Обеспечение эффективности городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства совершенствованием конструктивной схемы и оптимизацией базовых параметров

Актуальность работы. Анализ транспортных систем современных городов мира, в том числе России, показывает наличие следующей закономерности. Вследствие постоянного развития городов происходит увеличение транспортных потоков, однако темпы повышения пропускной способности магистралей существенно отстают от темпов роста количества автомобилей. В результате возникло требующее разрешения противоречие между возможностью автомобиля обеспечивать свободу передвижения и проблематичностью реализации этой возможности в транспортной системе современного города. Несмотря на постоянное развитие общественного надземного и подземного транспорта, расширение старых и строительство новых городских магистралей эта ситуация усугубляется. Кроме этого обостряются экологическая проблема, связанная с ростом загрязнения окружающей среды отработавшими газами автомобилей, и проблема безопасности дорожного движения.

Причины возникновения проблемы транспортных систем в основном связаны с тем, что существующая концепция легкового автомобиля, развитая в теории автомобиля рассматривает его, как самостоятельный объект оптимизации, с учетом ряда надсистемных факторов в основном связанных с дорожно-климатическими условиями, требованиями безопасности движения и т. д. Легковой автомобиль, в основном 4−5 местный, является многофункциональным транспортным средством городского и загородного применения с запасом хода до 600−800 км. Существующие методы проектирования автомобилей обеспечивают максимальное использование мощности двигателей и соответствующие тягово-скоростные, топливоэкономические, тормозные и другие эксплуатационные свойства, реализуемые в основном в загородных условиях при малой интенсивности движения.

Однако особенностями^ использования автомобилей в современных транспортных системах крупных городов является сочетанием высокой интенсивности движения на коротких участках при снижении средней скорости до 15−30 км/час с многочисленными" парковками. При этом автомобильные двигатели большую часть времени работают на режимах малых нагрузок и холостого хода, коэффициент использования, их мощности составляет не более 0,3−0,5 при существенном ухудшении экономичности и повышении токсичности отработавших газов. Более 80% автомобилей имеют суточный пробег до 40−60 км, в 90% случаев в 4−5 местном автомобиле передвигаются 1−2 человека (в среднем 1,3). Другими словами, в силу недостаточной согласованности характеристик легкового автомобиля с характеристиками городских транспортных систем, потенциальные возможности автомобилей не только не используется, но и не могут быть использованы в дальнейшем. В результате эффективность, как автомобиля, так и транспортной системы в целом резко снижается.

Таким образом, налицо несоответствие между современными требованиями к городскому автомобилю и традиционными методами проектирования. Это указывает на необходимость развития концепции городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства (ГММТС), учитывающей его назначение и место в городской транспортной системе с сочетанием высокой интенсивности движения на коротких участках с многочисленными парковками. Важно обосновать требования к основным эксплуатационным свойствам ГММТС, изучить закономерности их формирования в функции конструктивной схемы, базовых параметров и схемы управления, разработать соответствующие методы и средства реализации. Ограниченное количество теоретических работ в этой области свидетельствует об актуальности темы исследования.

Цель работы — обеспечение эффективности ГММТС за счет разработки рациональной нетрадиционной конструктивной схемы, определения оптимальных базовых параметров и схемы управления.

Цель достигается постановкой и решением следующих задач:

1. Обосновать > концепцию нетрадиционной конструктивной схемы ГММТС, обеспечивающей высокую маневренность и управляемость, экономичное использование площадей для маневрирования-и парковки.

2. Развить аналитическую модель стационарного поворота ГММТС разработанной конструктивной схемы, применимую для описания движениям малыми радиусами поворота при скоростях от 2 до 15 км/час, включая поворот на месте.

3. Установить закономерности изменения характеристик поворотливости ГММТС при маневрировании со скоростями от 2 до 15 км/час в функции базовых параметров.

4. Установить области допустимого изменения базовых параметров для обеспечения заданных требований и ограничений.

5. На основании полученных расчетных данных разработать и изготовить управляемую действующую масштабную модель ГММТС нетрадиционной конструктивной схемы с изменяемыми базовыми параметрами, обеспечивающую физическое подобие кинематики и динамики движения модели и автомобиля.

6. Оценить управляемость и маневренность обоснованной схемы.

Объект исследования — городское многоцелевое малогабаритное транспортное средство нетрадиционной конструктивной схемы.

Предмет исследования — эксплуатационные свойства ГММТС, обеспечивающие эффективное применение машины в городских условиях.

Методика исследования. Исследования проведены с использованием методов теории автомобилей, теоретической механики, математического и физического моделирования. Методика исследования предусматривала сочетание испытаний модели автомобиля с многофакторным численным экспериментом. Достоверность результатов обосновывается: подтверждением теоретических результатов экспериментальнымиприменением экспериментальных методов исследования, соответствующих государственным’стандартамсопоставлением результатов’с данными-других: исследователей.

Научная новизна.

1. Обоснована концепция грехопорного ГММТС с бортовым поворотом, мотор-колесамии передней шаровой самоустанавливающейся опоройе 1 ' -. Данная конструкция обеспечивает высокую маневренность и управляемость,. экономичное использование площадей для маневрирования и парковки:

2. Разработана математическая модель криволинейного движения трехопорного транспортного средства с передней самоустанавливающейся опорой и бортовым поворотом, позволяющая на ранней стадии проектирования определить силовые и кинематические характеристики ГММТС с различными схемными и констуктивными решениями, а также обоснованно выбирать и оптимизировать основные параметры ГММТС и оценить схемные решения. Это сокращает затраты времени т средств на проведение НИОКР и ускоряет постановку на производство новой техники.

3. Установлена область допустимых параметров ГММТС для обеспечения высокой маневренности и устойчивости.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Повышение эффективности городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства предлагаемой конструктивной схемы как объекта городской транспортной системы современного мегаполиса. Новизна технического решения, примененного в данной модели, подтверждена патентом на полезную модель.

2. Возможность исследования управляемости— иг маневренности городского многоцелевого малогабаритного транспортного средства на базе спроектированной и построенной модели. ГММТС и регистрационного комплекса. Комплекс может быть, использован для* исследования, управляемости и маневренности автомобилей с другими схемами управления.

3. Полученные практические результаты используются: при проведении выполнении курсовых и дипломных проектов и чтении отдельных разделов. лекций по г дисциплинам: «Автомобильная техника», «Конструкция и расчет автомобилей» в ЧВВАКИУ, ЮУрГУ. .

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях «Экологические проблемы в транспортно-дорожном комплексе» (Москва, 2005), «Достижения науки — аграрно-промышленному производству» (Челябинск, 2006, 2007), «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (Москва, 2009), межрегиональной научно-технической конференции АВН «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения» (Челябинск, 2010), межвузовских научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2005;2008), Челябинского государственного агроинженерного университета (2006, 2007), научно-технических конференциях Челябинского высшего военного автомобильного командног инженерного училища (военного института) (2006;2010).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 работах, получен 1 патент на полезную модель.

Объем и содержание работы. Диссертация содержит 166 стр. текста, 76 рисунков и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 100 наименований, и приложений. ~.

4.6 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ.

1. Принудительное изменение соотношения скоростей колес разных бортов для поворота колесных машин с неповоротными колесами дает возможность существенно уменьшить минимальный радиус поворота по сравнению с радиусом поворота машин с управляемыми колесами. Ограничение величины минимального радиуса поворота определяется у ГММТС наличием увода мотор-колес. У автомобилей, выполненных по классической схеме, ограничени-ие минимального радиуса поворота определяется либо конечным диапазоном регулирования' передаточного числа механизма поворота, либо располагаемой^ мощностью двигателя (тяговой характеристикой машины при повороте).

2. Испытания показали, чтсн при существенном улучшении показателей маневренности, показатели-управляемости ГММТС соответствуют нормативным показателям: Для повышения надежности. ГММТС и компенсации*избыточной поворачиваемости, предложена схема управления, которая показана в приложении Г. Данная схема защищена патентом на полезную модель № 87 681 от 5 мая 2009 г.(приложение Д).

3. Параметры статической поворотливости рассматриваемой конструкции ГММТС от геометрических и весовых соотношений. Увеличение весовой асимметрии улучшает статическую поворотливость, однако с гораздо меньшей интенсивностью, чем уменьшение колеи. С учетом комфортного размещения водителя и пассажира в кузове автомобиля ширина ГММТС может быть в пределах 1,2. 1,5 м. Расчет ГММТС на устойчивость в зависимости от геометрических параметров (13) показывает, что размеры модели ГММТС должны быть в пределах 240.300мм х 240.300мм, а автомобиля соответственно 1,2. 1,5 м х 1,2. 1,5 м.

ГММТС таких размеров сможет совершать поворот с минимальным радиусом 1,2. 1,5 м.

4. Лучшие характеристики статической поворачиваемости получаются.

Ьопт л/3 при соотношении ~~ = —.

В 2 опт.

5. При установившемся движении ГММТС по криволинейным участкам трассы с большими радиусами кривизны смещение полюса поворота зависит от соотношения скоростей вращения мотор — колес левого и правого бортов.

6. Расчеты и испытания показали, что у ГММТС уд меньше в 1.3 раза, чем у автомобиля с управляемыми колесами одной оси и в 1.8 раз, чем у автомобиля с управляемыми колесами передней и задней осей.

7. Основным задающим параметром регулирования в процессе управления.

VV.

ГММТС является величина —, идентичная по своей роли среднему углу' К2Н + ' К2 В поворота управляемых колес обычной колесной машины.

8. При постоянном темпе изменения задающего параметра регулиро.

VV вания во времени -—= const интенсивность изменения, кривизны после кгн +^кгв небольшого переходного участка на начальном этапе становится постоянной, т. е. кривизна увеличивается так же, как и задающий параметр по линейной зависимости. Интенсивность изменения кривизны на этом этапе регулирования зависит от скорости движения и первой производной задающего параметра.

9. Увеличение скорости движения увеличивает интенсивность изменения кривизны и увеличивает степень повышения ее при увеличении производной задающего параметра, т. е. всегда сказывается положительно на управляемости.

10. Решение дифференциальных уравнений стационарного поворота применительно к конкретным случаям позволяет выявить исходные расчетные данные, необходимые при проектировании колесных машин с неповоротными колесами с учетом требований в отношении поворотливости и управляемости.

11. Применение схемы управления с бортовым поворотом позволит за счет повышенной маневренности повысить эффективность использования ГММТС в 1,6. 1,7 раза по сравнению с автомобилями традиционной конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами работы являются:

1. Обоснована концепция трехопорного ГММТС, включающая использование бортового (силового) поворота мотор-колес в сочетании с самоустанавливающейся передней опорой, обеспечивающая высокую маневренность и управляемость, экономичное использование площадей для маневрирования и парковки.

2. Развита математическая модель стационарного поворота трехопорного ГММТС с двумя мотор-колесами и самоориентирующейся опорой, применимая для описания движения с малыми радиусами поворота при скоростях от 10 до 60 км/час, включая поворот на месте, позволяющая на ранних стадиях проектирования оценить схемные решения и обоснованно выбирать и оптимизировать основные параметры машины, исходя из заданных требований.

3. Установлены закономерности изменения характеристик поворотливости ГММТС при маневрировании со скоростями от 10 до 60 км/час в функции базовых параметров и схем управления. Экспериментальными исследованиями выявлено, что у ГММТС с бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой радиус поворота меньше в 1,7 раза, чем у автомобилей с передними управляемыми колесами, и в 1,2 раза — по сравнению с автомобилями со всеми управляемыми колесами. Кроме этого, схема с бортовым поворотом и самоустанавливающейся опорой создает момент сопротивления повороту в 1,5 раза меньший, чем автомобили с управляемыми колесами.

4. Установлены области допустимого изменения базовых параметров и характеристик схем управления для обеспечения заданных требований и ограничений. Наиболее маневренной из сравниваемых машин является двухместный ГММТС с размером базы 1400. 1600 мм, колеи — 1100.1250 мм, диаметром колес 400.500мм, бортовым поворотом и передней самоустанавливающейся опорой.

5. Для оценки адекватности математической модели и экспериментальной оценки принятых решений на основании теории подобия разработана и изготовлена в масштабе 1:5 управляемая действующая модель ГММТС с изменяемыми базовыми параметрами, управляемая с помощью бортового поворота мотор-колес, имеющая переднюю самоустанавливающуюся опору, обеспечивающая физическое подобие кинематики и динамики движения ГММТС.

6. Оценена управляемость и маневренность разработанной схемы. Управляемость и устойчивость разработанной схемы ГММТС соответствуют нормативным показателям ЕЭК ООН № 79 и ГОСТ Р 52 302−2004. Экспериментально установлено, что реализация концепции ГММТС исключает возможность ее опрокидывания под действием центробежных сил.

7. Применение схемы управления с бортовым поворотом позволит за счет повышенной маневренности повысить эффективность использования ГММТС в 1,6. 1,7 раза по сравнению с автомобилями традиционной конструкции.