Том 11, № 3 (2017)
- Год: 2017
- Статей: 11
- URL: https://journals.rcsi.science/2074-0530/issue/view/3709
Статьи
Выбор концепции автомобиля с комбинированной энергетической установкой расширенных функциональных возможностей
Аннотация
Статья посвящена вопросам совершенствования схем трансмиссий и передачи электрической энергии комбинированных энергетических установок (КЭУ) автомобилей. Идеология КЭУ заключается в рациональном выборе режима работы ДВС - эффективном использовании вырабатываемой им энергии, однако наличие на автомобиле КЭУ можно использовать еще и для расширения его функциональных возможностей. Авторы развивают и обосновывают идею расширения области применения автомобилей с комбинированными энергетическими установками (КЭУ), обеспечения их универсальности и расширения возможных назначений и областей использования, обусловленных спецификой дорожных и климатических условий России. Возможности выполнения поставленной цели авторы видят в применении на автомобилях комбинированной энергетической установки расширенных функциональных возможностей. В приводе ведущих колес автомобиля, оборудованного такой установкой, имеются две обратимые электромашины, каждая из которых индивидуально кинематически связана с одним из колес ведущей оси. Концепцию автомобиля с КЭУ расширенных функциональных возможностей, на схему которой выдан патент на изобретение, авторы предложили еще в предыдущих публикациях. Материал представленной статьи содержит варианты развития конструктивных схем исполнения комбинированных энергетических установок расширенных функциональных возможностей, которыми могут быть оборудованы автомобили с различными вариантами привода ведущих колес. Авторами предлагаются схемы установок, составы узлов и систем при использовании автомобилей, оборудованных ими, в различных дорожных условиях. Описываются алгоритмы работы КЭУ расширенных функциональных возможностей в различных дорожных и климатических условиях. Предлагаются варианты конструктивного исполнения основных узлов и агрегатов, входящих в состав КЭУ расширенных функциональных возможностей. В заключительной части статьи отмечается положительное влияние рекомендуемых вариантов исполнения КЭУ расширенных функциональных возможностей на эксплуатационные характеристики автомобилей, оборудованных такими установками.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):2-8
2-8
Проектирование направляющего аппарата независимой подвески автомобиля с использованием метода топологической оптимизации
Аннотация
Снижение массы агрегатов автомобиля является актуальной задачей: снижается расход топлива и выбросы в атмосферу, снижается материалоемкость, энергоемкость, себестоимость производства, повышается отношение массы перевозимого груза к снаряженной массе автомобиля и т.д. Решение такой задачи методом топологической оптимизации позволяет получить прочные и жесткие конструкции минимальной массы. В статье рассмотрен пример снижения массы ходовой части автомобиля путем синтеза силовой схемы двойных поперечных рычагов независимой подвески полноприводной колесной машины 4х4 методом топологической оптимизации. Особенностью расчетной схемы является использование комплексной конечно-элементной модели подвески, позволяющей вести синтез силовой схемы верхнего и нижнего рычага одновременно, а нагружение подвески проводить в составе общей балочно-стержневой модели независимой подвески и с колесом. Полученная в результате решения задачи оптимизации силовая схема верхнего рычага представляет собой плоскую конструкцию в форме буквы А, что объясняется: 1) отсутствием сил, действующих вне плоскости верхнего рычага подвески; 2) небольшим расстоянием между шарнирами крепления рычага к корпусу. Силовая схема нижнего рычага подвески также имеет форму равнобедренного треугольника в плане, однако одна ветвь треугольника имеет большую строительную высоту в направлении, перпендикулярном плоскости рычага, что объясняется большой силой, создаваемой упругим элементом подвески, опирающимся в этой зоне на нижний рычаг. В случае отсутствия сил, выходящих из плоскости рычага подвески, задача синтеза силовой схемы сводится к плоской задаче и дает однозначно интерпретируемые силовые схемы, которые легко реализовать в конструкции рычагов. При действии сил, перпендикулярных к плоскости рычага, например, в зоне опоры упругодемпфирующего элемента подвески, необходимо увеличивать строительную высоту рычага в зоне действия этой силы. Общая оценка массы полученных конструкций рычагов в сравнении с существующими аналогами показывает уменьшение массы рычагов до 30%.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):9-13
