A computer method for calculating the traction-speed characteristics of automotive vehicle equipped with hydromechanical transmission

АННОТАЦИЯ

В статье представлен аналитический метод изучения влияния структурных параметров трансмиссии на тягово-скоростную характеристику автомобиля с гидромеханической трансмиссией (ГМТ). Автором разработана программа для расчета тягово-скоростной характеристики с использованием программного обеспечения Matlab 2014 и произведены расчеты для автомобиля ГАЗ-21 с ГМТ.

ABSTRACT

The article presents an analytical method for studying the effect of the transmission's structural parameters on the traction -speed characteristics of a car with hydro-mechanical transmission. Developed a program to calculate the characteristics of the traction -speed using the software Matlab 2014 and carried out calculations for the car GAZ-21 with hydro-mechanical transmission.

Ключевые слова: гидромеханическая передача, двигатель, трансформатор, тягово-скоростная характеристика.

Keywords: hydro-mechanical transmission, engine, torque converter, traction characteristic.

1.  Введение

На автомобилях различных типов и назначений довольно широкое применение получили гидромеханические трансмиссии (ГМТ). ГМТ отличается от механической тем, что в ее состав дополнительно входит гидродинамическая передача (гидротрансформатор или гидромуфта). При наличии в трансмиссии гидротрансформатора (ГДТ) нельзя для расчета тяговой силы использовать методику, применяемую при расчете механической трансмиссии [1; 6], так как гидропередача не обеспечивает однозначной зависимости между частотой вращения коленчатого вала и турбины, жестко связанной с ведущими колесами. Поэтому для построения тяговой характеристики автомобиля необходимо использовать выходные характеристики системы ДВС-ГДТ. Эти характеристики представляют собой зависимости мощности N_T и вращающего момента M_T на валу турбинного колеса от частоты вращения турбины n_N при полной подаче топлива в двигатель. Значения n_T, M_T можно получить либо непосредственно из графиков [1; 3-6], либо вычислить аналитически. Однако использование графических методов для построения выходной характеристики трансформатора займет много времени для анализа влияния конструктивных параметров трансмиссии на тяговую характеристику автомобиля с ГМТ.

В настоящей работе представлен аналитический метод расчета тягово-скоростной характеристики сопротивления автомобиля с ГМТ с использованием программного обеспечения Matlab 2014. Этот метод обеспечивает быстрые и точные расчеты и позволяет изучить влияние конструктивных параметров трансмиссии на тяговую характеристику автомобиля с ГМТ.

2. Материал и методика работы

Рисункок 1. Схема гидромеханической трансмиссии

На рисунке 1 показана общая схема трансмиссии заднеприводного автомобиля с колесной формулой 4x2. Здесь ДВС – двигатель внутреннего сгорания; СП – согласующая передача; ГДТ – гидродинамический трансформатор; Н – насосное колесо; Т – турбинное колесо; Р – колесо реактора; МКП – механическая коробка передач; ГП – главная передача.

Для расчетов тягово-скоростных свойств автомобиля с ГМП, особенно с применением ЭВМ, удобнее пользоваться не графическими зависимостями мощности и крутящего момента M_T на турбинном колесе от частоты вращения n_T, а аналитическими. Чтобы определить координаты точек совместной работы ДВС и ГМП аналитическим методом, поступим следующим образом.

Предположим, что внешняя скоростная характеристика ДВС описывается уравнением, предложенным С.Р. Лейдерманом [1; 5; 6].

                                        (1)

где a, b, c-коэффициенты зависят от типа и особенностей конструкции двигателя; k_ВО – коэффициент отбора мощности.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяется по формуле:

              (2)

Для определения выходных характеристик системы ДВС-ГДТ нужно знать безразмерную характеристику ГДТ. Безразмерная характеристика ГДТ определяет зависимость коэффициента полезного действия, коэффициента трансформации от передаточного отношения, . Эти характеристики обычно выводятся по результатам испытаний конкретных ГДТ [1; 3; 5].

Чтобы было удобно рассчитать на ЭВМ, рассмотрим упрощенный метод [1] определения безразмерной характеристики ГДТ. По упрощенной методе для определения коэффициента трансформации используем зависимость [1]

                                               (3)

где:B₁, B₂ – коэффициенты, характеризующие геометрию лопастной системы трансформатора; e_H – степень использования рабочего объема насоса;  – передаточное отношение ГДТ.

Значения B₁, B₂, e_H, можно определить по формулам: 

где  – относительная длина проекции средней линии канала насоса;  – длина проекции средней линии канала насоса на меридиональную плоскость; – относительные радиусы рабочих колес; r_i  – средние радиусы рабочих колес; b_i – углы наклона лопаток колес. Индексы геометрических параметров трансформатора обозначают: Н – насос; Т – турбина; 1 – вход в колесо; 2 – выход из колеса; с_o – коэффициент, характеризующий отклонение действительной эпюры меридиональных скоростей от равноскоростей эпюр;  – коэффициент, характеризующий отклонение лопаток насоса от радиального направления; е=2,718;  – коэффициент, характеризующий форму круга циркуляции;  – относительная кривизна лопаток колес;  – соотношение средних арифметических радиусов турбины и насоса.

КПД трансформатора и коэффициент крутящего момента насоса определяется по формулам:

                                                                           (4)

                                          (5)

Значения V_H можно определить по формулам:

;

где V_H – рабочий объем насоса; F_Hcp – средняя суммарная площадь живых сечений каналов насоса; Y_H – коэффициент стеснения лопатками живого сечения рабочего насоса.

Зная значение l_Н, можно определить вращающий момент насосного колеса ГДТ по формуле [3; 5; 6]:

                                                         (6)

где l_Н – коэффициент момента насосного колеса; r – плотность рабочей жидкости, D_a – активный диаметр ГДП.

При соединении насосного колеса с валом ДВС через согласующую передачу на установившемся режиме М_Н=М_е. i_c; n_Н=n_е/ i_c. Тогда на основе уравнений (2) и (6) получаем систему нелинейных алгебраических уравнений:

   (7)

Искомые неизвестные в этих уравнениях М_Н и n_Н:

Зная значения М_Н и n_Н, можно вычислять значения параметров выходных характеристик системы ДВС – ГДП:

                                             (8)

Затем вычисляют показатели тягово-скоростных свойств автомобиля следующим образом:

                                       (9)

где  Р_К  – тяговая сила на ведущих колесах; Р_С – сила сопротивления; D – динамический фактор; V_a – скорость автомобиля; K_w – фактор обтекаемости.

Решение формул (1-9) на ЭВМ с использованием программного обеспечения позволит быстро определить показатели тягово-скоростных свойств автомобиля и исследовать влияние параметров ГДТ и трансмиссии на тяговое качество автомобиля.

3. Результаты и их обсуждение

В качестве примера расчета взята трансмиссия автомобиля ГАЗ-21 с ГМТ [4; 6]. Геометрические параметры трансформатора приведены в табл. 1 [1].

Таблица 1.

В этой статье была разработана программа для расчета тягово-скоростной характеристики с использованием программного обеспечения Matlab 2014. Peзультаты расчета для автомобиля ГАЗ-21 приведены на рис. 2-6.

На рис. 2 и 3 представлена  внешняя скоростная характеристика ДВС и безразмерная характеристика ГДТ соответственно.

На рис. 4 показаны графики характеристики системы ДВС-ГДТ при разных значениях передаточного отношения ГДТ. На рис. 5 показаны результаты расчетов выходной характеристики ГДТ с разными значениями согласующей передачи i_c.

Рисунок 6. Тягово-скоростная характеристика автомобиля ГАЗ-21 с ГМТ

Результаты расчета тягово-скоростной характеристики автомобиля ГАЗ-21 с ГМТ при i=3,0 и  i=1,8 представлены на рис. 6.

 Рассчитанные результаты для автомобиля ГАЗ-21 по указанному выше методу показывают, что при изменении входных параметров трансмиссии можно быстро получить выходную характеристику гидротрансформатора и также тягово-скоростную характеристику автомобиля. Поэтому этот метод подходит для выбора параметров трансмиссии автомобиля на начальной стадии проектирования трансмиссии автомобиля с ГМТ.

4. Выводы

Расчет тягово-скоростной характеристики автомобиля с ГМТ на ЭВМ с помощью программного обеспечения Matlab 2014 позволяет быстро вычислять результаты и анализировать влияние конструктивных параметров трансмиссии на тягово-скоростную характеристику автомобиля с ГМТ. Этот метод может быть применен на начальной стадии проектирования трансмиссии автомобиля с ГМТ.

Признательность

Мое исследование было поддержано Тхайнгуенским технологическим университетом для научного проекта T2016-106.

Acknowledgments

My research was supported by Thai Nguyen University of Technology for the scientific project  T2016-106.

Список литературы:
1. Автомобиле- и тракторостроение. Исследование трансмиссии автомобилей и тракторов: Республиканский межведомственный научно-технический сборник / Ред. Н. Натышева и др. – Минск: Вышэйшая школа, 1971. – 172 с.
2. Канунников С.В. Отечественные легковые автомобили. 1896-2000 гг. – М.: За рулем, 2008. – 496 c.
3. Кожевников B.C., Шарипов В.М., Шакиров Т.М. Выбор и определение параметров гидромеханических пе-редач. – М.: МГТУ МАМИ, 2002. – 66 с.
4. Лаптев Ю.Н. Динамика гидромеханических передач. – М.: Машиностроение, 1983. – 104 с.
5. Нарбут А.Н. Гидромеханические передачи автомобилей: Учебное пособие для вузов по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». – М.: Гринлайт+, 2010. – 191 с.
6. Тарасик В.П. Теория движения автомобиля: Учебник для вузов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 478 с.