Анализ и выбор эффективного распределителя мощности в трансмиссии легкового автомобиля и квадрицикла

Проблемы повышения эксплуатационных свойств машин относятся к одним из основных в машиностроении. Решение этих проблем ведется по различным направлениям: увеличение производительности, повышение технико-экономических и улучшения экологических показателей и надежности двигателейиспользование новых видов топлив и типов двигателейповышение надежности (долговечность, безотказность и др.) механических частей машин, соединяющих двигатель с исполнительными органамиуменьшение потерь энергии в различных агрегатах машинусовершенствование и автоматизация систем управления машинами и целый ряд других направлений как теоретических, так и экспериментальных исследований. В настоящее время мировой автопарк составляет порядка 900 млн. ед. и приблизительно на 30% состоит из грузовых автомобилей, а на 70% - из легковых и автобусов. Каждый год в мире производится 40−45 млн. автомобилей, причем порядка 25 млн. заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 млн. составляют ежегодный прирост мирового автопарка. Подсчитано, что в среднем один автомобиль потребляет 2,2 т бензина (дизтоплива) в год. Таким образом, весь мировой автопарк потребляет порядка 2-х млрд. т топлива, на изготовление которого в зависимости от глубины переработки требуется от 6 до 8 млрд. т нефти.

Снижение темпов нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности наблюдается уже сегодня. Все это является первопричиной увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие, накладывает определенные ограничения на развитие экономик отдельных стран и мировой экономики в целом. В связи с этим в ряде стран появляется спрос на малогабаритные транспортные средства для эксплуатации в городских условиях, там, где проблема экономии топлива и защиты окружающей среды носит острый характер. Данный вид транспорта известен уже давно, но в наши дни он должен удовлетворять более жестким требованиям потребителя. Необходимо уделять особое внимание таким качествам микроавтомобилей, как устойчивость и управляемость, а также обеспечению высокого уровня комфортабельности при его малых габаритных размерах, так как эти показатели являются решающими факторами для поддержки спроса. Известно, что одним из эффективных направлений повышения топливной экономичности и уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является применение электропривода. В последние годы четко обозначились два направления развития машин с электромеханическими приводами, первое, создание чистого электромобиля, второе, разработка электромеханического привода с комбинированной (гибридной) энергетической установкой. Из-за отсутствия доступных для массового производства эффективных накопителей электрической энергии чистые электромобили имеют относительно малые пробеги на одной зарядке. Это и является одной из основных причин исследований возможности и эффективности использования в конструкциях автомобилей комбинированных энергетических установок (КЭСУ).

Другим направлением улучшения эксплуатационных свойств транспортных машин является оптимальное распределение силовых потоков мощности по ведущим колесам. Реализация потенциальных свойств автомобиля на более высоком уровне также обеспечивается полноприводными трансмиссиями (TOYOTA, MITSUBISHI, AUDI, Mersedes-Benz, BMW и др.) и комбинированными энергетическими установками (TOYOTA, LEXUS, HONDA и др.).

В этих направлениях выделяется общая тенденция — автоматизация процессов управления силовым приводом и его отдельными элементами. Эффективным решением в этой области является применение многопоточных комбинированных передач, имеющих регулируемые потоки. Такие передачи легче поддаются автоматизации и имеют более высокий КПД, чем обычные регулируемые передачи.

Общие конструктивные схемы автоматических силовых передач, чаще всего реализуются с помощью механизмов с двумя и более степенями свободы — дифференциальных механизмов. Из множества механизмов, обладающих дифференциальными свойствами, наиболее распространенными и изученными являются зубчатые планетарные дифференциальные механизмы или дифференциалы. Эти механизмы рационально решают конструкторские вопросы разработки сложных трансмиссий не только автомобилей, но и гусеничных, строительных и дорожных машин. Перспективно применение дифференциалов в качестве суммирующего редуктора комбинированных энергетических установок. По оценке агенства «Change wave research» в развитии автомобилестроения на ближайшие 30−40 лет определяющими могут стать гибридные автомобили с дифференциальными передачами в трансмиссии.