9-13
Оптимизация и доводка малотоксичной камеры сгорания с применением численного моделирования внутрикамерных процессов
Аннотация
В последние годы наблюдается тенденция к увеличению спроса на микротурбины. Зона применения микротурбины очень широка. Это гибридные силовые установки для транспорта и специализированной техники, а также энергетические установки для обеспечения электричеством домов, поселков, предприятий. При разработке перспективных газотурбинных установок необходимо учитывать достаточно высокие требования к экономическим и эксплуатационным показателям. Для улучшения показателей микротурбин необходимо проводить оптимизационные и доводочные работы основных элементов. В частности для уменьшения эмиссии вредных веществ необходимо разрабатывать малотоксичные камеры сгорания. В данной работе приводятся результаты оптимизации и доводки малотоксичной камеры сгорания с применением численного моделирования внутрикамерных процессов. Описываются применяемые модели течения, горения, радиации, эмиссии NOx. Приведены основные параметры расчетной сетки, построенной на ¼ часть полноразмерной камеры сгорания. Сформулированы граничные условия необходимые для постановки математического моделирования течения и процессов горения. Представлены результаты сравнения исходной и оптимизированной геометрии камеры сгорания в виде картин распределения температур, скоростей, полного давления в завихрителе, распределения массовой фракции оксидов азота NOx. По результатам оптимизационных расчетов можно сделать вывод, что относительно небольшие изменения размеров, формы и количества отверстий вторичного воздуха, формы и размеров жаровой трубы, диаметра лопаточного завихрителя, а также формы и размеров жиклеров газовой форсунки оказывают существенное влияние на такие показатели рабочего процесса, как: форма, объем и расположение зоны горения; расположение и интенсивность зоны смешения, что как следствие сильно влияет на интегральные параметры камеры сгорания.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):14-20
14-20
Оптимизация турбинного диффузора многоцелевой микротурбины
Аннотация
Одна из областей применения микротурбин - использование их в составе гибридной трансмиссии. Это позволит значительно повысить экологичность транспортных средств. Одной из проблем микротурбин с радиальной турбиной и теплообменником является эффективное торможение потока газа за турбиной в затурбинном диффузоре. Цель данной работы - расчетное исследование течения потока газа в диффузорах различных конструкций с целью определения оптимальной (по потерям полного давления и равномерности поля скоростей) конструкции. Для исследования были взяты два варианта компоновки микротурбины. В первом случае ось вращения теплообменного аппарата располагалась параллельно оси вращения рабочего колеса ступени турбины, во втором случае - перпендикулярно. С целью минимизации потерь геометрия выходного устройства первого варианта компоновки микротурбины варьировалась, в частности, рассматривалось выходное устройство без и с дефлекторами. Из результатов расчетов следует, что ввод в геометрию выходного устройства дефлекторов позволяет снизить вихреобразование и, соответственно, потери полного давления. Для определения потерь и оптимального значения угла раскрытия диффузора для второго варианта компоновки двигателя была проведена серия расчетов течения в ступени радиально-осевой турбины с варьированием угла наклона верхней образующей выходного диффузора α (0,0°, 2,5°, 4,0°, 6,0°, 7,0°). Предварительно было проведено исследование влияния выбранной модели турбулентности и размера сетки на результаты расчета. Анализ результатов расчетов показал, что минимальные потери полного давления и максимальное повышение статического давления обеспечивает диффузор с углом наклона верхней образующей 6°. Увеличение угла наклона верхней образующей 7° приводит к развитым отрывным течениям и росту потерь. Сравнительный анализ полученных данных для различных вариантов исполнения диффузора показал, что второй вариант компоновки микротурбины (с прямым кольцевым затурбинным диффузором) имеет значительно меньшие потери полного давления в выходном устройстве турбины.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):21-27
21-27
Методика оценки эффективности работы клиноременного вариатора в легком транспортном средстве
