)
'к¥рIф + |х | + п0 | + 80г
Гк с:
д—008« + Рв
Гд
X
тн
где О,. - путевой расход топлива;
Ни - теплотворная способность топлива; рт- плотность топлива.
Обеспечение минимума функции (4) возможно с использованием измерительного устройства [3], выходной сигнал которого поступает к шаговому двигателю, который может воздей-
ствовать на органы управления транспортным средством. Каждому значению затраченной энергии при оптимальном режиме движения соответствует определённый расход топлива, обеспечивающий оптимальный режим движения автотранспортного средства.
Список литературы:
1. А.с. N1364955 СССР МКИ, G01 N3/32. Способ определения усталостного повреждения материала / Дьяков И.Ф., Стильбанс Г.З. Опубл. 8.09.87. Бюл. № 1.
2. А.с. № 2087895 РФ, G 01 N 3/32. Устройство для определения накопления энергии в материале при циклическом нагружении / Дьяков И.Ф., Казаков А.М. Опубл. 20.08. 97. Бюл. № 23.
3. А.с. №1754506 РФ, B 60 K 41/04. Система автоматического управления режимами работы двигателя транспортного средства / Казаков А.М., Дьяков И.Ф. Опубл. 15.08. 92. Бюл. № 30.
4. Дьяков И.Ф. Основы оптимизации в автомобилестроении. М.: Машиностроение, 2012.
386 с.
