Optimization of vehicle acceleration process, taking into account the mode of operation of its engine

Full Text

Введение Многообразие существующих в настоящее время автомобилей определяется ростом требований, предъявляемых к ним со стороны потребителей. С целью эффективного использования энергетических ресурсов двигателя и реализации требуемых показателей тягово-скоростных и топливно-экономических свойств автомобиля производители стремятся придать конструкции трансмиссии определенные свойства, которые позволят обеспечить наиболее полное согласование их совместной работы [1]. Эффективность процесса согласования совместной работы двигателя и трансмиссии, определяемая соответствием проектируемого автомобиля своему функциональному предназначению, во многом зависит от применяемых методов проектирования. Для совершенствования этого процесса необходимо применение методов оптимального проектирования [2-4]. В этой связи большой интерес представляют исследования, направленные на раскрытие потенциала системы «двигатель-трансмиссия», на сегодняшний день исчерпавшие возможности технического совершенствования механических ступенчатых трансмиссий. Решение данной задачи возможно только за счет применения других типов трансмиссий и формирования оптимальных режимов управления трансмиссиями. Анализ продукции передовых фирм-производителей автомобилей показывает, что в рамках практически каждой производимой ими модели реализуются различные варианты силовых агрегатов (типы и объемы двигателей) и трансмиссий (типы трансмиссий и варианты передаточных чисел). Это позволяет в рамках одной модели обеспечить широкий диапазон эксплуатационных характеристик и существенно повысить ее покупательную способность. Появление на рынке бесступенчатых трансмиссий дает возможность для одной модификации автомобиля решить эту проблему за счет выбора оптимальных в зависимости от поставленной задачи параметров трансмиссии. Разнообразие конструкций современных вариаторов, а также средств автоматизации и управления предоставляет возможность сделать этот процесс управляемым и оптимальным с точки зрения показателей его динамичности и топливной экономичности. В настоящее время скоростной режим автомобиля определяется скоростью транспортного потока, рекомендациями дорожных знаков, сложившейся дорожной обстановкой, настроением водителя, но только не условиями оптимального режима движения в данной ситуации. Нет и инструмента, который бы позволил задать, а затем проконтролировать этот процесс. Цель исследования Целью исследования является разработка математической модели для определения текущих значений передаточного числа бесступенчатой трансмиссии автомобиля в зависимости от режима его движения. Математическая модель Максимально возможное ускорение автомобиля при работе двигателя с полной подачей топлива определяется из уравнения тягового баланса [5]: (1) где j - ускорение автомобиля; υ - скорость автомобиля; t - время разгона; D - динамический фактор; ψ - коэффициент сопротивления дороги; g - ускорение свободного падения; δ - коэффициент учета вращающихся масс. В результате исследования функции изменения ускорения автомобиля от скорости его движения (1) на экстремум получено выражение для определения значений передаточного числа трансмиссии в зависимости от скорости движения автомобиля: (2) где rк - радиус качения колеса; nN - частота вращения вала двигателя при максимальной мощности. В уравнении (2): где Ga - полный вес автомобиля; Nmax - максимальная мощность двигателя; ηтр - коэффициент полезного действия трансмиссии; kF - фактор обтекаемости; f0 - коэффициент сопротивления качению при малых скоростях; k1 - коэффициент, равный (4…5)10-5. На рис. 1 в качестве примера представлена предлагаемая закономерность (2) изменения передаточного числа вариатора в зависимости от скорости движения автомобиля Subaru Impreza 2.0R. Использование выражения (2) при выборе передаточного числа бесступенчатой трансмиссии в зависимости от скорости движения позволило обеспечить автомобилю максимальную динамику разгона, т.е. достичь максимальной скорости движения за кратчайшее время. В результате исследования функции изменения ускорений автомобиля от оборотов вала двигателя (1) на экстремум было получено выражение для определения значений передаточного числа трансмиссии в зависимости от оборотов двигателя: (3) где Ga - полный вес автомобиля; nmax - максимальная частота вращения вала двигателя; n - текущее значение частоты вращения вала двигателя; Nmax - максимальная мощность двигателя. Рис. 1. Закономерность изменения передаточного числа вариатора в зависимости от скорости движения автомобиля Subaru Impreza 2.0R Область существования полученной функции (3) для определения передаточного числа трансмиссии iтр ограничена значениями частоты вращения вала двигателя n < 0,5nmax. На рис. 2 в качестве примера представлена предлагаемая закономерность изменения передаточного числа вариатора в зависимости от оборотов вала двигателя автомобиля Subaru Impreza 2.0R. Использование выражения (3) при выборе передаточного числа бесступенчатой трансмиссии в зависимости от частоты вращения вала двигателя позволило автомобилю двигаться с минимальным расходом топлива. Рис. 2. Закономерность изменения передаточного числа вариатора в зависимости от частоты вращения вала двигателя автомобиля Subaru Impreza 2.0R Результаты расчетов Сравнительные расчеты подтвердили сделанные предположения. Были произведены расчеты времени разгона и расхода топлива автомобиля Subaru Impreza 2.0R с серийной механической коробкой перемены передач и с серийным вариатором, передаточные числа которого изменялись во время разгона в первом случае согласно выражению (2), а во втором - согласно выражению (3). Результаты расчетов представлены, соответственно, на рис. 3 и 4. Рис. 3. Графики времени разгона автомобиля Subaru Impreza 2.0R Рис. 4. Топливно-экономическая характеристика автомобиля Subaru Impreza 2.0R Из представленных графиков видно, что если во время разгона автомобиля с бесступенчатой трансмиссией передаточные числа ее будут изменяться согласно закономерностям (2) и (3), то в первом случае автомобиль будет разгоняться до заданной скорости за самый короткий промежуток времени, а во втором случае расход топлива будет минимальным. В том и в другом случае поставленная цель достигнута: процесс разгона удалось сделать управляемым и оптимальным. Заключение Аналитические выражения для уравнения тягового баланса (1) и соответственно математические модели разгона автомобиля в зависимости от поставленных задач могут и должны усложняться. Это бесспорно и определяется только допустимой погрешностью вычислений в каждом конкретном случае. Установлено, что закономерность изменения передаточного числа бесступенчатой трансмиссии может быть управляемой, а самое главное - оптимальной в зависимости от режима движения автомобиля. Современный уровень развития средств автоматизации и управления позволяет реализовать этот процесс на практике.

About the authors

A. G Ulanov

South Ural State University

Email: ulanovag@susu.ru
Ph.D.

References

Supplementary files