Аннотация
Клиноременные вариаторы с автоматическими нажимными механизмами получили преимущественное распространение в легких транспортных средствах, таких как мотороллеры, снегоходы, квадроциклы, мотовездеходы и другие. В связи с этим необходима разработка методики оценки эффективности работы вариатора для определения необходимых параметров и качества работы клиноременного вариатора легких транспортных средств. Указанные средства передвижения обладают небольшой массой (до 750 кг) и стоимостью и, как правило, снабжены двигателями небольшой мощности (до 75 кВт). Конструктивная простота и высокая технологичность изготовления немногочисленных деталей клиноременного вариатора, а следовательно, наименьшая их стоимость при достаточно высокой на сегодня степени надежности обеспечили вариатору максимальное значение показателя в виде отношения «надежность / стоимость». Это один из факторов, который позволил клиноременным вариаторам завоевать лидерство в трансмиссиях этих транспортных средств. Для оценки эффективности работы клиноременного вариатора транспортного средства необходима методика оценки мгновенных положений работы вариатора, которая поможет определить мгновенные значения необходимых параметров и дать заключение о качестве работы вариатора в данном состоянии и последующего переходного процесса, его скорости и эффективности. Методика основана на определении осевых сил, созданных нажимными механизмами, и возникающих от них радиальных сил, сил натяжения ветвей ремня с учетом окружной силы от передаваемого крутящего момента. Особенность данной методики состоит в определении точного положения (углов наклона и направления) указанных сил как в плоскости контура ремня, так и перпендикулярной ей. Разработанная методика позволяет оценить работу спроектированного клиноременного вариатора на всех возможных режимах двигателя. Кроме этого, методика показывает причины неэффективной работы вариатора, а также дает рекомендации по их устранению. Дальнейшая разработка данной методики позволит проектировать новые конструкции вариаторов с необходимыми свойствами.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):28-40
28-40
Проблемы реализации системы управления вертикальными реакциями колес автомобиля
Аннотация
Одной из новых систем активной безопасности автомобиля является система стабилизации вертикальных реакций колес при движении по периодическому профилю. Эффективность работы этой системы во многом зависит от успешности измерения значений вертикальных реакций колес автомобиля в движении. В статье рассматриваются возможности решения этой задачи. В качестве первого метода определения радиальной реакции в шине рассматривается метод оценки радиальной силы по изменению внутреннего давления в ней. Теоретический анализ этой задачи на базе решения простейших моделей, а также более совершенных моделей с использованием метода конечных элементов представлен в статье. Другой метод определения радиальной силы в шине заключается в измерении радиальной деформации шины в области пятна контакта. В статье рассмотрены два способа определения радиальной деформации шины. Один из способов заключается в применении лазерной техники. Лазерный датчик закрепляется на ободе автомобильного колеса, что обеспечивает постоянное измерение радиальной деформации в одной точке вращающейся шины. Использование такого устройства в системе стабилизации вертикальных реакций колес автомобиля практически невозможно, т.к. частота появления нужного сигнала слишком мала. Более совершенный вариант измерительного устройства с гироскопом обеспечивает постоянство направления луча лазера в одну точку - центр пятна контакта. Этим достигается непрерывность измерения радиальной деформации шины в процессе движения. Другой способ заключается в применении кольцевой камеры с жидкостью, опертой на кольцо, подобное кольцу, закрепленному на ободе так называемого «безопасного» колеса. Повышение давления в камере при радиальной деформации шины позволяет оценить последнюю. Еще один метод непрерывного измерения радиальной силы на колесе связан с выполнением измерений вертикального ускорения центра колеса и суммарной силы, передаваемой подвеской на колесо автомобиля.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):41-48
41-48
Современные методы синтеза автоматических планетарных коробок передач
Аннотация
