CC BY
2
Key words: traffic accident, the mechanism of an accident, special transport, automotive technical expertise.
Zhulai Vladimir Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Tarasov Evgeny Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Tarasova Elena Vladimirovna, teacher, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University,
Osipov Alexander Anatolyevich, senior lecturer, [email protected], Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 629-35
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-633-634
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАДИЦИОННОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ МОДУЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ ГРУЗОВОГО МОТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
П.С. Подколзин
В статье проведены исследования по определению характеристик различных типов силовых установок для модульной платформы грузового мототранспортного средства. Рассмотрены два типа силовой установки: бензиновый двигатель внутреннего сгорания и тяговый электродвигатель. Определены основные параметры силовых установок и трансмиссии, которые обеспечат заданные тягово-скоростные свойства проектируемой платформы. Произведен сравнительный анализ характеристик, полученных в ходе расчета для двух типов силовых установок. Сформулированы рекомендации по выбору типа силовой установки для модульной платформы грузового мототранспортного средства.
Ключевые слова: мототранспортное средство, модульная платформа, тяговый расчет, силовая установка.
Актуальность исследования, приведенного в данной статье, связана с дефицитом отечественных разработок и производителей компактных и недорогих мототранспортных средств. В современных условиях в Российской Федерации имеется существенная потребность в недорогих мототранспортных средствах, выпускаемых в рамках проекта «импортозамещения товаров и услуг». Для решения различных задач в сфере грузоперевозок целесообразно использовать модульную конструкцию рассматриваемых транспортных средств с различным типом силовых установок. Производство и выпуск транспортных средств данного класса сможет удовлетворить появившейся спрос на рынке [1].
На этапе проектирования нового транспортного средства (ТС) необходимо провести тяговый расчет, для определения основных параметров двигателя и трансмиссии, которые обеспечат заданные тягово-скоростные качества [2-4]. Таким образом, целью работы является определение характеристик традиционной и электрической силовых установок для проектируемой модульной платформы грузового мототранспортного средства. В ходе исследования рассмотрены два типа силовых установок: бензиновый двигатель внутреннего сгорания и тяговый электродвигатель.
Рассматриваемые транспортные средства относится к категории L7, согласно техническому регламенту таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011). Перед проведением тягового расчета необходимо с учетом типа ТС определить основные исходные данные: массу ТС, геометрические размеры, максимальную конструктивную скорость, параметры окружающей среды [2-8]. На основе анализа рынка рассматриваемых ТС [1] были приняты следующие основные исходные данные проектируемой модульной платформы грузового мототранспортного средства:
полная масса - 1650 кг;
максимальная скорость - 50 км/ч;
габаритная высота - 1,7 м;
габаритная ширина - 2,0 м;
длина колесной базы - 2,0 м.
В соответствии с методикой [3-4] требуемая мощность двигателя при максимальной скорости ТС определялась по формуле:
К = (С*^ Р ^ 7т°"3+М„- д- ртах)- ± (Вт) (1)
где Сх - коэффициент лобового сопротивления; р - плотность воздуха, (кг/м3); F - площадь проекции ТС, (м2); \>тах - максимальная конструктивная скорость, (м/с); Мп - полная масса автомобиля, (кг); д - ускорение свободного падения, (м/с2); - коэффициент сопротивления качению; - КПД трансмиссии.
Мощность двигателя при максимальной скорости мототранспортного средства равна Л^=8,3кВт. У малогабаритных двигателей при мощности Л^=9 кВт среднее значение максимального числа оборотов п, равно 2500 (об/мин) [9-11].
Угловая скорость коленчатого вала при максимальной скорости определяется выражением:
=Х - шп, (с-1) (2)
где Л=1,075 - среднее значение отношения угловой скорости вращения коленчатого вала при максимальной скорости к угловой скорости при максимальной мощности, для ТС с бензиновым двигателем без ограничителя угловой скорости коленчатого вала.
Максимальная мощность двигателя Итах определяется по формуле:
Итах =-, ч3, (Вт) (3)
где а = 1, Ь = 1, с = 1- поправочные коэффициенты, учитывающие тип двигателя.
При известных значениях и теоретическая скоростная характеристика двигателя при полной подаче топлива определяется по формуле:
, (Вт) (4)
где Ые, ше - текущие значения мощности и угловой скорости вращения коленчатого вала. Текущее значение крутящего момента определяется по формуле:
(Н-м) (5)
Зависимость удельного расхода топлива двигателя с достаточной точностью определяется выражением:
9е=9т1п-Кш, (г/кВт ч) (6)
где 9тт - минимальный удельный эффективный расход топлива двигателем, у малогабаритных двигателей среднее значение дт1П=355 (г/кВтч) [9-11]; Кш - коэффициент, учитывающий влияние частоты вращения коленчатого вала двигателя на удельный расход топлива [2-4].
Полученные значения де, Ме, Ые позволяют построить скоростную характеристику ДВС (рис. 1).
9
г
7
З6
гГз
4 3 2
м - ✓ % ч
/ / / ч Г \
ч ч
\ N
N / \
42 4(1 3$
У.
3« » {
34
32
450 440 430 420 : 4Ю | 400 ¿390 380 370 360 350
1Ш 1500 20М об
1500 2000 п, об'^ош
Рис. 1. Скоростная характеристика бензинового двигателя
Дополнительно определим основные характеристики трансмиссии ТС рассматриваемого класса. Передаточное число главной передачи:
. _ Гд • М,'Я
10 - ~ . . ,30 (7)
"тах 1ктт
где гд - динамический радиус колеса (м), 1кт(п - минимальное передаточное число коробки передач (четвертой передачи).
Из условия преодоления ТС максимального дорожного сопротивления, характеризуемого коэффициентом 4>тах, находится передаточное число первой передачи:
= Гд • °2^тах (8) Мтах' 10' Лтр
где С2 - нагрузка приходящаяся на заднюю ось ТС (Н), (для проектируемой модульной платформы С2 составляет 60% от общей нагрузки на оси), Мтах - максимальный крутящий момент (Н-м).
Полученное значение ¿1 необходимо проверить по условию сцепления ведущих колес с дорогой (на отсутствие буксования). Для заднеприводных ТС данное условие имеет вид:
¡1 <
т2-С2-<р-Гд
(9)
Мтах' 10' Лтр
где т2 - коэффициент, учитывающий перераспределение масс, приходящихся на оси при трогании автомобиля; (р -коэффициент сцепления колес с дорогой.
Коэффициент т2, для заднеприводных ТС, зависит от высоты центра масс - к (м), коэффициента сцепления колес с дорогой - (р, длины колесной базы ТС - (м) и определяется выражением:
т2=-^ (10)
1б
В проектируемой модульной платформе коробка передач имеет четыре ступени. Из условия (11) определяются передаточные числа промежуточных передач:
¿к= ^¿1пп~кпн (11)
где пп - число передач (за исключением передачи заднего хода), кпн - порядковый номер, рассчитываемой передачи.
Рассмотренная методика расчета была реализована в программном комплексе Mathcad 15 [12]. Основные характеристики бензиновой силовой установки и трансмиссии, полученные в ходе расчета приведены в таблице 1.
Определение характеристик тягового электродвигателя для модульной грузовой платформы также базируется на методике, приведенной выше. Передаточные числа трансмиссии взяты из проведенного расчета для бензиновой силовой установки. Для проведения расчетов использовалась программа расчета тягово-скоростных и электроэнергетических характеристик электромобиля [13].
Таблица 1
Основные характеристики бензиновой силовой установки и трансмиссии модульной грузовой платформы
Показатель ТС
Числовое значение
1.Передаточные отношения коробки передач: первая вторая третья четвертая
5,05 2,94 1,72 1,00
2. Максимальная мощность ДВС
8,40 кВт
3. Максимальный крутящий момент Мщ
40,1 Нм
4. Передаточное отношение главной передачи
5,33
5. Удельный расход топлива д при п=2500 (об/мин)
436 г/кВтч
Полученная скоростная характеристика тягового электродвигателя представлена на рисунке 2.
зо
25 20
$
10 5 О
/1
*У
М - (
500
1000
1500 2000
П, СЮ',ЩИ
2500
3003
1500 2000 о, оо'инн
3000
Рис. 2. Скоростная характеристика тягового электродвигателя
В данном случае удельный расход энергии определен из выражения:
((Вт-ч)/км) (12)
где и - напряжение аккумуляторной батареи (V = 48 В); с - емкость акуммуляторной батареи, (Ач). Для значении с рассматривался интервал 163...315 Ач.
Основные характеристики тягового электродвигателя, полученные в ходе расчетов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные характеристики тягового электродвигателя проектируемой модульной грузовой платформы
Показатель ТС Числовое значение
1. Максимальная мощность, 7,55 кВт
2. Максимальный крутящий момент, Мтах 26,81 Нм
3. Удельный расход, Qe, при п=2500 (об/мин) 144 (Вт-ч)/км
4. Максимальная емкость АКБ, стаг 315 Ач
Пользуясь, полученными характеристиками можно рассчитать затраты (в рублях) на топливо или электроэнергию, при преодолении одного километра, с разными типами силовых установок. Расчет выполним при условии, что ТС будет двигаться с максимальной конструктивной скоростью Ртах, с полной массой Мп.
При максимальной конструктивной скорости, с бензиновым ДВС удельный расход топлива составляет д«400 г/кВт ч, в таком случае объемный расход топлива ф6=1,395 л/ч. При стоимости топлива АИ-92 С92 = 49,60 руб. за литр [18] стоимость «одного километра» составит
Скм=^р=1,38 (руб.) (13)
При максимальной конструктивной скорости, с тяговым электродвигателем удельный расход электроэнергии составляет 0„ =0,14 (кВтч)/км.
