Establishing relationships between fuel economy and gear ratios of bus transmission units

Abstract


The engineers of the GAZ Group developed the GAZ Vector Next 10 family of buses on the basis of the GAZon Next 10 truck. The parameters of the engine, transmission units and wheels of the new family of buses undergone significant changes, which inevitably affected their fuel economy. In this regard, the objectives of this work were formulated as the development of a methodology for determining the fuel economy of a bus and establishing relationships between these indicators and the gear ratios of transmission units. The base model of a family of buses designed for intercity passenger transportation was selected as the object of study. To assess the fuel economy of the bus, single indicators were selected: fuel consumption at given speeds and operating fuel consumption at operating speed. These indicators are determined by the graphs of the fuel and economic characteristics of the bus. The article sets out the methods for constructing the named graphs and determining the indicators of the fuel economy of the bus. The effect on the fuel consumption at given speeds of 60 and 80 km / h of gear ratios of the highest stage of five - and six-speed gearboxes and final drive with gear ratios of 3.9 and 4.55 is established. The gear ratios of the gearbox and final drive at which the bus consumes the largest and least amount of fuel per 100 km of track are determined. It is shown that a change in the gear ratios of the transmission units does not significantly affect the operational fuel consumption of the bus. The results of studies performed by the authors of the article can be used by the developer to optimize the gear ratios of the modernized GAZ family of buses Vector Next 10.

