Д.т.н. Драгунов Г.Д., Юсупов А.А.

Южно-Уральский государственный университет

ОЦЕНКА ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ СВОЙСТВ АВТОМОБИЛЯ УАЗ-31512 С ПОМОЩЬЮ ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА, УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО УЧЕТОМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ И ТРАНСМИССИЕЙ

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].

Существующие методики тягово-динамического расчета рекомендуют следующую последовательность его выполнения [1]:

- 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.

Однако используемые в тягово-динамическом расчете методы определения времени разгона учитывают режимы работы двигателя и трансмиссии не соответствующие реальным условиям эксплуатации автомобиля [2, 4]. 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 некоторых случаях время переключения передач учитывается, но принимается допущение, что скорость автомобиля в процессе переключения передач изменяется незначительно. В результате тягово-динамический расчет дает завышенную оценку тягово-скоростных свойств автомобиля при заданных мощности двигателя и передаточных числах трансмиссии. 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 М_е от скорости вращения коленчатого вала ω и положения органа управления подачей топлива h [3]. Тогда при разгоне на каждой передаче зависимость скорости автомобиля v от времени t можно определить из дифференциального уравнения:

, (1)

где коэффициенты a, b, c являются функциями от h и находятся по следующим зависимостям:

,

,

.(2)

В процессе переключения передач, когда силовой поток от двигателя к ведущим колесам разорван, уравнение (1) имеет решение:

, (3)

где С₁ – определяется из начальных условий движения.

Здесь М_мах – максимальный крутящий момент двигателя; ω_М – угловая скорость коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальному крутящему моменту; M_N – крутящий момент двигателя соответствующий максимальной мощности; ω_N – угловая скорость коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности; ω_min – минимальная устойчивая скорость вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу; G_а – вес автомобиля; r_д – динамический радиус колеса; kF –фактор обтекаемости; f₀ – коэффициент сопротивления качению; i_тр – передаточное отношение трансмиссии; η_тр – коэффициент полезного действия трансмиссии; δ – 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 t₀; начальную скорость движения автомобиля v₀; конечную скорость движения на каждой передаче v_кi; продолжительность каждого переключения t_пi. 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, c 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);

- 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 оценки влияния режимов управления двигателем и трансмиссией на тягово-динамические свойства автомобиля проведено сравнение результатов расчета времени разгона для автомобиля УАЗ-31512 по классической и по усовершенствованной методикам.

Исходные данные к расчетам приведены в таблице. Начальная скорость разгона в обоих случаях соответствует движению на первой передаче при минимальной устойчивой скорости вращения коленчатого вала. Скорости начала переключения передач соответствуют скорости вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности.

Все расчеты проведены в программе Mathcad 15.

Результаты расчетов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Сравнение времени разгона автомобиля УАЗ-31512 при разных режимах управления двигателем и трансмиссией

Кривая 1 на рисунке соответствует разгону автомобиля при работе двигателя по внешней скоростной характеристике без учета времени переключения передач; кривая 2 – при работе двигателя по внешней скоростной характеристике и продолжительности каждого переключения 2 с; кривая 3 – при режиме управления двигателем, соответствующим таблице 2.1 (на первой передаче h=0,7, на второй h=0,8, на третьей h=0,9, на четвертой h=0,95) и продолжительности каждого переключения 2 с.

Время разгона до 60 км/ч составило: в первом случае (кривая 1) – 8,5 с, во втором (кривая 2) – 12,7 с, в третьем (кривая 3) – 15,5 с; до 80 км/ч: 15,3 с, 22,8с и 26,4 с соответственно. Видно, что результаты расчета по классической методике не отражают тягово-скоростные свойства автомобиля при реальных режимах управления двигателем и трансмиссией.

Сравнение кривых 1 и 2 показало, что при разгоне до 60 км/ч на трех передачах при двух переключениях продолжительностью по 2 с каждое время разгона во втором случае больше на 4,2 с, а при разгоне до 80 км/ч на четырех передачах при трех переключениях по 2 с – больше на 7,5 с. Т.е. с увеличением скорости, на которой происходит переключение передач, влияние времени переключения на время разгона автомобиля увеличивается.

Выводы:

1) Методика тягово-динамического расчета, усовершенствованная учетом управления двигателем и трансмиссией, позволяет более точно оценить тягово-скоростные свойства автомобиля в условиях ограниченной информации о нем.

2) Для расчета достаточно знать справочные технические характеристики автомобиля и задать закон управления двигателем и трансмиссией

3) Учет управления двигателем и трансмиссией, времени переключения передач уточняет расчетное время разгона автомобиля УАЗ-31512 до 80 км/ч на 49%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Галимзянов Р.К. Тяговый расчет автомобиля с механической трансмиссией : Учеб. пособие / Галимзянов Р.К. – Челябинск : Издательство ЮУрГУ , 1998.

2. Гришкевич А.И. Автомобили: Теория: Учебник для вузов / Гришкевич А.И. – Мн.: Выш. шк., 1986.– 208 с.

3. Драгунов, Г.Д. Математическое представление скоростных характеристик автомобильных двигателей / Драгунов Г.Д., Мурог И.А., Юсупов А.А. // Двигателестроение. – 2010. – № 1. – С. 23-25.

4. Чудаков Е.А. Теория автомобиля / Чудаков Е.А. – М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1950. – 350 с.