Увеличение числа передач в автомобильных трансмиссиях является наиболее результативным способом снижения расхода топлива и повышения эффективности автомобильной техники, оснащенной двигателями внутреннего сгорания. Чем больше передач в коробке передач, тем сложнее используемые механизмы и больше их количество. Статья посвящена использующимся в настоящее время методам синтеза и конструирования автомобильных многоскоростных коробок передач, состоящих из планетарных механизмов. Ограничения по типу используемых планетарных механизмов и числу степеней свободы синтезируемых коробок привели к низкой эффективности использования математических и графоаналитических методов синтеза, разработанных в СССР. В настоящее время аналитический метод синтеза заключается в переборе возможных вариантов соединений звеньев планетарных механизмов и управляющих элементов. Этот метод предусматривает возможность использования только однорядных трехзвенных планетарных механизмов, которые поддаются корректному математическому описанию. Вторым основным способом конструирования планетарных коробок передач является модульный принцип синтеза, заключающийся в присоединении и комбинировании одних известных и отработанных конструкций с другими. В этом случае основными модулями являются однорядные планетарные механизмы с одновенцовым или парным сателлитами и планетарные редукторы, разработанные Симпсоном и Равинье. Большинство коробок передач, разработанных немецкими компаниями, получены с использованием именно этого подхода. В статье приводятся кинематические схемы коробок передач, использующихся в настоящее время в трансмиссиях современных автомобилей, которые получены в результате использования описываемых методов синтеза.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):49-55
49-55
Оптимизация процесса разгона автомобиля с учетом режимов работы его двигателя
Аннотация
Автомобильная техника широко используется в сельском хозяйстве для выполнения различных работ. Предлагается методика выбора оптимальных передаточных чисел бесступенчатой трансмиссии автомобиля с учетом режимов движения и работы его двигателя. 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. 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. Аналитические выражения для уравнения тягового баланса 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. В работе показано, 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. Полученные результаты расчета тягово-динамических и топливно-экономических показателей автомобиля с бесступенчатой трансмиссией, передаточные числа которой во время движения изменялись в соответствии с предлагаемой методикой, в сравнении с реально существующим прототипом, подтвердили ранее принятую гипотезу оптимизации и дают все основания для рекомендации применения данной методики на практике при выборе передаточных чисел бесступенчатой трансмиссии в зависимости от режима движения автомобиля.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):56-60
56-60
Математические модели шин и расчета контактного давления на почву
Аннотация
При разработке нового транспортного средства для определенных задач сравниваются их различные характеристики такие как мощность двигателя, масса, грузоподъемность и т.п., расчет которых достаточно достоверный. Давление шины на контактное пятно является одной из важнейших характеристик для определения показателя проходимости колесного транспортного средства по бездорожью, определение которого на прямую зависит от механических свойств шины, дорожного полотна и их взаимодействия. Давлением на грунт является давление, оказываемое на почву шинами или следами моторизированного транспортного средства, и является одним из показателей ее потенциальной мобильности, особенно на более мягком грунте. Данная статья посвящена изучению моделей шин и методов определения давления колесного движителя на почву. В статье содержится информация о взаимодействии шины с разными опорными поверхностями, а также о различных подходах к вопросу определения проходимости колесных транспортных средств. Моделирование реальной площади контакта или профиля контакта шины предоставляет определенные сложности. Большинство решений основаны на профиле контакта с использованием спирали или эквивалентного жесткого колеса, используя больший гипотетический радиус колеса. Одна из основных моделей расчета контактного давления шины на почву является MMP, разработанной D. Rowland для оценки максимального давления различных шин, предназначенных для бездорожья и гусениц на мягких почвах . Установлено, что несмотря на научные достижения в сфере проходимости транспортных средств, до сих пор присутствуют сложности по определению оптимальных параметров колесного движителя для достижения максимальных показателей подвижности и экологичности.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):61-69
