reforef.ru 1 2 3




На правах рукописи

Иванов Максим Юрьевич
УЛУЧШЕНИЕ РАЗГОННЫХ СВОЙСТВ И ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ГОРОДСКИХ АВТОБУСОВ

С ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
(05.05.03 – Колесные и гусеничные машины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2009

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) на кафедре «Автомобили».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Нарбут Андрей Николаевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гладов Геннадий Иванович
кандидат технических наук

Лысенко Леонид Петрович

Ведущая организация: ГНЦ РФ ФГУП НАМИ

(научно-исследовательский

автомобильный и автомоторный

институт)

Защита состоится «15» декабря 2009 г. в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 ВАК РФ при МАДИ (ГТУ) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «___» ноября 2009 г.
Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок 8-499-155-93-24.
Ученый секретарь совета

доктор технических наук, профессор




В. А. Максимов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Гидромеханические передачи (ГМП) являются в настоящее время наиболее распространенным типом трансмиссии городских автобусов. Почти все городские автобусы в США и значительная их часть в Европе оборудуются ГМП. В России ГМП устанавливают в основном на большие городские автобусы. В последнее время в России широкое распространение получили большие городские автобусы с ГМП фирмы Voith, производство которых организовано в г. Казань. ГМП Voith имеют внешнее разветвление силового потока и гидротрансформатор (ГДТ) обратного хода. При этом, в отличие от ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ прямого хода, данный тип ГМП изучен недостаточно. Мало работ посвящено расчету и исследованиям особенностей выходных характеристик таких ГМП. Отсутствие аналитических зависимостей для расчета выходных характеристик создает сложности при выборе параметров ГМП для конкретной модели автобуса и отрицательно сказывается на разгонных свойствах и топливной экономичности автобуса.


Разработка метода расчета ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода поможет обеспечить оптимальный выбор параметров ГМП, для наилучших разгонных свойств и топливной экономичности автобуса.

Цель исследования

Целью данной работы является улучшение разгонных свойств и топливной экономичности больших городских автобусов с ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода.

Объект исследования

Объектом исследования является большой городской автобус, например, аналогичный ЛиАЗ – 5256, с ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода.

Предмет исследования

Предметом исследования являются разгонные свойства и топливная экономичность больших городских автобусов с ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода.

Методы исследования

В работе использованы методы теоретической механики, теории автомобиля, математического моделирования, программирования, численные методы математического анализа, расчетно-экспериментальные методы.

Научная новизна результатов проведенного исследования

Научная новизна диссертационной работы заключается:

– в разработке метода расчета ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода;

– в разработке научно-обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных параметров ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода;

– в разработке научно-обоснованных рекомендаций по выбору оптимальных параметров ГДТ обратного хода;

– в предложении новых зависимостей для определения коэффициента изменения удельного расхода топлива от нагрузки для дизельных двигателей.

Практическая значимость результатов диссертации

Предложены рекомендации для оптимального выбора параметров конструкции ГМП и характеристик ГДТ, направленных на улучшение разгонных свойств и топливной экономичности городских автобусов.


Реализация результатов работы

Разработанный метод расчета ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода внедрен в учебный процесс и позволяет облегчить понимание рабочих процессов ГМП.

Разработанные рекомендации и другие результаты диссертационной работы могут быть использованы при выборе или при проектировании ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода для больших городских автобусов. Они получили применение в ГНЦ РФ НАМИ.

На защиту выносятся

1. Разработанный метод расчета ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода.

2. Результаты исследования возможности улучшения разгонных свойств городских автобусов с ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода.

3. Результаты исследования возможности улучшения топливной экономичности городских автобусов с ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода

Апробация работы

Основные результаты исследований были доложены на 65, 66, 67 научно-методических и научно исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института (ГТУ).

Публикации

По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы (135 наименований) и приложения.

Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 34 таблицы и 96 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность проблемы, обозначаются пути ее решения, формулируется цель исследования.

В первой главе приводится обзор конструкций ГМП городских автобусов, а также работ, посвященных исследованию тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей с ГМП.

Исследованиям тягово-скоростных свойств и топливной экономичности посвятили свои работы: И. Г. Альперович, А. И. Ахмедов, Ю. П. Волков, П. Я. Волчок, Б. Б. Генбом, О. И. Гируцкий, А. Б. Гредескул, Б. Л. Давыдов, М. Ю. Есеновский-Лашков, Н. А. Забавников, Г. В. Зимелев, Н. К. Куликов, И. А. Курзель, А. Н. Нарбут, Г. Э. Пин, Ю. В. Прокофьев, В. А. Петров, Б. Н. Попов, А. Л. Сергеев, Б. А. Скородумов, В. И. Сороко-Новицкий, К. Ю. Сытин, А. А. Токарев, Ю. И. Чередниченко, Е. А. Чудаков, И. С. Шлиппе, H. J. Förster, R. A. Pershing, A. Seifried и др.


В последнее время конструкции ГМП городских автобусов значительно изменились. На сегодняшний день скоростные свойства и топливная экономичность городских автобусов, имеющих ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода, исследованы недостаточно.

В связи с этим поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать метод расчета ГМП с внешним разветвлением силового потока и ГДТ обратного хода;

2. Исследовать возможности улучшения разгонных свойств и топливной экономичности автобуса с двухпоточной (ДП) ГМП;

3. Произвести экспериментальные исследования разгонных свойств и топливной экономичности автобуса с ДП ГМП;

4. Разработать рекомендации для улучшения скоростных свойств и топливной экономичности городских автобусов, имеющих ДП ГМП.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям разгонных свойств и топливной экономичности городских автобусов с ДП ГМП.

Во всех расчетах рассмотрен большой городской автобус, аналогичный ЛиАЗ – 5256, с дизельным двигателем и удельными мощностями 10, 15, 20 кВт/т. Крутящий момент двигателей был описан в виде полинома второй степени. Масса автобуса ma = 17600 кг. В качестве аналога была взята трехступенчатая ГМП Voith D851, у которой первая передача двухпоточная, а вторая и третья – механические. Также приняты следующие значения параметров: с-1, ; ; (без ГМП).

Исследовано влияние характеристик ДП ГМП на разгон автобуса на первой передаче.

При расчетах рассмотрены следующие параметры ДП ГМП при . Коэффициент трансформации:


1. ; 2. ;

3. ; 4. .

Коэффициент момента ведущего вала:



Выявлено, что для автобуса с ДП ГМП с увеличением значения коэффициента трансформации на стоповом режиме КДПо время разгона, главным образом до 40 км/ч (11,11 м/с), и расход топлива при разгоне, хотя и в меньшей степени, уменьшаются. Но при КДПо более 5,5 выигрыш становится минимальным, особенно с увеличением Nуд. При прохождении городского цикла увеличение КДПо, в основном, влияет на снижение расхода топлива в городском цикле Qср.ц, и практически не влияет на скорость прохождения цикла Vср.ц.

Рассмотрено влияние количества передач на разгон автобуса.

Параметры коробок передач приведены в таблице 1, схема ГМП–рис.1.

Таблица 1

Параметры коробок передач

ГМП

Значения передаточных чисел коробки передач

I

II

III

IV

V

№1

ДП

1,43

1,00



№2

ДП с uдоп = 1,43

2,05

1,43

1,00



№3

ДП с uдоп = 2,05

2,93

2,05

1,43

1,00



uдоп


Рис. 1. Вариант схемы 4-ступенчатой ДП ГМП с u кп 4 = 1
На рис.2 представлены результаты расчетов для Nуд =10 кВт/т.

Расчеты показывают, что при разгоне автобуса с ДП ГМП при увеличении числа передач время разгона сокращается, особенно tp40 при разгоне до 40 км/ч, с увеличением Nуд разница во времени разгона увеличивается и может составлять около 19%. Но, если принять расходы топлива за основные параметры, то улучшения в характеристиках автобуса при увеличении числа передач не такие значительные. Так, например, улучшение расхода топлива Qр40 при разгоне до 40 км/ч практически незаметно, особенно при Nуд =10 кВт/т, а при Nуд = 15 и 20 кВт/т разница менее 7%. При разгоне до 60 км/ч (16,67) увеличение числа передач так же не дает существенной экономии топлива.



Рис. 2. Зависимость ускорения от скорости автобуса при Nуд=10 кВт/т

Однако, увеличение числа передач позволяет получить меньшие значения Qср.ц при практически тех же Vср.ц. По этому параметру у автобуса с ГМП №3 экономия топлива может составлять около 10%, по сравнению с автобусом с ГМП №1, но при этом необходимо значительно усложнить конструкцию ГМП. Таким образом, для автобуса с ДП ГМП для наиболее оптимального разгона, кроме двухпоточной первой передачи, достаточно две дополнительные механические передачи.


Изучено влияние момента переключения передач на разгон автобуса.

При расчетах была рассмотрена трехступенчатая ГМП, аналогичная Voith D851. Приняты следующие параметры ДП ГМП при : ;

. Значения передаточных чисел коробки передач uкп 2 = 1,43; uкп 3 = 1.

Расчеты показывают, что применение более ранних переключений передач при разгоне позволяет снизить расходы топлива. Разумеется, при этом ухудшается интенсивность разгона. За счет более ранних переключений при разгоне до 40 км/ч при Nуд = 10 кВт/т можно добиться незначительного снижения расхода топлива Qр40, примерно на 1,5%. Время разгона в этом случае так же незначительно увеличится. С увеличением Nуд разгон до 40 км/ч происходит только на первой передаче и поэтому переключение передач не оказывает какого – либо влияния на параметры разгона. По этой же причине при Nуд > 10 кВт/т переключения передач не влияют на параметры прохождения городского цикла. Большее влияние переключение передач оказывает на разгон до 60 км/ч. Причем с увеличением Nуд экономия топлива Qр60 увеличивается, и, например, для Nуд = 20 кВт/т может составлять более 25%. Вместе с тем, при увеличении Nуд разгон до 60 км/ч проходит только на двух первых передачах и момент переключения со второй на третью передачи не играет никакой роли. Таким образом, при разгоне автобуса с ДП ГМП предпочтительны наиболее ранние переключения передач.

Проведены исследования по выбору удельной мощности городского автобуса.

При расчетах рассмотрен большой городской автобус, аналогичный ЛиАЗ – 5256, с дизельным двигателем и удельными мощностями 5, 10, 15, 20 кВт/т. Результаты расчетов представлены на рис 3.


Для автомобилей, предназначенных для эксплуатации в городе, особенно важно повысить интенсивность разгона до Vа = 60 км/ч, с целью снижения числа заторов на городских улицах. Согласно расчетам этим условиям удовлетворяет Nуд мин ≥ 8,3 кВт/т. Для дальнейших расчетов было принято Nуд мин = 10,0 кВт/т. При этом для городских автобусов наиболее важными критериями оценки являются параметры городского цикла, по ГОСТ 20306 – 90. Автобус с Nуд = 20 кВт/т имеет большую среднюю скорость прохождения цикла, но выигрыш ничтожно мал и составляет всего 1,96 %, по сравнению с Nуд = 10 кВт/т. При этом средний путевой расход топлива в городском цикле выше на 55,8%, а удельная производительность ниже на 34,6%, что указывает на нецелесообразность применения больших удельных мощностей для городских автобусов.

Таким образом, на больших городских автобусах предпочтительно применять двигатели с минимальной допустимой мощностью.



Рис. 3. Показатели скоростных свойств и топливной экономичности городских автобусов с разной удельной мощностью при разгоне


1235

1235

1235

1235

1235

Исследован расход топлива на установившихся режимах движения

Расход топлива при равномерном движении определялся по зависимости:

, (1)

где – удельный расход топлива двигателя; – сумма сил сопротивления движению; – сила сопротивления качению,; – сила сопротивления воздуха; кг/л – плотность дизельного топлива; – КПД трансмиссии.


Удельный расход топлива определялся по выражению:

(2)

где г/кВт*ч – удельный расход топлива при максимальной мощности двигателя; и – коэффициенты, учитывающие изменение соответственно от нагрузки И и угловой скорости . – коэффициент использования мощности, где индекс ΄ соответствует значению параметра при заданной угловой скорости ωе (Va) и полной подаче топлива. Обычно принимают:

(3)

где аи, bи, cи – для дизельных двигателей 1,7; -2,63; 1,93;

(4)

где аω, bω, cω – соответственно 1,23; -0,79; 0,56.
Расчеты показывают, что при небольшом уменьшении (до 0,9) передаточного числа повышающей передачи несколько уменьшается путевой расход топлива, но значительно уменьшается и диапазон скоростей, обеспечивающих наилучшую топливную экономичность.

Так, например, при движении со скоростью 60 км/ч при Nуд = 10 – 20 кВт/т повышающие передачи не дают экономии топлива. Но если принять, что городской автобус может двигаться со скоростью до 80 км/ч (22,22 м/с), то нецелесообразно применение повышающих передач с uкп ≤ 0,7 для Nуд = 15 кВт/т и uкп ≤ 0,8 для Nуд = 20 кВт/т. Корме того, для Nуд = 10 кВт/т на передачах с uкп ≤ 0,8 расход топлива становится больше чем при uкп = 1.


При движении со скоростью 80 км/ч расход топлива может составлять:

Nуд = 10 кВт/т – 23,6 л/100 км с уменьшением до 23,3 л/100км при uкп=0,9;

Nуд = 15 кВт/т – 25,4 л/100 км с уменьшением до 24,0 при uкп=0,8;

Nуд = 20 кВт/т – 27,5 л/100 км с уменьшением до 26,1 л/100км при uкп=0,9.

Таким образом, хотя с увеличением Nуд разница в расходах топлива на прямой и на повышающих передачах увеличивается, но применение повышающих передач на городских автобусах не дает значительной экономии топлива и от них можно отказаться.



следующая страница >>