Оптимизация основных параметров автомобиля

Постановка задачи оптимизации включает следующие этапы: выбор критериев оптимальности, формирование целевой функции (зависит от стратегии оптимизации), выбор управляемых (оптимизируемых) параметров, назначение ограничений, нормирование управляемых и выходных параметров.

Критериями оптимальности при оптимизации основных параметров автомобиля принимают показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности. Наиболее полными, комплексными показателями этих свойств являются средняя скорость и удельный расход топлива. Однако значения этих показателей зависят от конкретных условий эксплуатации автомобиля, а их определение требует значительных затрат временных и материальных ресурсов. Поэтому при проектировании автомобиля используют некоторое множество частных показателей. Каждый из этих показателей оценивает эффективность автомобиля в частном случае движения, но их совокупность позволяет дать комплексную оценку его функциональных свойств.
3.1 Оптимизация мощности двигателя и количества ступеней коробки передач
Параметры автомобиля, определенные во втором пункте пояснительной записки, оказывают существенное влияние на показатели функциональных свойств. А это не учитывалось при их определении, поскольку значение каждого параметра получено исходя из обеспечения требований к отдельным выходным параметрам автомобиля. Следовательно, полученные таким образом значения основных параметров не могут обеспечить желаемого сочетания всего набора показателей качества и эффективности. Эти значения являются начальными и подлежат дальнейшей оптимизации.

В качестве критериев оптимальности для оптимизации основных параметров автомобиля принимаются показатели тягово-скоростных свойств и топливной экономичности.

Для оценки тягово-скоростных свойств автомобиля с механической трансмиссией используют следующие 10 показателей:

1) максимальная скорость автомобиля V_max:

где u_тр – передаточное число трансмиссии,

r_к0 – радиус качения колеса, м;

Для грузовых автомобилей значение V_max установлено Правилами ЕЭК ООН №68 и ГОСТ 22576–90 и зависит от назначения автомобиля: для одиночных автомобилей полной массой <3.5т V_maxдолжна быть не менее 110 км/ч (на участке дороги протяженностью 1 км);

2) условная максимальная скорость V_Уmax:
(3.2)
где S – путь пройденный автомобилем, равный 400 м;

t_д – время прохождения автомобилем последних 400 м участка длиной 2 км при интенсивном разгоне с места, с;

3) время разгона на участке пути 400 м t₄₀₀:
(3.3)
где S – отрезок пути для определения времени разгона, равный 400 м;

V_ср – средняя скорость движения на этом участке в 2 км, м/с;

4) время разгона на участке пути 1000 м t₁₀₀₀, определение аналогично t₄₀₀;

5) время разгона до заданной скорости t_V:

где а_срi – среднее значение ускорения автомобиля, м/;

V – заданная скорость для определения времени разгона; скорость зависит от типа автомобиля: для автомобилей всех типов полной массой до 3,5т V=100 км/ч, м/с;

6) время разгона на высшей передаче t_вп от скорости V_в0 до V_вк=0,9V_max:

Перечисленные 6 показателей характеризуют разгонные качества автомобиля. Следующие показатели определяются расчетным путем по динамической характеристике и характеризуют эффективность автомобиля.

_тр – КПД трансмиссии,

k_w – коэффициент сопротивления воздуха,

А_л – площадь лобового сопротивления;

8) максимальный динамический фактор на высшей передаче D_Вmax, определяется аналогично D_V;

9) максимальный динамический фактор на низшей передаче D_Нmax, определяется аналогично D_Вmax;

10) максимальный уклон дороги, преодолеваемый автомобилем h_max:
(3.7)
где f – коэффициент сопротивления качению колеса;

Значение h_maxнормированы: для грузовых автомобилей с полной нагрузкой h_max.

Оценка топливной экономичности автомобиля поводится с использованием следующих показателей:

а) контрольные расходы топлива Q_SK1 и Q_SK2 при двух значениях скорости:

P_д – мощность, развиваемая двигателем,

 – плотность топлива, кг/,

V – скорость, при которой определяется контрольный расход топлива. Для л/а, автобусов и грузовых автомобилей полной массой до 3,5т: V=90 км/ч и V=120 км/ч;

l_i – путь, проезжаемый автомобилем с постоянной скоростью,

G_Tср – среднее значение часового расхода топлива во время разгона автомобиля,

Q_si – путевой расход топлива при постоянной скорости движения,

t – время разгона автомобиля.

Стандартом регламентированы три вида ездовых циклов: магистральный, городской, стендовый. Ездовые циклы дифференцированы в зависимости от типа автомобиля и его полной массы. При испытаниях авто полной массы до 3,5 т нагрузка на него должна составлять половину номинальной грузоподъемности, но не менее 180 кг. Ездовой цикл-это движение авто на участке дороги длинной 4 км, на котором предусмотрено движение на различных передачах, включающее этапы разгона, равномерного движения, торможения и остановкок.

Зависимость критериев от оптимизируемых параметров получим в виде регрессий посредством метода планирования эксперимента. Для этого осуществим имитацию процесса разгона автомобиля на прямолинейном горизонтальном участке дороги длинной 2000 м с асфальтобетонным покрытием. Для данной цели используется программный продукт «RAZGON», а также программа «MathLab».

Процесс оптимизации разделим на два этапа. На первом оптимизации подлежат число ступеней КП и мощность двигателя. На втором оптимизации подлежат значения передаточных чисел промежуточных ступеней коробки передач.

С помощью программы «PlanExp» проводится планирование полнофакторного эксперимента второго порядка. Управляемыми параметрами являются число ступеней КП и мощность двигателя.

При решении первой задачи построим план полного факторного эксперимента второго порядка , варьировать будем максимальной мощностью и числом ступеней коробки передач . Так какn = 2 необходимо провести 8 опытов с использованием программы «Razgon». В качестве критериев оптимальности примем:

• 
  время разгона на участке 400 м t₄₀₀,
  
• 
  время разгона на участке 1000 м t₁₀₀₀,
  
• 
  время разгона до заданной скорости t_v,
  
• 
  контрольный расход топлива при скорости 90 км/ч Q_sk1,
  
• 
  контрольный расход топлива при скорости 120 км/ч Q_sk2,
  

Целевая функция в данном случае будет иметь вид:

y_jmax и y_jmin максимальное и минимальное значения регрессионного уравнения (определяются по графикам, построенным на основе уравнений регрессий);

y_jextr – экстремальное значение регрессионного уравнения. В данном случае осуществляется поиск минимума целевой функции, поэтому y_jextr= y_jmin;

с_j – коэффициенты веса, характеризуют значимость выходных параметров.

Целевая функция подлежит минимизации. Она позволяет обеспечить максимальное приближение всех критериев к их экстремальным значениям и реализует стратегию минимакса.

Аргументами целевой функции являются управляемые параметры. В качестве управляемых параметров выступают внутренние параметры технического объекта, подлежащие оптимизации.

В качестве управляемых параметров выбираем: максимальную мощность двигателяи количество ступеней .

Следует отметить, что оптимизироваться параметры будут в нормированном виде, т.к. используются регрессионные модели, полученные с помощью регрессионного анализа, поэтому x_нi = -1, а x_вi = 1.

Полученная матрица спектра плана представлена в таблице 3.2.