CC BY
34Влияние особенностей выбора параметров трансмиссии на динамику разгона автомобиля
Ган Р.С. [email protected] ), Проскуряков В.Б.
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Передаточные числа трансмиссии являются её важнейшими кинематическими параметрами, от которых напрямую зависят динамические качества и топливная экономичность автомобиля.
Существующие методы выбора передаточных чисел трансмиссии в основном сводятся к следующему. Передаточное отношение главной передачи определяется из условия достижения vmax при движении в хороших дорожных условиях на прямой передаче: /гп = 0,105 • гк • nN/vmax [2]. Из условия отсутствия буксования при трогании с места Ркmax < Осцр [2], где Рк max - максимальная тяговая сила на колёсах, Осц - нормальная реакция со стороны дороги на активный движитель, р - максимальный коэффициент сцепления движителя с дорогой, или условия преодоления необходимого подъёма
4л I = mgra (sin «max + f )/Me maxз ^ Tp/m [3L Ще Гд - динамический радиус к0леса, «max -
максимальный угол подъёма, преодолеваемого автомобилем, M e max -максимальный крутящий момент двигателя, определяется передаточное отношение коробки передач на первой передаче. Передаточное число коробки передач на высшей передаче /кп в принимается равным единице. Ряд передаточных чисел чаще всего выполняется по геометрической прогрессии, множитель которой вычисляется по формуле q = , где n - число передач,
которое выбирается, исходя из типа трансмиссии и с учётом сложившейся практики конструирования автомобилей.
Рассмотрим влияние особенностей выбора параметров трансмиссии на динамику разгона автомобиля. В качестве расчётного режима выбирается разгон до максимальной скорости с использованием всех передач, кроме
повышающей, поскольку необходимо обеспечить высокие динамические качества на всём скоростном диапазоне автомобиля.
Запишем условие неразрывности мощности ушзх (/ > 1, где утзх (/_1) -
максимальная скорость движения на (/-1)-ой передаче, соответствующая максимальным оборотам коленчатого вала птж, утп/ - минимальная скорость
движения на /-ой передаче, соответствующая минимальным оборотам коленчатого вала пт^, при которых двигатель работает устойчиво. Если это условие не выполняется, при переходе с (/-1)-ой передачи на /-ю двигатель прекратит работу.
Условие неразрывности мощности может быть представлено в виде Ч = 4п (/-1)/4п/ > к, или "ф^ > к, где к = пт„/п^ - скоростной диапазон двигателя. Решая это показательное уравнение, получим выражение п > 1п/кп1У/1п к +1, которое задаёт минимальное число ступеней трансмиссии. Очевидно, что это число должно быть целым, поэтому в случае дробного результата оно округляется в большую сторону. Для автомобиля ВАЗ-21083 при значениях птцх = 6000 об/мин, птП = 800 об/мин, /кп 1= 3,23 минимальное число ступеней
трансмиссии будет равно двум. Однако такое число передач не обеспечит высокие динамические качества автомобиля. Необходимо определить число передач, при котором время разгона автомобиля до максимальной скорости будет наименьшим.
После нахождения диапазона передаточных чисел в соответствии с методикой, описанной выше, вычисляется множитель ч для разных значений п. Разбивая диапазон передаточных чисел по геометрической прогрессии на разное число ступеней, каждый раз будем вычислять время разгона автомобиля до максимальной скорости, используя методику тягово-динамического расчёта с учётом активной управляющей роли водителя [1]. Результаты расчёта для автомобиля ВАЗ-21083 представлены на рис.1 а. При увеличении числа ступеней в коробке передач до определённого значения время разгона до
Т, с
I
¥
......
0 . о-о
1
У
у
■л
.о
\\
..о"
Ж
.-О-
10
п
Т, с
106 104 102 100 98 96
V \\
Ь"
Ь\ ' ' Г)* ;
оХ^-ю'"^ г"
■ц ^ I ■ I
ж
V 1 1 1 /V
--У
2 3
ю
п
а)
1
Рис.1 Зависимость времени разгона автомобиля ВАЗ-21083 до утж от числа ступеней трансмиссии (время переключения передач: 1 - 1,5 с; 2 - 1 с; 3 -0,67 с); разбиение диапазона передаточных чисел: а - по геометрической прогрессии; б - по арифметической прогрессии.
максимальной скорости сокращается. При дальнейшем увеличении числа ступеней время, затрачиваемое на переключение передач, начинает превалировать над выигрышем во времени разгона за счёт введения дополнительных ступеней.
Чтобы проанализировать степень влияния характера разбиения диапазона передаточных чисел на динамические качества автомобиля, рассматривается расчёт с разбиением диапазона передаточных чисел по арифметической прогрессии, результаты которого представлены на рис.1 б. В этом случае диапазон передаточных чисел определяется как разность передаточных чисел на низшей и на высшей передаче (/кп ,-1), слагаемое арифметической прогрессии находится по формуле р = (/кп , - 1)/(п -1), а передаточное отношение на у-ой передаче - по формуле 4,J = ^ - (у -1) р.
Сравнивая результаты на рис.1 а и б, отметим, что оба варианта позволяют получить близкие значения времени разгона до максимальной скорости
(лучшие результаты в том и в другом случае отличаются друг от друга лишь на 1,6 %). Из этого можно сделать важный вывод о том, что характер разбиения диапазона передаточных чисел, т.е. ряд, в соответствии с которым выбираются значения предаточных чисел, не оказывает заметного влияния на динамику разгона автомобиля, и при проектировании коробки передач вполне допустимы отступления от геометрической прогрессии. В то же время расчёты, приведённые в данной главе, показывают, что выбор передаточных чисел главной передачи, а также первой и высшей ступеней коробки передач, является важным моментом и может сильно повлиять на динамические качества автомобиля.
Таким образом, принципиально важным является выбор границ диапазона передаточных отношений трансмиссии, а характер разбиения внутри этого диапазона может варьироваться, исходя из конструктивных соображений.
Анализ результатов на рис.1 а и б показывает, что оптимизация числа ступеней трансмиссии по критерию минимума времени разгона даёт весьма незначительное улучшение динамических показателей автомобиля. Так, в случае с геометрической прогрессией время разгона до vmax при разбиении диапазона передаточных чисел на шесть ступеней (лучший результат) отличается от времени разгона при разбиении на три ступени лишь на 4 %. Из этого можно сделать вывод о том, что для большинства легковых автомобилей малого и среднего класса введение дополнительных ступеней трансмиссии практически не имеет смысла.
В практике автомобилестроения, тем не менее, иногда встречаются конструкции трансмиссии с шестиступенчатой коробкой передач, где диапазон передаточных чисел от низшей передачи до прямой разбит на пять ступеней, а шестая передача - повышающая. Такие коробки передач устанавливаются на автомобили с очень высокой удельной мощностью двигателя и максимальной скоростью, например, Ferrari 360 Modena (удельная мощность двигателя 173 Вт/кг, vmax = 295 км/ч). В связи с этим для автомобилей данного класса нами предлагается вариант конструктивного исполнения коробки передач с
двумя «регистрами». Диапазон передаточных отношений разбивается на пять ступеней. В «верхнем регистре» используются все ступени, что позволяет в наибольшей степени реализовать динамические качества автомобиля. В «нижнем регистре» используются только нечётные ступени, т.е. первая, третья и пятая. Динамика разгона в этом случае будет ниже, однако водитель будет избавлен от необходимости частого переключения передач, скажем при движении в городском цикле. При этом важно, чтобы в обоих «регистрах» последовательное переключение передач происходило по одной и той же схеме, а переключение «регистров» осуществлялось независимо от переключения передач, скажем, смещением рычага коробки в вертикальном направлении. Это позволит сделать алгоритм переключения скоростей при разгоне простым и удобным для водителя.
Выводы.
1. В результате анализа установлено, что число ступеней трансмиссии, а также характер разбиения диапазона передаточных чисел не оказывают заметного влияния на динамику разгона автомобиля. Первое обстоятельство указывает на то, что для большинства легковых автомобилей малого и среднего класса введение дополнительных ступеней трансмиссии практически не имеет смысла. Второе говорит о допустимости отступлений от геометрической прогрессии при проектировании коробки передач.
В то же время выбор передаточных чисел главной передачи, первой и высшей ступеней коробки передач может сильно повлиять на динамические качества автомобиля. Это означает, что важным моментом является выбор границ диапазона передаточных отношений трансмиссии, а характер разбиения внутри этого диапазона может варьироваться, исходя из конструктивных соображений.
2. Предлагается оригинальное техническое решение для коробки передач с большим числом ступеней. Коробка передач может эксплуатироваться в двух режимах - в первом используются все ступени и наиболее полно реализуются динамические качества автомобиля. Во втором передачи включаются через
одну, что позволяет избежать частого переключения передач при движении в городском цикле.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Ган Р.С., Проскуряков В.Б. Динамические качества автомобиля и мощность двигателя// Автомобильная промышленность. - 2002. - № 8. - С.14-15
2. Машиностроение. Энциклопедия. Ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. Т. IV-15 - М.: Машиностроение, 1997. - 688 с.
3. Wong J.Y. Theory of ground vehicles.-2nd ed., NY, 1993 - 435 p.