Full Text

Актуальность и цели исследования В 2018 г. конструкторы Группы ГАЗ разработали на базе модернизированного грузового автомобиля ГАЗон Next 10 [1] семейство автобусов ГАЗ Вектор Next 10, предназначенных для выпуска на Павловском автобусном заводе (ООО «Павловский автобус»). На автобусах семейства ГАЗ Вектор Next 10 установлен более мощный, чем у предшествующей модели, дизельный двигатель с турбонаддувом Ярославского моторного завода, шины меньшей размерности, чем у грузового автомобиля. Разработаны варианты автобусов с пяти- и шестиступенчатой коробками передач и главными передачами, имеющими передаточные числа 3,9 и 4,55. Изменение параметров двигателя, колёс и агрегатов трансмиссии повлияло на показатели топливной экономичнсти модернизированного семейства автобусов, в связи с чем были сформулированы цели настоящей работы: 1) разработка методики определения показателей топливной экономичности автобуса; 2) установление зависимостей между показателями топливной экономичности и передаточными числам агрегатов трансмиссии автобуса. Выполненное авторами исследование актуально и своевременно, так как его результаты позволят разработчику более обоснованно решить проблему оптимизации параметров трансмиссии модернизируемого семейства автобусов. Описание объекта исследования В качестве объекта исследования выбрана базовая модель семейства автобусов ГАЗ Вектор Next 10, предназначенная для внутригородских перевозок пассажиров. Данное транспортное средство относится к категории М2 по международной и современной отечественной классификации автотранспортных средств. Исследование выполнено с использованием следующих исходных данных: · полная масса = 10 000 кг; · двигатель дизельный с турбонаддувом ЯМЗ-53445-20, максимальная стендовая мощность = 125 кВт (170 л.с.) при частоте вращения = 2300 об/мин, максимальный стендовый крутящий момент двигателя = 650 Н м при частоте = 1200…1600 об/мин, минимальный удельный эффективный расход топлива двигателя = 194 г/(кВт·ч) при частоте =1200 об/мин, удельный эффективный расход топлива двигателя при максимальной мощности = 218 г/(кВт·ч) при частоте = 2300 об/мин; · коэффициент коррекции стендовой характеристики двигателя = 0,95; · коробка передач механическая ступенчатая с двумя вариантами передаточных чисел: вариант 1 - пятиступенчатая с передаточными числами = 6,555; = 3,933; = 2,376; = 1,422; = 1,000; · вариант 2 - шестиступенчатая с передаточными числами = 6,555; = 3,933; = 2,376; = 1,422; = 1,000; = 0,782; · главная передача с двумя вариантами передаточных чисел: вариант 1 - = 3,9; вариант 2 - = 4,55; · коэффициент полезного действия трансмиссии = 0,87; · шины бескамерные низкопрофильные 245/70R19,5, статический радиус колёс = 0,409 м, динамический радиус колёс = 0,409 м, радиус качения колёс = 0,425 м; · коэффициент сопротивления качению = 0,01; · параметры обтекаемости: коэффициент обтекаемости = 0,46; плотность воздуха = 1,225 кг/м3; площадь миделя = 3,8 м2; фактор обтекаемости = 1,07 (Н·с2)/м2; · плотность дизельного топлива = 860 кг/м3. Методика выполнения исследований Для оценки топливной экономичности исследуемого автобуса были приняты единичные показатели названного эксплуатационного свойства, содержащиеся в нормативных документах [2, 3]: 1) расходы топлива при заданных скоростях и ; 2) эксплуатационный расход топлива . Для определения перечисленных показателей и для общей оценки топливной экономичности автобуса рассчитаны и построены графики топливно-экономических характеристик его установившегося движения при различных величинах передаточных чисел коробки передач и главной передачи. Как известно, топливно-экономическая характеристика установившегося движения транспортного средства - это зависимость путевого расхода топлива от скорости при установившемся движении ( ) на дорогах с различными коэффициентами сопротивления . Топливно-экономические характеристики исследуемого автобуса рассчитаны и построены по методике, изложенной в литературе по теории автомобиля [4 - 9]. С целью повышения точности расчётов в известную методику авторы внесли некоторые коррективы. Из теории автомобиля [6] известно, что путевой расход топлива транспортного средства прямо пропорционален удельному расходу топлива двигателя , который зависит от частоты вращения вала и нагрузки двигателя. При выполнении данной работы удельный расход двигателя [г/(кВт·ч)] определяли с использованием приближённой аналитической методики по выражению: , где - удельный эффективный расход топлива двигателя при максимальной мощности, [г/(кВт·ч)]; - коэффициент, учитывающий степень использования частоты вращения вала двигателя ; - коэффициент, учитывающий степень использования мощности двигателя . Аналитические зависимости и , полученные Гришкевичем А.И. [8] в 1980-х гг., на основании исследований, выполненных учёными кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, которые показали неудовлетворительные результаты для современных автомобильных двигателей при расчёте зависимости . С учётом этого обстоятельства авторы выполнили расчёт зависимости по полиному третьего порядка, предложенному Гришкевичем А.И.: , а при расчёте зависимости использовали полином пятого порядка, введённый в теорию автомобиля Песковым В.И. [9] для дизельных двигателей: . Топливно-экономические характеристики автобуса ГАЗ Вектор Next 10 построены при нескольких значениях коэффициента сопротивления дороги . Начальное значение этого коэффициента соответствует движению автобуса по горизонтальной ровной дороге с твёрдым асфальтобетонным или цементобетонным покрытием. При этом коэффициент сопротивления дороги равен коэффициенту сопротивления качению, то есть . Конечное значение коэффициента сопротивления дороги , где - максимальный динамический фактор автобуса на расчётной ступени коробки передач. В диапазоне между начальным и конечным значениями выбрано несколько промежуточных величин c интервалом не более 0,01. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 54810-2011 [2] для транспортных средств категории М2 заданные скорости составляют = 60 км/ч и = 80 км/ч. Путевые расходы топлива и при этих скоростях определены по зависимости путевого расхода топлива от скорости установившегося движения при коэффициенте сопротивления дороги (рис. 1). Рис. 1. Методика определения путевого расхода топлива при заданных скоростях движения и эксплуатационного расхода топлива автобуса Эксплуатационный расход топлива (рис.1) примерно на 10% больше расхода топлива по топливно-экономической характеристике установившегося движения по горизонтальной ровной дороге с твёрдым покрытием ( ) при эксплуатационной скорости , которая для транспортного средства с дизельным двигателем составляет три четверти максимальной скорости [8]. Результаты исследования На рис. 2 и 3 показаны топливно-экономические характеристики автобуса ГАЗ Вектор Next 10 при различных значениях передаточных чисел коробки передач и главной передачи. а б Рис. 2. Топливно-экономическая характеристика автобуса на пятой ступени пятиступенчатой коробки и при главной передаче: а - с передаточным числом 3,9; б - с передаточным числом 4,55 а б Рис. 3. Топливно-экономическая характеристика автобуса на шестой ступени шестиступенчатой коробки и при главной передаче: а - с передаточным числом 3,9; б - с передаточным числом 4,55 В табл. 1 приведены величины путевого расхода топлива автобуса при заданных скоростях движения и различных передаточных числах агрегатов трансмиссии. В табл. 2 содержатся данные об эксплуатационном расходе топлива и эксплуатационной скорости автобуса при различных значениях передаточных чисел агрегатов трансмиссии. Таблица 1 Путевой расход топлива при заданных скоростях движения и различных передаточных числах трансмиссии Заданные скорости, км/ч Путевой расход топлива, л/100 км, при передаточных числах трансмиссии =1,000 =3,9 =1,000 =4,55 = 0,782 =3,9 = 0,782 =4,55 60 13,5 14,4 12,2 12,6 80 13,7 14,7 12,9 13,4 Таблица 2 Эксплуатационный расход топлива топлива и эксплуатационная скорость автобуса при различных значениях передаточных чисел агрегатов трансмиссии Передаточные числа трансмиссии =1,000 =3,9 =1,000 =4,55 = 0,782 =3,9 = 0,782 =4,55 Эксплуатационные расход топлива и скорость , л/100 км , км/ч , л/100 км , км/ч , л/100 км , км/ч , л/100 км , км/ч 15,0 74,0 16,0 64,2 13,4 93,3 14,0 80,6 Выводы 1. Уменьшение передаточного числа главной передачи с 4,55 до 3,9 (на 14,3%) снизило путевой расход топлива на пятой ступени пятиступенчатой коробки передач при скорости 60 км/ч с 14,4 до 13,5 л/100 км (на 6,3%) и при скорости 80 км/ч с 14,7 до 13,3 л/100 км (на 6,8%), а у автобуса с шестиступенчатой коробкой передач на шестой ступени при скорости 60 км/ч с 12,6 до 12,2 л/100 км (на 3,2%) и при скорости 80 км/ч с 13,4 до 12,9 л/100 км (на 3,7%). 2. У автобуса с шестиступенчатой коробкой передач по сравнению с автобусом с пятиступенчатой коробкой передач путевой расход топлива на высшей ступени коробки передач ниже при передаточном числе главной передачи 3,9 и скорости 60 км/ч на 9,6%, а при скорости 80 км/ч - на 5,8%; при передаточном числе главной передачи 4,55 и скорости 60 км/ч на 12,6%, а при скорости 80 км/ч - на 8,8%. 3. Наименьший путевой расход топлива у автобуса на шестой ступени шестиступенчатой коробки передач и передаточном числе главной передачи 3,9: 12,2 л/100 км при скорости 60 км/ч и 12,9 л/100 км при скорости 80 км/ч. Наибольший путевой расход топлива на пятой ступени пятиступенчатой коробки передач и передаточном числе главной передачи 4,55: 14,4 л/100 км при скорости 60 км/ч и 14,7 л/ 100 км при скорости 80 км/ч. 4. Изменение передаточных чисел агрегатов трансмиссии не оказывает существенного влияния на эксплуатационный расход топлива автобуса. При изменении передаточного числа главной передачи с 4,55 до 3,9 на пятой ступени пятиступенчатой коробки передач он уменьшается с 16 до 15 л/100 км (на 6,3%), а на шестой ступени шестиступенчатой коробки передач - с 14 до 13,4 л/100 км (на 4,3%). 5. Результаты и выводы данной работы могут быть использованы разработчиком для оптимизации передаточных чисел агрегатов трансмиссии модернизируемого семейства автобусов ГАЗ Вектор Next 10.

