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

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

Supplementary files