Выбор конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса по критерию комфортности воздушной среды в салоне

Актуальность проблемы. Развитие автомобильной промышленности связано с созданием новых моделей автомобилей, удовлетворяющих современным требованиям безопасности. В автомобилестроении большое внимание уделяется модернизации легковых автомобилей с целью повышения их эксплуатационных характеристик путем разработки и внедрения систем' автоматического управления параметрами основных агрегатов и систем на базе современной микропроцессорной техники. Безопасность движения автомобиля в значительной степени зависит от состояния микроклимата в салоне автомобиля, который обеспечивается эффективностью и уровнем автоматизации систем.

Анализ современных систем отопления и вентиляции (СОВ) показывает высокую степень зависимости многопараметрической функции безопасности движения от характеристик систем обеспечения комфортных условий в легковом автомобиле. Дальнейшее повышение показателей качества подобных систем, без решения оптимизационных задач, приводит к неоправданным затратам, что снижает экономическую эффективность производства новых моделей автомобилей и модернизацию существующих. Учет внешних факторов, влияющих на показатели качества систем обеспечения комфортных условий, важен при проектировании СОВ, поскольку автомобиль эксплуатируется в различных климатических зонах.

Повышение эффективности систем обеспечения комфортных условий в период эксплуатации автомобиля — сложная задача, поэтому велика значимость заложенного технического решения системы на этапе разработки. Несовершенство конструктивных элементов систем обеспечения комфортных условий в салоне и отсутствие систем автоматического управления объясняется недостаточной проработкой вопросов, связанных с влиянием аэродинамических, теплои звукоизоляционных характеристик применяемых материалов. Это объясняется отсутствием необходимых методик по расчёту и рекомендаций по расположению в салоне элементов, обеспечивающих необходимое распределение движения воздушных потоков.

Задача выбора конструктивных элементов салона легкового автомобиля особо малого класса, влияющих на комфортность воздушной среды и безопасность движения не полностью решена, поэтому тема диссертации является актуальной.

Целью работы является научное обоснование метода выбора конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса по критерию комфортности воздушной среды в салоне, обеспечивающее эффективную работу и управление системой вентиляции и отопления.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные задачи:

— выявление основных факторов, влияющих на показатели качества систем обеспечения комфортных условий и безопасности движения автомобиля;

— исследование влияния аэродинамических параметров конструкции автомобиля ВАЗ-11 113 «ОКА» на распределение внешнего давления воздуха по кузову при движении;

— разработка математической модели взаимосвязи параметров воздушной среды в салоне автомобиля;

— обоснование выбора конструктивных элементов системы обеспечения комфортных условий в салоне легкового автомобиля ВАЗ-11 113 «ОКА»;

— разработка метода расчета эффективности системы отопления легкового автомобиля.

Объект исследования: легковой автомобиль особо малого класса ВАЗ-11 113 «ОКА».

Предмет исследования: методы выбора конструктивных параметров салона легкового автомобиля.

Методология и методы исследования. Методология исследований построена на принципах рационального сочетания теоретических изысканий и натурного экспериментирования. Основные теоретические положения • разрабатывались на принципах системного подхода с привлечением аппарата математической теории планирования экспериментов, математического программирования, детерминированного и статистического анализа. В работе использованы теория комплексно-системного подхода к проектированию машин, теория принятия решений, теория многопараметрической оптимизацииметоды экспериментальной доводки конструкций, экономико-математического моделирования, регрессионного анализа, оценки эффективности и качества машин.

Научной новизной работы являются:

— номенклатура показателей качества системы обеспечения комфортных условий в салоне автомобиля, их иерархическая классификация и методика оценки качества воздушной среды, основанная на интегральном критерии коэффициента качества, который определяется методом «профилей» и позволяет разноразмерные показатели качества объединить в один и сравнить его с показателями конкурентных автомобилей;

— алгоритм выбора и методика расчета конструктивных элементов систем вентиляции и отопления, заключающиеся в отборе, классификации и систематизации показателей, оценивающих безопасность движения и' комфортность воздушной среды в салоне автомобиля на основе 3-х ступенчатой выборки, в которой предварительно принятые показатели новой модели последовательно оцениваются на эффективность системы обеспечения комфортных условий коэффициентом кратности циркуляции воздуха, на соответствие нормативным требованиям и на качество воздушной среды с помощью интегрального критерия коэффициента качества;

— экспериментально полученные на натурном образце аэродинамические спектры обтекания и эпюры распределения давления по поверхности кузова автомобиля BA3−11 113 «ОКА», позволяющие выявить характер потоков' воздуха в зонах расположения элементов системы вентиляции и отопления с целью выбора рационального места расположения и формы блоков вытяжной вентиляции;

— вновь полученная регрессионная модель расчета температуры в салоне легкового автомобиля особо малого класса, учитывающая такие метеорологические факторы окружающей среды, как температура, влажность, скорость ветра и время нагрева салона после запуска двигателя;

— новый критерий оценки эффективности системы отопления салона легкового автомобиля — коэффициент кратности циркуляции воздуха, рассчитываемый с учетом таких параметров, как внутренний объем салона, количество воздуха, проходящего через систему отопления, температуру воздуха в салоне и на выходе радиатора отопителя, суммарную теплопроизводительность, отличающийся от известного тем, что температура воздуха в салоне определяется по вновь предложенной четырехфакторной регрессионной модели.

Достоверность научных положений диссертации подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа современного состояния исследований в области систем обеспечения комфортных условий в салоне автомобилей, корректностью выбора исходных допущений и ограничений при постановке научных задач, достаточной адекватностью используемых математических моделей процессам отопления и вентиляции салонов автомобилей, строгостью использования современного математического аппарата при формализации проблемы создания комфортных условий в салоне автомобиля, совпадением результатов расчета по математической модели с результатами экспериментальных исследований, публикацией и апробацией основных положений работы на международном, всероссийском и отраслевом уровнях.

Практическая ценность:

— разработанная классификация показателей качества системы обеспечения комфортных условий в салоне легкового автомобиля позволяет оценить потребительские свойства автомобиля, подобрать параметры СОВ по введенным критериям и сравнить их с аналогами ещё на стадии разработки;

— предложенный критерий оценки эффективности системы отопления способствует выбору рациональных параметров салона легкового автомобиля при разработке;

— разработанная конструкция блока вытяжной вентиляции способствует обеспечению более комфортной воздушной среды в салоне автомобиля ВАЗ-11 113 «ОКА»;

— разработанная блок-схема системы автоматизированного управления по обеспечению комфортных условий в салоне легкового автомобиля позволяет повысить эффективность ее работы для обеспечения требуемых значений параметров воздушной среды и безопасности движения.

Реализация результатов. Результаты теоретических исследований, а также разработанный метод оценки качества воздушной среды и расчет. эффективности отопления в салоне легкового автомобиля особо малого класса используются в ОАО «ЗМА» при выполнении опытно-конструкторских работ и в учебном процессе в Камском государственном политехническом институте.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICATC (Казань: КГТУ-КАИ, 2001, 2003), Международной научно-практической конференции «Наука и практика. Диалоги нового века» (Набережные Челны: КамПИ, 2003), на всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса». (Екатеринбург: УГТУ, 2004, 2005), на III Международной научно-практической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза: АДИ ПТУ АС, 2004), на Международной научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти: ТГУ, 2004), на межвузовской научно-практической конференции «Научно-исследовательская деятельность студентов — первый шаг в науку» (Набережные Челны: КамПИ, 2004), «Вузовская наука — России» (Набережные Челны: КамПИ, 2005), «Студенчество. Интеллект. Будущее» (Набережные Челны: КамПИ, 2005), на Международном научном симпозиуме в рамках научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва: МГТУ «МАМИ», 2005), в НТЦ ОАО «КАМАЗ», на ОАО «ЗМА» и на кафедре «Автомобили и автомобильные перевозки» Камского государственного политехнического института (Набережные Челны, 20 012 005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержащего 69 рисунков, 16 таблиц, список литературы включает 99 наименований, приложения приведены на 10 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ.

Проведенные, в диссертационной работе, исследования показали, что СОВ салона серийного автомобиля не соответствует современным требованиям и возникает необходимость повышения ее эффективности.

Показатели качества СОКУ, к которым относятся распределение температурного поля воздуха по объему салона, давление, влажность, скорость ' движения воздушных потоков, время достижения заданных параметров и т. п., отвечают за безопасность движения автомобиля.

В результате внедрения теоретически и экспериментально обоснованных разработанных элементов вентиляции и отопления салона автомобиля снижается разность температур в нижней и верхней частей салона на 3 — 4 °C, что влечет за собой снижения уровня запотевания боковых стекол.

Из этого следует, что поставленная цель — научное обоснование методов выбора конструктивных элементов легкового автомобиля особо малого класса по критерию комфортности воздушной среды в салоне, обеспечивающее' эффективную работу и управление системой вентиляции и отоплениядостигнута за счет конструктивных изменений элементов СОКУ и введения автоматического управления параметрами микроклимата. Полученные решения снижают риск возникновения аварийных ситуаций при движении автомобиля.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты работы:

1. По результатам анализа проблем качества обеспечения комфортных воздушных условий в салонах легковых автомобилей установлены причины неравномерного распределения воздушных потоков по салону, большие' разницы температур в зонах головы и ног передних и задних пассажиров, запотевание боковых стекол. Причинами недостатков являются изначально заложенные несовершенства конструкций, некорректно подобранные характеристики системы, некачественное изготовление. Что объясняются отсутствием объективных данных о характерных особенностях СОВ, комплексных методик расчёта и испытаний, рекомендаций по сравнительной оценке СОВ конкурентных моделей автомобилей.

2. Разработана номенклатура показателей качества системы обеспечения комфортных условий в салоне автомобиля, их иерархическая классификация и • методика оценки качества воздушной среды, основанная на интегральном критерии коэффициента качества, который определяется методом «профилей» и позволяет разноразмерные показатели качества объединить в один и сравнить его с показателями конкурентных автомобилей. Сравнение коэффициентов качества салонов опытного и серийного автомобилей «ОКА» показали повышение качества воздушной среды при применении экспериментальных блоков вытяжной вентиляции в 1,2 раза. Коэффициенты качества составили 0,637 и 0,524 соответственно.

3. Разработан алгоритм выбора и метод расчета конструктивных элементов • систем вентиляции и отопления, заключающийся в отборе, классификации и систематизации показателей, оценивающих безопасность движения и комфортность воздушной среды в салоне автомобиля на основе 3-х ступенчатой выборки, в которой предварительно принятые показатели новой модели последовательно оцениваются на эффективность системы обеспечения комфортных условий коэффициентом кратности циркуляции воздуха, на соответствие нормативнымГтрёбованиям и на качество воздушной среды с помощью интегрального критерия коэффициента качества.

4. Экспериментально получены на натурном образце аэродинамические4 спектры обтекания и цифровые значения распределения давления по поверхности кузова автомобиля ВАЗ-11 113 «ОКА», позволяющие выявить характер потоков воздуха в зонах расположения элементов системы вентиляции и отопления с целью выбора рационального места расположения и формы блоков вытяжной вентиляции. Благоприятная зона находится в области задней стойки боковины кузова, поскольку характеризуется необходимым для обеспечения вентиляции разрежением при скорости 60 км/ч, давление на поверхности кузова составляет — 36 Па, при 80 км/ч — 67 Па. Установка дополнительного блока вытяжной вентиляции позволила повысить температуру в зоне ног задних пассажиров на 3.4°С.

5. Получена регрессионная модель расчета температуры в салоне легкового автомобиля особо малого класса, учитывающая такие метеорологические факторы окружающей среды, как температура, влажность, скорость ветра и время нагрева салона после запуска двигателя. Проверка множественного коэффициента корреляции по критерию Фишера и коэффициентов регрессии — по критерию Стьюдента для уровня достоверности а=0,05 значимы. Множественный коэффициент корреляции — 0,97. Средняя ошибка. аппроксимации менее 1%.

6. Предложен новый критерий оценки эффективности системы отопления салона легкового автомобиля — коэффициент кратности циркуляции воздуха, рассчитываемый с учетом таких параметров, как внутренний объем салона, количество воздуха, проходящего через систему отопления, температуру воздуха в салоне и на выходе радиатора отопителя, суммарную теплопроизводительность, отличающийся от известного тем, что температура воздуха в салоне определяется по вновь предложенной четырехфакторной регрессионной модели. Коэффициент кратности циркуляции воздуха опытного. автомобиля ВАЗ-11 113 «ОКА» составил 0,29−0,47 м3/с при минимальных и максимальных режимах работы СОВ, а у серийного автомобиля он не превышает 0,3 м3/с.