61-69
Конструирование и расчет гидрообъемного рулевого управления
Аннотация
Гидрообъемнное рулевое управление получило широкое распространение в конструкциях современных тракторов. В последние годы его начали применять и конструкциях карьерных автосамосвалов и быстроходных гусеничных машин. Такое рулевое управление дает возможность свободной компоновки ее основных агрегатов, упрощает конструкцию, снижает материалоемкость машины и улучшает условия труда водителя. При этом стоимость изготовления гидрообъемного рулевого управления в последние годы значительно снизилась в связи с развитием высоких технологий изготовления его агрегатов. Гидрообъемное рулевое управление представляет собой чисто гидравлическую передачу с гибкими соединительными трубопроводами (шлангами) относительно высокого давления, менее надежными в эксплуатации, чем механические тяги, это требует повышенного внимания к надежности и безопасности ее эксплуатации. По этой причине его не рекомендуется применять на машинах, транспортные скорости движения которых выше 50…60 км/ч. В известной научной литературе практически отсутствуют публикации о методах конструирования и расчета гидрообъемного рулевого управления. В учебной литературе по тракторам, авторами которой являются преподаватели Московского политехнического университета, приводятся сведения о конструкции и методах конструирования и расчета гидрообъемного рулевого управления. Задачей конструирования и расчета такого рулевого управления является подбор для него необходимых параметров исполнительного гидроцилиндра, насоса-дозатора и источника питания (приводного насоса). Эти агрегаты выпускаются серийно, из которых осуществляется конструирование гидрообъемного рулевого управления. Рассмотрена методика конструирования и расчета одноконтурной и двухконтурной схем ГОРУ. Приведены сведения о характеристиках насосов-дозаторов героторного типа зарубежного и отечественного производства.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):70-75
70-75
Экспериментальная проверка достоверности методики проектирования ведущих колес цевочного зацепления с резиноармированными гусеницами
Аннотация
Явные преимущества резиноармированных гусениц над гусеницами других типов делают их незаменимыми для тяговых и транспортных машин различного назначения. Кроме всего прочего, такие гусеницы отличаются возможностью их установки на машину взамен металлических гусениц без существенной переделки конструкции ходовой системы. Тем не менее, вместе с заменой металлической гусеницы на резиноармированную на практике необходимо также заменить существующее ведущее колесо на специально разработанное под резиноармированную гусеницу. Это обусловлено принципиальными различиями конструкций гусениц и особенностями их работы. До недавнего времени единой инженерной методики проектирования зацепления ведущего колеса с резиноармированной гусеницей не существовало. В одной из предыдущих работ авторами разработана методика, учитывающая особенности резиноармированных гусениц. В настоящей статье приведена экспериментальная проверка этой методики на примере конкретной машины - самоходного гусеничного опрыскивателя сельскохозяйственного назначения. Спроектированные в соответствии с разработанной методикой опытные образцы ведущих колес в составе самоходного гусеничного опрыскивателя прошли комплекс заводских испытаний, включая статический и динамический этапы. На статическом этапе испытаний была произведена проверка входа и выхода зубьев ведущих колес из зацепления в процессе сборки узла привода ходовой системы. В процессе динамического этапа произведена проверка надежности работы зацепления на различных режимах движения и загрузки самоходного гусеничного опрыскивателя. Дополнительно было проведено исследование работы зацепления в динамике при вывешенном борте ходовой системы. Экспериментальные исследования подтвердили надежность работы образцов ведущих колес, достоверность и адекватность разработанной методики. Также в работе приведены рекомендации для дальнейшего исследования цевочного зацепления и доработки методики их проектирования, в том числе за счет создания специализированного стендового оборудования.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2017;11(3):76-81
76-81