Применение межколесных дифференциалов (МСД) в автомобилях вызвано необходимостью качения колес без скольжения на закруглениях дороги и неровной поверхности, при различии радиусов качения шин, предотвращением появления в трансмиссии циркулирующей мощности. Это повышает устойчивость и управляемость автомобилей и уменьшает износ шин и ходовой части транспортных средств. При этом с увеличением скоростей движения современных автомобилей, особенно легковых, большая разница между скоростями колес может привести к заносу и опрокидыванию, тем самым, уменьшая устойчивость и управляемость транспортных средств.

Движение в условиях, в которых возможно появление большой разницы между сцеплением ведущих колес с поверхностью также ограничивает применение обычного дифференциала, позволяющего использовать только часть этого сцепления для создания сил тяги, что значительно ухудшает проходимость автомобиля. Разрешить противоречия позволяет отключение дифференциала — его блокировка, способ осуществления и степень которой во многом определяют взаимосвязанное изменение эксплуатационных показателей транспортных средств, а именно проходимости, устойчивости, управляемости, износ шин и т. д.

В настоящее время в мире наблюдается устойчивая тенденция использования межколесных самоблокирующихся дифференциалов (МСД) в легковых автомобилях различных классов и назначения: Peugeot, Lancia Delta, Mazda, Nissan Sunny, Audi qattro, Cherokee Renegade, Subaru, Alfa Q2 и др. В России межколесные дифференциалы с частичной и полной блокировкой устанавливались на автомобилях: Моск-вич-21 406, семейства автомобилей УАЗ, модификации ЛуАЗ, ВАЗ-2121. При этом разрабатывались только экспериментальные легковые автомобили с МСД, и выпускались в небольшом объеме легковые автомобили с МСД типа Quiafe — это полноприводные автомобили, созданные на базе легковых автомобилей ИЖ-2126 и ИЖ-21 261 [30,31].

При этом необходимо отметить, что в Российском автомобилестроении использование МСД, как правило, рассматривается только в применении к специальному транспорту и грузовым автомобилям, в крайнем случае, в спортивных автомобилях или на период зимней эксплуатации (т.е. движение по снегу и льду). Применение таких дифференциалов дает водителю легкового транспортного средства ряд преимуществ, основанных на возможности обеспечить максимальную силу тяги (при самоблокировке дифференциала) на отстающем колесе при любом соотношении коэффициентов сцепления между дорогой и колесами автомобиля, что очень важно для легковых автомобилей, эксплуатирующихся в нашей стране, обладающей широким разнообразием дорожных и природно-климатических условий движения. Самоблокировка дифференциала не допускает буксования колес при медленном выезде с какого-либо вязкого участка дороги. Уменьшается вероятность резкой смены направления движения колес на выбитой дороге вследствие отрыва какого-либо колеса от опорной поверхности и последующего свободного вращения и резкого замедления.

1 I вращения при соприкасании с этой поверхности. Вероятна и подтверждается возможность улучшения и других эксплуатационных показателей. Благодаря этому водитель сможет действовать более решительно, и легковой автомобиль не застрянет на мягком грунте и не остановится из-за снега и льда.

Существующее большое количество конструкций двухдвигательных КЭСУ и неугасаемый интерес к разработке новых, более совершенных конструкций, говорит о неполноте научно-обоснованных рекомендаций по выбору наиболее рациональных конструктивных параметров и характеристик таких трансмиссий для заданного автомобиля и недостаточности исследований их влияния на различные эксплуатационные свойства автомобиля. Особо остро такого типа исследования стоят по отношению к легковым автомобилям, которым, в отличие от грузовых автомобилей, свойственно движение с высокими скоростями.

Основные результаты и выводы в диссертации основаны на материалах исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных авторами на протяжении длительного времени в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова» при поддержке ОАО «Ижмаш» [23, 66, 74, 98, 100 и др.].

Цель исследования. Выбор рациональных параметров эффективного распределителя мощности с учетом возможности их компоновки в малогабаритных автомобилях и квадрициклах. Решение поставленной цели требовало решения следующих задач:

— обоснование математической модели движения малогабаритного автомобиля и квадрицикла с учетом неголономных и динамических связей;

— анализ влияния самоблокирующегося дифференциала на эксплуатационные свойства автомобиля и выбор рациональной конструкции для легкового автомобиля;

— сравнение комбинированных (гибридных) схем энергетических установок и выбор наиболее рациональных для малогабаритных автомобилей и квадрициклов, с учетом возможности их компановки в малогабаритном автомобиле и квадрицикле. Научная новизна работы:

— обоснованы режимы работы автомобиля, когда необходимо учитывать в силовом приводе наличие неголономных и динамических связей;

— разработаны методика выбора и обоснования динамической модели малогабаритного автомобиля и квадрицикла;

— определены особенности работы дифференциальной передачи с односторонними динамическими связями;

— выявлено, что блокирующие свойства межколёсного самоблокирующегося дифференциала при криволинейном и прямолинейном движении в значительной мере определяются типом приводных колёс;

— предложена комбинированная характеристика межколёсного самоблокирующегося дифференциала, позволяющая более полно реализовать тяговые усилия;

— предложена рациональная конструкция комбинированного силового агрегата для легкового автомобиля (класса, А и квадрицикла Ь7).

Практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011г.г.), тема № 2.1.2/1036 «Разработка методик структурной и параметрической оптимизации комбинированных энергосиловых установок транспортных средств». Проведенные исследования позволилиопределить влияние КЭСУ на тягово-скоростные свойства, устойчивость и управляемость легковых автомобилей и обосновать конструктивные решения на начальной стадии их проектирования.

Реализация результатов. Методы анализа влияния КЭСУ на эксплуатационные свойства легкового автомобиля использовались при создании опытных конструкций межколёсных самоблокирующихся дифференциалов и двухдвигательных КЭСУ для автомобиля ИЖ-21 261. Методические разработки и результаты исследований используются в учебном процессе при изучении курса «Теория автомобиля» в Ижевском государственном техническом университете и в Удмуртском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IX региональной научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы развития региона» (г. Чайковский, 2005 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции в ТГУ (г.Тольятти 2005 г.) — на Всероссийской конференции «Теория динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (г. Чайковский, 2006 г.) — на Всероссийской конференции «Применение теории динамических систем в приоритетных направлениях науки и техники» (г. Чайковский, 2007 г.) — на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (г. Ижевск, 2007 г.) — на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (г. Пермь, 2008 г.) — на Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию победы советского народа в Великой Отечественной войне «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность движения. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2010 г.) — «Социально-экономические проблемы развития региона» (г. Чайковский, 2011 г.).

Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре «Автомобильный транспорт» Чайковского технологического института (филиал) ИжГТУ и объединенном научно-образовательном центре при Ижевском государственном техническом университете и Удмуртском государственном университете.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе четыре научные статьи в изданиях, рекомендуемом ВАК РФ, монография и 2 учебных пособия с грифом УМО.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы из 107 наименований. Работа изложена на 193 листах машинописного текста, содержит 84 рисунка и 12 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Любая передающая энергию механическая система колёсной машины обладает кинематическими (голономными) связями, ограничивающими только относительное перемещения точек и звеньев силовой передачи, и неголономными связями, устанавливающими зависимости между скоростями точек звеньев силовой передачи.

2. При построении структурных и кинематических схем, в выборе основных параметров силовых передач, с достаточной достоверностью допустимо рассматривать их как голономные системы без учёта реактивных связей и применять для исследования классические уравнения Лагранжа.

3. Фрикционные, электрические, гидравлические передачи имеют скольжение от долей до нескольких процентов, а для длинных трансмиссионных валов деформируемость может быть большой и, как следствие, динамические процессы (колебательные, переходные), происходящее в силовой передаче, оказывают влияние на скорость обобщённых координат. Всё это в свою очередь обуславливает наличие не-голономных, динамических и квазидинамических связей.

4. В КЭСУ с параллельной работой ДВС и ЭД дополнительно необходимо рассматривать два упруго-демпфирующих звена (соответственно от ДВС и ЭД) до выходного вала суммирующего редукторы. Влияние упруго-демпфирующих свойств КЭСУ на эксплуатационные свойства транспортной машины существенно зависит от конструктивных особенностей суммирующего редуктора. В настоящее время в КЭСУ параллельных схем наиболее распространены шестерёнчатые суммирующие редукторы, применяются так же цепные и ремённые. Наличие в суммирующем редукторе передач трением с непосредственным касанием ведущих и ведомых тел фрикционные передачи) или передачи тернием с гибкой связью (ремённые передачи) усложняет математическую модель работы машины.

5. Блокирующие свойства межколёсного самоблокирующегося дифференциала (МСД) оказывают значимое положительное влияние на прямолинейное движение легкового автомобиля с передним приводом и увеличивают границы его устойчивости при установившимся криволинейном движении.

6. Влияние блокирующих свойств МСД при установившимся криволинейном движении на дорогах как с низким, так и с высоким коэффициентом сцепления с дорожным покрытием для автомобиля с задним приводом ведёт к сужению границ к устойчивости движения, а для автомобиля с передним приводом к их расширению. Влияние блокировки дифференциала на устойчивость неустановившегося криволинейного движения легкового автомобиля неоднозначно и определяется величиной возмущающего воздействия. При этом высокое значение коэффициента блокировки для всех условий криволинейного движения однозначно снижает управляемость и устойчивость легкового автомобиля.

7. МСД с возрастающим внутренним трением, позволяет более полно реализовать тяговое усилие при движении в плохих дорожных условиях, имеет излишне большие блокирующие свойства при движении с большой нагрузкой на поворотах. МСД с убывающим внутренним трением необходим для автомобилей с высокими тягово-скоростными качествами, так как позволяет двигаться в поворотах с максимальной скоростью и его характеристика при этом приближается к характеристике обычного дифференциала. Вместе с тем такой дифференциал в меньшей степени способен перераспределять моменты по полуосям и не позволяет реализовать максимально возможный момент при достаточно хорошем сцеплении одного из колёс.

8. Предложенная комбинированная характеристика МСД позволяет более полно реализовать тяговое усилие в плохих дорожных условиях, не снижая управляемости и устойчивости движения по дорогам с высоким и малым коэффициентом сцепления.

9. Стендовые и лабораторно-дорожные испытания различных типов МСД, проведённые испытательными службами ижевского автозавода подтвердили теоретические результаты и их влияние на эксплуатационные свойства легкового автомобиля и показали, что МСД улучшает проходимость автомобиля, увеличивает скорость его движения, но при возрастающем внутреннем трении несколько увеличивает износ шин и расход топлива. МСД с убывающим внутренним трением по расходу и по износу практически одинаков с серийным дифференциалом.

10. Обеспечение лучших экономических и экологических характеристик транспортного средства для города можно достичь путем применения комбинированной энергосиловой установки, установленной на малогабаритном автомобиле с низкими массогабаритными показателями. Результаты стендовых испытаний показали, что для автомобиля с КЭСУ параллельной схемы, удается повысить топливную экономичность до 25.30%, выбросы токсичных веществ уменьшить на 25.40% практически без изменения конструктивных параметров автомобиля-носителя ИЖ-21 261.

11. Среди множества принципиальных компоновочных схем квадрицикла с комбинированной энергоустановкой наиболее рациональной для города является схема с КЭСУ дифференциального типа. Благодаря этому удается достичь оптимальных режимов работы двигателя на установившемся режиме в процессе движения с разными скоростями. Заслуживает внимания КЭСУ с вариаторным приводом каждого ведущего колеса.

12. Наилучшее расположение центра масс для обеспечения хорошей устойчивости следует расположить силовые агрегаты в передней части машины, аккумуляторные батареи и багажник — в задней части. Тем самым, основные массы располагаются по концам машины, что добавляет ей большую устойчивость к развороту. Смещение центра масс в переднюю часть положительно влияет на устойчивость.

13. Режимы работы силовых агрегатов должны быть организованы так, чтобы двигатель внутреннего сгорания был задействован только при движении на скоростях свыше 13 м/с (46км/час), при равномерном движении и небольших изменениях скорости движение должно происходить только за счет ДВС. При торможении, замедлении или движении накатом под гору с ускорением электродвигатель включается в режиме рекуперации энергии.

14. Наиболее подходящим кузовом для квадрицикла является каркасно-панельная пространственная рама. Сам кузов должен быть однообъемным и вмещать 2-х человек (50% - перцентиль), включая водителя. Для наибольшей компактности квадрицикла необходимо размещать пассажира и водителя рядом друг с другом.