CC BY
370
УДК 62-185
Драгунов Г еннадий Дмитриевич
ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) Кафедра «Колесные, гусеничные машины и автомобили»
Россия, Челябинск Доктор технических наук, профессор E-Mail: dgd@susu.ac.ru
Юсупов Азат Ахметович
ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) Кафедра «Колесные, гусеничные машины и автомобили»
Россия, Челябинск Ассистент E-Mail: schu148@mail.ru
Оценка тягово-скоростных свойств автомобиля и результаты их экспериментального исследования
Аннотация: В статье изложена методика оценки тягово-скоростных свойств
автомобиля с помощью тягово-динамического расчета, усовершенствованного учетом управления двигателем и трансмиссией. Отмечены недостатки существующих методик тягово-динамического расчета, несоответствие используемых в них режимов работы двигателя и трансмиссии реальным условиям эксплуатации автомобиля. Дифференциальное уравнение движения автомобиля приведено к системе уравнений, учитывающей перемещение органа управления подачей топлива, скорость автомобиля при переключении передач и продолжительность процесса переключения. Предложенная система уравнений может быть решена аналитически и требует для решения минимум известных технических характеристик автомобиля. Изложен алгоритм расчета времени разгона автомобиля в заданном диапазоне скоростей при помощи предложенной системы уравнений. Для оценки адекватности усовершенствованного тягово-динамического расчета предложена методика испытаний с использованием ходовой лаборатории на базе легкового автомобиля УАЗ-31512, оснащенного бензиновым двигателем и механической ступенчатой коробкой передач. Представлены некоторые результаты испытаний. Приведен пример аппроксимации перемещения органа (педали) управления подачей топлива для расчета времени разгона автомобиля. Проведено сравнение расчетной и экспериментальной зависимостей скоростей автомобиля от времени при разгоне. На основании сравнения результатов расчета и эксперимента подтверждена адекватность усовершенствованного тягово-динамического расчета.
Ключевые слова: Автомобиль; двигатель; трансмиссия; тягово-скоростные свойства; скорость автомобиля; управление трансмиссией; управление двигателем; тяговодинамический расчет; испытания автомобиля; результаты эксперимента.
Идентификационный номер статьи в журнале 52TVN613
Gennady Dragunov
South Urals State University Russia, Chelabinsk E-Mail: dgd@susu.ac.ru
Azat Yusupov
South Urals State University Russia, Chelabinsk E-Mail: schu148@mail.ru
The evaluation of traction-speed properties automobile and them experimental results
Abstract: The technique of evaluation of traction-speed properties of the automobile via the traction-dynamic analysis, taking into account engine control and transmission control. Examined the existing methods of traction-dynamic analysis. The modes of the engine and transmission used in them do not match the actual conditions of use of the vehicle. The differential equation of motion of the vehicle is transformed into a system of equations that takes into account the movement of the pedal controlling the supply of fuel, vehicle speed during gear changes and the duration of the switching process. The proposed system of equations can be solved analytically, and requires a minimum of the known parameters of automobile. The algorithm calculating the acceleration time in a given vehicle speed range with the proposed system of equations. The proposed technique of running tests to assess the adequacy of the improved traction-dynamic analysis, with using a laboratory, based on the car UAZ-31512, equipped with a petrol engine and manual gearbox. Presents the some results of the tests. The shows example of the approximation of moving pedal fuel control for the calculation of the time acceleration the car. A comparison of the calculated and experimental curves of speeds from time during acceleration. A comparison of the calculated and experimental results confirmed the adequacy of the improved traction-dynamic analysis.
Keywords: The automobile; engine; transmission; traction and speed properties; vehicle speed; transmission control; engine control; traction-dynamic analysis; test the vehicle; the results of the experiment.
Identification number of article 52TVN613
Для наиболее полного представления о тягово-скоростных свойствах автомобиля, а также сравнения его с аналогами, необходимо анализировать изменение скорости автомобиля во времени под влиянием различных факторов, в том числе и управляющего воздействия водителя. Как правило, такие зависимости устанавливаются в ходе дорожных испытаний. Однако такой способ получения информации не всегда доступен, связан с материальными затратами, поэтому для оценки тягово-скоростных свойств автомобиля можно использовать тягово-динамический расчет. Его целью является определение характеристик двигателя и трансмиссии, обеспечивающих требуемые тягово-скоростные свойства и топливную экономичность автомобиля в заданных условиях эксплуатации [1, 2, 4, 8-10].
Существующие методики тягово-динамического расчета рекомендуют следующую последовательность его выполнения [3]:
• определение максимальной мощности и построение внешней скоростной
характеристики двигателя;
• определение передаточных чисел трансмиссии (главной передачи, коробки
передач, раздаточной коробки);
• построение тяговой и динамической характеристик, графиков ускорений и
обратных ускорений автомобиля;
• определение времени и пути разгона автомобиля до заданной скорости.
Методику определения времени разгона до заданной скорости можно использовать для нахождения зависимости скорости автомобиля от времени. Нахождение такой зависимости в аналитическом виде и построение графиков этой зависимости при заданных дорожных условиях и заданном режиме управления двигателем и трансмиссией для разных автомобилей позволит сравнить их эксплуатационные свойства. Однако используемые в тяговодинамическом расчете методы определения времени разгона учитывают режимы работы двигателя и трансмиссии не соответствующие реальным условиям эксплуатации автомобиля [1-4, 7-10]. Принимается допущение, что двигатель всегда работает при полной подаче топлива (т. е. по внешней скоростной характеристике), переключение передач происходит мгновенно при достижении максимальной скорости вращения коленчатого вала. В результате тягово-динамический расчет дает завышенную оценку тягово-скоростных свойств автомобиля при заданных мощности двигателя и передаточных числах трансмиссии. Кроме того, не учитывается влияние факторов, накладывающих ограничения на скорость движения автомобиля, например скорость транспортного потока в городских условиях.
Таким образом, в расчете необходимо учесть:
• режимы работы двигателя и трансмиссии, характерные для реальных условий эксплуатации;
• влияние управляющего воздействия на режимы работы двигателя и
трансмиссии;
• влияние внешних ограничений на режимы работы двигателя и трансмиссии;
• возможность аналитического определения зависимости скорости автомобиля от
времени.
Учтем в тягово-динамическом расчете зависимость эффективного крутящего момента двигателя Ме от скорости вращения коленчатого вала а и положения органа управления подачей топлива к [5]. Тогда при разгоне на каждой передаче зависимость скорости автомобиля V от времени I можно определить из дифференциального уравнения:
dv
dt
= av2 + bv + с, (1)
где коэффициенты а, Ь, с являются функциями от к и находятся по следующим зависимостям:
a =
Л
(<®Ы n—) h Гд
Ъ - kF - f0kiGa
g
G„ 5
Ь = 0 —max MN ((n n )h n ) 1 mP 1 mPg
Ь = -l~-------IT ' ((ПМ -nmm)h-nmm)
mm / r.
Гд Ga5
c =
Mmaxh-7---maX-Г2Г ' ((nM -nmm)2^ - 2(nM - Пшп)^Пшп +n-2)
(nN -nM) h
1 1
mp /m
-foGa
g
G„ 5
(2)
В процессе переключения передач, когда силовой поток от двигателя к ведущим колесам разорван, уравнение (1) имеет решение:
t = -
G 5
gylfokF + fo\G
fo
■ + C
kF + f0k1Ga
(3)
где Ci - определяется из начальных условий движения.
Здесь Ммах - максимальный крутящий момент двигателя; ты - угловая скорость коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальному крутящему моменту; Mn -крутящий момент двигателя соответствующий максимальной мощности; mN - угловая скорость коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности; Юшт -минимальная устойчивая скорость вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу; Ga - вес автомобиля; rg - динамический радиус колеса; kF -фактор обтекаемости; fo -коэффициент сопротивления качению; imp - передаточное отношение трансмиссии; щ,р -коэффициент полезного действия трансмиссии; ё - коэффициент учета вращающихся масс. В качестве исходных данных к расчету достаточно принять перечисленные величины, а также задать: закон изменения водителем положения органа управления подачей топлива для каждой передачи h=f(t); момент времени начала расчета to; начальную скорость движения автомобиля vo; конечную скорость движения на каждой передаче vra-; продолжительность каждого переключения tra-. Таким образом, для расчета достаточно знать справочные технические характеристики автомобиля и задать закон управления двигателем и трансмиссией.
Последовательность определения времени разгона автомобиля:
1. По зависимостям (2) определяются коэффициенты a, b, с дифференциального уравнения (1) для первой из передач, на которых осуществляется разгон.
2. Аналитически или численно решается дифференциальное уравнение (1) и строится график изменения скорости автомобиля во времени при движении на первой передаче. Конечная скорость разгона на каждой передаче определяется одним из условий:
• достижение скорости заданной режимами переключений в исходных данных
(если задан режим управления трансмиссией);
r
д
v
• достижение скорости, соответствующей максимальной частоте вращения коленчатого вала;
• достижение скорости, при которой ускорение автомобиля на следующей передаче будет больше, чем на предыдущей;
• достижение скорости, на которой ускорение автомобиля будет близко к нулю, т.е. сила тяги на ведущих колесах станет недостаточной для преодоления суммы сил сопротивления движению. Достигается максимальная скорость движения на установленной передаче для установленного положения органа управления подачей топлива при установленных условиях движения.
3. Из полученного решения дифференциального уравнения определяются начальные условия для расчета скорости автомобиля в процессе переключения передачи.
4. По уравнению (3) строится график изменения скорости автомобиля во времени в процессе переключения передачи и определяются начальные условия для расчета скорости движения на следующей передаче.
5. Повторяется последовательность действий, изложенных в пп. 1 -4 в соответствии с числом передач, на которых осуществляется разгон.
6. Заканчивается расчет при достижении скорости, заявленной в исходных данных, либо при достижении максимальной скорости на высшей передаче при установленном положении органа управления подачей топлива.
Для проверки адекватности усовершенствованной методики тягово-динамического расчета были проведены лабораторно-дорожные испытания с использованием ходовой лаборатории на базе легкового автомобиля УАЗ-31512, оснащенного бензиновым двигателем и механической ступенчатой коробкой передач. Разработана методика экспериментального исследования [6], позволяющая определить изменение скорости движения автомобиля во времени при изменении передаточного отношения трансмиссии при переключении передач и положения органа управления (педали) подачей топлива. Установлен на автомобиль измерительный комплекс регистрирующий изменение во времени следующих параметров: скорость движения автомобиля, положение педали подачи топлива, передаточное отношение трансмиссии.
Некоторые результаты испытаний представлены на рис. 1 и 2. Также для эффективной и быстрой обработки результатов испытаний была произведена их запись в качестве таблицы в формате текстового файла.
Испытания велись на горизонтальном участке дороги общего пользования с асфальтовым покрытием при движении в транспортном потоке по прямолинейной траектории. Режимы управления двигателем и трансмиссией выбирались водителем таким образом, чтобы скорость автомобиля соответствовала скорости транспортного потока. В ходе заезда автомобиль разгонялся на трех передачах в одном направлении, затем останавливался (на перекрестке по сигналу светофора), разворачивался и разгонялся также на трех передачах в противоположном направлении. Контроль измеряемых параметров (запись) начинался непосредственно перед троганьем автомобиля.
В случае, изображенном на рис. 1, на начальный момент времени автомобиль двигался на первой передаче со скоростью 12,4 км/ч при открытой на 60% дроссельной заслонке ^=0,6). Затем в течение 1,3 с разгонялся до 16 км/ч без изменения положения педали подачи топлива. Необходимо отметить, что особенности рычажного привода дроссельной заслонки автомобиля УАЗ-31512 обеспечивают линейную зависимость между положением педали
подачи топлива и углом открытия дроссельной заслонки. Затем открытие дроссельной заслонки увеличивалось до максимального (И=1,0) за 0,2 с и автомобиль разгонялся ещё 1,5 с. Далее производилось переключение на вторую передачу в течение 1,3 с. В процессе переключения педаль подачи топлива отпускалась полностью.
Движение на второй передаче сначала осуществлялось при плавном изменении положения педали подачи топлива от 52% ^=0,52) до 67% ^=0,67) в течение 0,3 с и в течение
0,5 с автомобиль двигался при неизменном положении педали. Затем положение педали подачи топлива доводилось до максимального (Ь=1,0) в течение 0,6 с. В таком режиме автомобиль двигался 2,4 с до переключения на третью передачу.
Продолжительность переключения со второй на третью передачу составила 2,1 с. На третьей передаче автомобиль разгонялся при изменении положения педали подачи топлива от 52 % до 66% за 0,7 с, и до 86% еще за 5 с. Далее автомобиль двигался 4,1 с без изменения положения педали подачи топлива вплоть до начала торможения перед остановкой.
График изменения положения педали подачи топлива (рис.1) представлен в виде отрезков прямых линий и записан в виде функции от времени:
к(1) =
0,6
0.6 + 2(г -1,3)
1
0
0,52 + 0,5(г - 4,3) 0,67
0,67 + 0,55(/ - 5,1)
1
0
0,52 + 0,2(г -10,2) 0,66 + 0,04(г -10,9) 0,86
= [0;1,3]
= (1,3;1,5]
= (1,5;3,0]
= (3,0;4,3]
= (4,3;4,6]
= (4,6;5,1]
= (5,1;5,7]
= (5,7;8,1]
= (8,1;10,2]
= (10,2;10,9] = (10,9;15,9] = (15,9;20]
По уравнениям (1) и (3) произведен расчет скорости автомобиля для этой функции. Результаты расчета совмещены с результатами измерения скорости автомобиля на рис. 2.
А -
- - ■ АиИ* 1 1 Р 1
V
0.6
О.З
2 6 Ю и
Рис. 1. Изменение положения педали подачи топлива
V, км/ч
60
40
20
Ю
%
18
22
и
* - расчетные значения
_________ - экспериментальные значения
Рис. 2. Изменение скорости автомобиля
Максимальная разность расчетной и экспериментальной скоростей составила 1,8 км/ч или 6,5%, что свидетельствует о достаточной адекватности усовершенствованной методики.
Выводы:
1. Уравнения (1), (2) и (3) позволяют аналитически определить зависимость скорости движения автомобиля от времени и от управляющего воздействия на двигатель и трансмиссию. Задавая закон изменения положения органа управления подачей топлива и режимы переключения передач можно смоделировать стиль управления автомобилем, характерный для конкретных режимов движения.
2. Полученные зависимости могут быть использованы в тягово-динамическом расчете и позволяют получить представление о тягово-скоростных свойствах автомобиля в условиях эксплуатации характерных для конкретной машины.
3. Возможность задавать при расчете режимы управления, соответствующие условиям эксплуатации, позволяет в условиях ограниченной информации об автомобиле правильно оценить его тягово-скоростные свойства.
4. Подтверждена адекватность методики определения времени разгона сравнением расчетных и экспериментальных значений скорости автомобиля при разгоне, расхождение которых не превысило 6,5%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вахламов, В.К. Автомобили: Эксплуатационные свойства: учебник/ В.К. Вахламов. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 240 с.
2. Галимзянов, Р.К. Теория автомобиля: учебное пособие/ Р.К. Галимзянов. -
Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 220 с.
3. Галимзянов Р.К. Тяговый расчет автомобиля с механической трансмиссией :
учебное пособие/ Галимзянов Р.К. - Челябинск : Издательство ЮУрГУ , 1998.
4. Гришкевич А.И. Автомобили: Теория: Учебник для вузов / Гришкевич А.И. -
Мн.: Выш. шк., 1986.- 208 с.
5. Драгунов, Г.Д. Математическое представление скоростных характеристик автомобильных двигателей / Драгунов Г.Д., Мурог И.А., Юсупов А.А. // Двигателестроение. - 2010. - № 1. - С. 23-25.
6. Драгунов, Г.Д. Методика расчетно-экспериментального исследования трансмиссии автомобиля / Драгунов Г.Д., Власов Д.С., Юсупов А.А. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2010. - С. 84-88.
7. Забавников Н.А. Аналитическое определение времени и пути разгона / Забавников Н.А. // Автомобильная промышленность. 1961. - № 6. - С. 11-14.
8. Литвинов А.С. Автомобиль: Теория Эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.
9. Умняшкин В.А. Основы теории эксплуатационных свойств автомобиля / Умняшкин В.А., Филькин Н.М., Музафаров Р.С. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», - 2006. - 240 с.
10. Чудаков Е.А. Теория автомобиля / Чудаков Е.А. - М.: Государственное научнотехническое издательство машиностроительной литературы, 1950. - 350 с.
Рецензент: Позин Борис Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Колесные, гусеничные машины и автомобили» Южно-Уральского государственного
университета.
REFERENCES
1. Vahlamov, V.K. Avtomobili: Jekspluatacionnye svojstva: uchebnik/ V.K. Vahlamov. - M.: Izdatel'skij centr «Akademija», 2005. - 240 s.
2. Galimzjanov, R.K. Teorija avtomobilja: uchebnoe posobie/ R.K. Galimzjanov. -Cheljabinsk: Izd-vo JuUrGU, 2007. - 220 s.
3. Galimzjanov R.K. Tjagovyj raschet avtomobilja s mehanicheskoj transmissiej : uchebnoe posobie/ Galimzjanov R.K. - Cheljabinsk : Izdatel'stvo JuUrGU , 1998.
4. Grishkevich A.I. Avtomobili: Teorija: Uchebnik dlja vuzov / Grishkevich A.I. - Mn.: Vysh. shk., 1986.- 208 s.
5. Dragunov, G.D. Matematicheskoe predstavlenie skorostnyh harakteristik avtomobil'nyh dvigatelej / Dragunov G.D., Murog I.A., Jusupov A.A. // Dvigatelestroenie. - 2010. - № 1. - S. 23-25.
6. Dragunov, G.D. Metodika raschetno-jeksperimental'nogo issledovanija transmissii avtomobilja / Dragunov G.D., Vlasov D.S., Jusupov A.A. // Vestnik Juzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. - Cheljabinsk: Izd. JuUrGU, 2010. - S. 8488.
7. Zabavnikov N.A. Analiticheskoe opredelenie vremeni i puti razgona / Zabavnikov N.A. // Avtomobil'naja promyshlennost'. 1961. - № 6. - S. 11-14.
8. Litvinov A.S. Avtomobil': Teorija Jekspluatacionnyh svojstv: Uchebnik dlja vuzov po special'nosti «Avtomobili i avtomobil'noe hozjajstvo» / Litvinov A.S., Farobin Ja.E. -M.: Mashinostroenie, 1989. - 240 s.
9. Umnjashkin V.A. Osnovy teorii jekspluatacionnyh svojstv avtomobilja / Umnjashkin V.A., Fil'kin N.M., Muzafarov R.S. - Izhevsk: NIC «Reguljarnaja i haotichnaja dinamika», - 2006. - 240 s.
10. Chudakov E.A. Teorija avtomobilja / Chudakov E.A. - M.: Gosudarstvennoe nauchno-tehnicheskoe izdatel'stvo mashinostroitel'noj literatury, 1950. - 350 s.