тах ' 4 '
При стоимости 1 кВт электроэнергии Се = 3,84 руб. [19] стоимость «одного километра» на электротяге определяется по формуле:
Скме = Qemax -Св =0,54 (руб.) (14)
Таким образом, при требуемых параметрах проектируемой модульной платформы грузового мототранспортного средства, определены основные характеристики трансмиссии и силовых установок двух типов: бензинового ДВС и тягового электродвигателя. При этом максимальная мощность и максимальный крутящий больше у бензинового ДВС на 10,1 % и 33,14 % соответственно. Затраты на топливо (электроэнергию) при максимальной конструктивной скорости ТС и пройденном расстоянии 1 км, больше при использовании ДВС на 85,9 %. Также преимуществом электрической силовой установки является относительная простота и компактность, по сравнению с ДВС, что позволяет сохранить полезный объем проектируемого ТС.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта ректора ТулГУ для обучающихся по образовательным программам высшего образования - программам магистратуры, №8947.
Список литературы
1. Подколзин П.С. Анализ перспектив производства отечественных грузовых мототранспортных средств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 1. С. 43-47.
2. Тяговый расчет автомобиля: метод. указания к курсовому проектированию по дисциплине «Конструкция и потребит. свойства автомобилей» / Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых ;сост. Р. В. Нуждин. - Владимир : Изд-во ВлГУ, 2018. 36 с.
3. Лукин П.П. Конструирование и расчет автомобиля. Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы». М.: Машиностроение, 1984. 376 с.
4. Краткий автомобильный справочник НИИАТ. М.: Транспорт, 1984. 224 с.
5. ГОСТ Р 52899-2007. Шины пневматические для грузовых механических транспортных средств и прицепов к ним. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2008. 26 с.
6. ГОСТ Р 52900-2007. Шины пневматические для легковых автомобилей и прицепов к ним. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2008. 20 с.
7. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры (с изменениями № 1). М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. 180 с.
8. Кузнецов Ю.В. Сцепные качества автомобильных шин и дорожных покрытий: учеб. пособие. М.: МАДИ, 2022. 158 с.
9. Двигатели «Lifan» 4-х тактные бензиновые модели LF160F, LF168F, LF168F-2, 168F-2D, 173F, 173FD, 177F, 177FD, 182F, 182FD,188F, 188FD, 190F, 190FD. Руководство по эксплуатации. 52 с.
10. Бензиновый двигатель с горизонтальным G200-1HK, G270-1HK, G390-1HK, G390-1HKE. Руководство по эксплуатации, 32 с.
11. Руководство по эксплуатации и обслуживанию двигателей бензиновых моделей BR125P20 PRO, BR165P19 PRO, BR202P19 PRO, BR202P20 PRO, BR202PE20 PRO, BR202PR20 PRO, BR202P22S PRO, BR220P20 PRO, BR220PE20 PRO и др. 24 с.
12. Инструкция по эксплуатации бензиновых 4-х тактных двигателей WEIMA WM168FB, WM170F, WM177F, WM188F, WM190F, WM192F. 11 с.
13. Двигатели бензиновые «HONDA» модели GX240 ■ GX270 ■ GX340 ■ GX390. Руководство пользователя, 21 с.
14. Бензиновый двигатель «ZONGSHEN» GB270, GB270E, GB270S, GB270SE. Руководство для оператора, 28 с.
15. «LONCIN» бензиновые двигатели 160F, 168F-1, 168F-2, 170F, 173F, 177F, 182F, 188F, 190F, G120F, G160F, G180F, G200F, G210F, G240F, G270F, G340F, G390F, G420F. Руководство по эксплуатации, 44 с.
16. Математическое программное обеспечение для инженерных расчетов: официальный сайт. [Электронный ресурс] URL: https://www.mathcad.com (дата обращения: 15.05.2023).
17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023615174 Российская Федерация. Программа расчета тягово-скоростных и электроэнергетических характеристик электромобиля: №2023612683 заявлено: 15.02.2023: опубликовано: 10.03.2023 Бюл. № 3 / Оганян Э. А., Антоненков М.А.; правообладатель ООО «Инновационные транспортные технологии». - зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ.
18. ПАО «НК «Роснефть»: официальный сайт. [Электронный ресурс] URL: https://www.rosneft-azs.ru (дата обращения: 05.11.2023).
19. «ТНС энерго Тула»: официальный сайт. [Электронный ресурс] URL: https://tula.tns-e.ru (дата обращения: 05.11.2023).
Подколзин Павел Сергеевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARISON OF THE CHARACTERISTICS OF POWER PLANTS FOR THE PROJECTED MODULAR PLATFORM OF
A CARGO MOTOR VEHICLE P.S.
P.S. Podkolzin
In the article, studies have been conducted to determine the characteristics of the power plant for the projected modular platform of a cargo motor vehicle. Two types ofpower plant are considered: a gasoline internal combustion engine and a traction electric motor. The main parameters of power plants and transmission that will provide the specified traction and speed qualities of the designed platform are determined. A comparative analysis of the characteristics obtained during the calculation for two types ofpower plants is carried out. The conclusion is made about the advantages of using a certain type ofpower plant on the projected modular platform of a cargo motor vehicle.
Key words: motor vehicle, modular platform, traction calculation, power plant.
Podkolzin Pavel Sergeevich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