About the authors

V. N Kravets

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: vnkravets@yandex.ru

DSc in Engineering

R. A Musarskiy

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: musarsky@list.ru

DSc in Engineering

A. V Tumasov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: anton.tumasov@nntu.ru

PhD in Engineering

References

  1. Кравец В.Н., Мусарский Р.А. Зависимость показателей топливной экономичности грузового автомобиля от параметров его трансмиссии // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 4(127). С. 158-166.
  2. ГОСТ Р 54810 - 2011. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Методы испытаний. М.: Стандартинформ. 2012. 22 с.
  3. Кравец В.Н. Измерители эксплуатационных свойств автотранспортных средств. Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2014. 157 с.
  4. Тарасик В.П. Теория движения автомобиля. СПб.: БХВ - Петербург. 2006. 487 с.
  5. Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2010. 391 с.
  6. Кравец В.Н., Селифонов В.В. Теория автомобиля. М.: ООО «Гринлайт+». 2011. 884 с.
  7. Кравец В.Н., Мусарский Р.А., Песков В.И., Тумасов А.В. Курсовые работы по теории автомобиля. В 2 ч. Ч. 1. Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. 294 с.
  8. Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. Минск: Вышэйшая школа. 1986. 208 с.
  9. Песков В.И., Кузьмин Н.А. Расчётные исследования эксплуатационных характеристик автомобиля. Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2018. 212 с.

Statistics

Views

Abstract - 22

PDF (Russian) - 6

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Kravets V.N., Musarskiy R.A., Tumasov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies