Формализация методики оптимизации параметров и характеристик комбинированной энергосиловой установки транспортной машины

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Том.1, №1

УДК 629.3.01

ФОРМАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

FORMALIZATION OF THE PROCEDURE OF OPTIMIZATION OF PARAMETERS AND CHARACTERISTICS OF THE COMBINED POWER INSTALLATION OF TRANSPORT VEHICLE N.M. Filkin, D.K. Shakurov

Аннотация. В статье на примере транспортной машины представлена методика расчета и оптимизации конструктивных и мощностных параметров и характеристик комбинированных (гибридных) энергосиловых установок, представляющих собой комбинацию двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя, накопителя электрической энергии и электромеханической трансмиссии. Представленная методика является результатом обобщения многолетнего опыта работ по созданию и проведению теоретических, расчетных и экспериментальных исследований опытных образцов легковых автомобилей, оборудованных комбинированными энергосиловыми установками.

Ключевые слов: гибридный автомобиль; энергосиловая установка; электромеханическая трансмиссия; многокритериальная оптимизация; топливно-скоростные свойства.

Abstract. The article on the example of transport machines presents the methodology of calculation and optimization of the design and power parameters and characteristics of the combined (hybrid) power installations, a combination of an internal combustion engine, electrical motor, storage of electrical energy and Electromechanical transmission. The presented method is the result of many years experience of works on creation and conducting theoretical, computational and experimental investigations of prototypes of passenger cars, equipped with the combined power plants.

Key words: a hybrid car; energy-power installation; electromechanical transmission; multi-objective optimization; the fuel-speed characteristics.

При разработке автомобиля с комбинированной энергетической установкой (КЭУ), состоящей из теплового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя (ЭД), перед конструктором стоит задача обоснованного выбора мощностных параметров характеристик ДВС и ЭД и выбора конструктивных параметров трансмиссии (количество ступеней и передаточные числа необходимых редукторов). Однако до настоящего времени практически отсутствуют методики расчета указанных характеристик и конструктивных параметров для транспортных машин, оборудованных комбинированными энергосиловыми установками.

Процесс расчета оптимальных конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭУ и трансмиссии, т. е. комбинированных энергосиловых установок (КЭСУ), машин параллельной компоновочной схемы ДВС и ЭД можно формализовать, представив его как конечную последовательность необходимых работ, направленных на получение оптимального решения, т.е. в виде методики, инвариантной по отношению к типу проектируемой машины. Наиболее типичная схема динамической модели транспортной машины с колесной формулой 2x4, оборудованной КЭУ и ступенчатой механической

ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ

Н.М. Филькин, Д.К. Шакуров

http://vestnik-nauki.ru/

трансмиссией, представлена на рис. 1. Обозначения на рис. 1: 1дв1, 1дв2 -моменты инерции вращающихся деталей ДВС и ЭД; 1ред - приведенный момент инерции вращающихся деталей редуктора, соединяющего ДВС и ЭД; 1сц, 1кп, 1г - соответственно моменты инерции муфты сцепления, деталей коробки передач от первичного вала до синхронизатора включенной передачи и участка трансмиссии от синхронизатора включенной передачи до ведущих колес

,.1 2

транспортной машины с учетом момента инерции ее поступательного движения; Мдви Мдв

- текущие крутящие моменты ДВС и ЭД; А1, Л2, Стр1, Стр2, Ктр1, Ктр2 - суммарные зазоры, коэффициенты угловой жесткости и демпфирования изображенных на рис. 1 участков

трансмиссии; Л{

су

Л

су

Ссу1, Ссу2, Ксу1, Ксу2 -суммарные зазоры, коэффициенты угловой

жесткости и демпфирования упруго-демпфирующих участков КЭУ, соединяющих двигатели с выходным валом согласующего редуктора.

Предлагаемая методика расчета и оптимизации конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ включает в себя последовательность выполнения следующих работ.

дв1

Рисунок 1 - Структурная схема транспортной машины с колесной формулой 2x4, оборудованной комбинированной энергетической установкой

2

1. Разработка математической модели работы машины, оборудованной КЭСУ.

При разработке математических моделей движения транспортных машин, например, при помощи уравнения Лагранжа второго рода, энергетическую установку предлагается рассматривать отдельно от всех других агрегатов машины, т.е. машину схематично можно представить как комбинацию ее двух частей - энергетической установки и всех других составляющих машины (назовем их механической частью машины), которые соединены между собой некоторой активной силовой связью Г(ф ,ф , ф ), где фм - угол поворота

м м м

вращающихся деталей выходного вала КЭУ (рис. 2). Силовое взаимодействие между этими двумя частями машины осуществляется, как правило, между выходными элементами энергетической установки и входными элементами механической части (ведомые детали муфты сцепления, входной вал, ведущие колеса и т.п.). Силовая связь может иметь сложный характер и представлять собой сумму крутящих моментов, зависящих как от обобщенных координат соединяемых элементов (например, позиционные силы - сила упругости), так и от их скоростей (например, силы сопротивления - сила демпфирования, трения и т.п.) и ускорений (это силы инерции).

http://vestnik-nauki.ru/

Механическая

часть машины

Рисунок 2 - Блочно-связевая структура транспортной машины

Такого типа схематическое разделение транспортной машины на две ее части -энергетическая установка и механическая часть машины - позволяет, при создании математического и программного обеспечения для проводимых исследований транспортной машины, раздельно разрабатывать математические модели (системы дифференциальных уравнений) различных режимов работы транспортной машины для указанных ее составляющих частей, т.е. вести работы параллельно во времени. Это необходимо проводить, когда особенности конструкции одной из частей транспортной машины еще не определены или при поисковом проектировании, когда для разработанной конструкции и соответствующей ей математической модели трансмиссии выполняется перебор различных типов конструкций и, следовательно, различных соответствующих им математических моделей энергетических установок. В этом случае система дифференциальных уравнений, описывающая работу транспортной машины в целом, является суммой дифференциальных уравнений энергетической установки и системы уравнений, которая описывает работу механической части машины, с учетом силовой связи Г(ф ,ф , ф ) между обобщенными

м м м

координатами соединяемых элементов. Например, силовая связь между обобщенными координатами может быть равна моменту трения в муфте сцепления, соединяющего обе части машины.

Блочно-связевый подход позволяет формализовать процесс разработки математических моделей машин, а в перспективе - позволяет автоматизировать разработку математических моделей с помощью специализированного программного обеспечения, предназначенного для виртуального моделирования сложных машин и механизмов, например, с помощью МЗСАОАМБ.

Отметим, что сложность математической модели работы машины, оборудованной КЭСУ, во многом определяется типом редуктора, согласующего работу ДВС и ЭД. В качестве примера разработки математических моделей можно привести следующие работы [1, 2].

2. Обоснование множества критериев оптимальности КЭУ и трансмиссии.

Применение КЭСУ в конструкциях машин позволяет значительно улучшать топливную экономичность и производительность (для транспортных средств тягово-скоростные свойства) машин. Поэтому в качестве частных критериев оптимальности берутся показатели перечисленных выше эксплуатационных свойств машины, которые используются для поиска оптимальных (наиболее эффективных) конструктивных решений. Состав и количество частных критериев оптимальности во многом определяется типом проектируемой машины. Например, в настоящее время в методике оптимизации конструктивных параметров и характеристик КЭСУ для транспортной машины используется 25 частных критерия оптимальности топливно-скоростных свойств: расходы топлива соответственно в городском и магистральном ездовых циклах в соответствии с ГОСТ 2030685, в европейском городском ездовом цикле, при установившихся скоростях движения машины; время разгона с места до заданных скоростей движения, а также на заданных участках пути разгона; максимальные преодолеваемые подъемы; максимально скорость движения на горизонтальном участке пути и другие [3]. Количество частных критериев

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Том.1, №1

желательно иметь как можно больше, что позволяет с большей достоверностью судить как о положительных сторонах проектируемой КЭСУ, так и о ее недостатках.

3. Анализ априорной информации для обоснования ограничений при решении оптимизационных задач.

Известно, что частные критерии топливной экономичности и тягово-скоростных свойств транспортных машин, как правило, противоречат один другому, например, уменьшая время разгона до заданной скорости (улучшая динамику разгона машины), мы ухудшаем некоторые частные критерии топливной экономичности. Применение метода поиска множества точек оптимальных по Парето для выбора приемлемого решения затруднительно, т.к. некоторые частные критерии строго противоречивы, т.е. в этом случае множеством точек оптимальных по Парето будет все множество допустимых решений, определяемое введенными ограничениями на оптимизируемые параметры и характеристики и ограничениями на некоторый частные критерии оптимальности.

Предлагается следующий выход из создавшегося положения. На начальном этапе проводится обоснование характеристик ДВС и ЭД для получения у транспортной машины приемлемых показателей топливно-скоростных свойств. Далее рассчитываются оптимальные конструктивные параметры трансмиссии (количество ступеней, передаточные числа необходимых редукторов и коробки передач). В качестве критерия оптимальности предлагается брать обобщенный критерий оптимальности топливной экономичности, который представляет собой сумму частных критериев топливной экономичности, с учетом их весовых коэффициентов. Весовые коэффициенты важности частных критериев оптимальности определяются методом экспертных оценок. При этом вводятся наихудшие, но еще приемлемые значения частных критериев тягово-скоростных свойств машины (критериальные ограничения).

При решении задачи улучшения динамических свойств транспортной машины в качестве обобщенного критерия оптимальности берут сумму нормированных частных критериев оптимальности тягово-скоростных свойств с весовыми коэффициентами важности. При необходимости задаются ограничения на оптимизируемые параметры и характеристики КЭСУ, а также на какие-либо частные критерии оптимальности.

Выбрав на основе априорной информации в зависимости от постановки задачи оптимизации конструктивных параметров трансмиссии обобщенный критерий оптимальности или построив его с помощью метода экспертных оценок, мы тем самым задачу многокритериальной оптимизации сводим к обычной задаче многомерной оптимизации с ограничениями. В качестве целевой функции берется обобщенный критерий оптимальности, который рассматривается как нелинейная функция конструктивных параметров трансмиссии машины. При этом другие конструктивные параметры машины, внешняя скоростная и нагрузочные характеристики энергетической установки считаются неизменными. Рассматриваемый подход к поиску оптимальных конструктивных параметров реализован в разработанной методике оптимизации передаточных чисел автомобиля, рассмотренной в [4, 5].

4. Разработка программных средства расчета тягово-скоростных свойств и экономичности (частных критериев) машины с КЭСУ.

Рассматриваемая методика расчета и оптимизации конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ может быть реализована только при помощи средств вычислительной техники. Поэтому важным этапом является разработка комплекса программных средств моделирования движения машины для проведения расчета топливно-скоростных показателей машины, т.е. частных критериев оптимальности. Такие программные средства реализованы на ПЭВМ и позволяют проводить как поиск оптимальных конструктивных параметров, так и исследования влияния различных конструктивных и мощностных параметров и характеристик на топливно-скоростные свойства машины [6].

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Том.1, №1

5. Реализация на ПЭВМ метода поиска оптимального решения.

В настоящее время применяют различные численные методы поиска экстремумов функций. Математические методы поиска экстремумов сложных нелинейных функций, как правило, относятся к методам безусловной оптимизации, т. е. эти методы проводят поиск экстремума нелинейной функции без ограничений на независимые переменные. Поэтому предлагается применить метод безусловной оптимизации в сочетании с методом штрафных функций, который позволяет задачу с ограничениями свести к задаче без ограничений и проводить поиск оптимального решения методами безусловной оптимизации.

Проблема поиска оптимального решения при проектировании КЭСУ относится к задачам нелинейного программирования, т. к. критерии оптимальности представляют собой нелинейные функции относительно оптимизируемых конструктивных и мощностных параметров и характеристик КЭСУ.

При решении практических задач исследования и проектирования КЭСУ на практике было опробовано три метода нелинейного программирования: наискорейший и покоординатный спуски и квазиньютоновский. Проведенные сравнительные исследования этих трех методов поиска оптимального решения показали, что наиболее эффективным методом является метод наискорейшего спуска. При этом эффективность метода оптимизации следует оценивать не количеством итераций, за которое найдено оптимальное решение, а количеством обращений к расчету минимизируемой функции при поиске оптимального решения.

6. Расчет внешней скоростной характеристики ДВС.

В параллельной компоновочной схеме ДВС и ЭД используют преимущества каждого двигателя, чтобы уменьшить влияние недостатков другого. ДВС не обеспечивает машине высокие показатели динамических свойств, но позволяет двигаться машине с высокими скоростями. Высокие вращающие моменты ЭД на малых частотах вращения вала позволяют компенсировать этот недостаток ДВС. При разгоне дополнительную энергию можно получать и передавать на ЭД от накопителя энергии, а продолжать движение после разгона с квазиустановившимися скоростями только на ДВС. Это позволяет использовать в составе КЭСУ экономичные менее мощные и материалоемкие ДВС и ЭД для получения хорошей динамики разгона машины. В связи с этим расчет внешней скоростной характеристики должен базироваться на обеспечении приемлемых тягово-скоростных свойств при работе КЭУ на высоких частотах вращения выходного вала.

7. Расчет внешней скоростной характеристики ЭД.

От ЭД должен поступать крутящий момент на движитель при динамичном разгоне и движении машины в тяжелых дорожных условиях. Основным тяговым двигателем КЭУ машины является ДВС. Следовательно, расчет внешней скоростной характеристики ЭД базируется на расчетной внешней характеристике ДВС и на выполнении требований, предъявляемых к показателям тягово-скоростных свойств машины при работе КЭУ на малых и средних частотах вращения ее выходного вала. Обоснование данного подхода к выбору мощностных характеристик ДВС и ЭД проведено в работах [7, 8].

8. Проведение предварительных расчетных исследований по обоснованию логики управления КЭУ для реализации ее в электронном блоке управления.

Согласованная работа обоих двигателей энергетической установки при передаче крутящих моментов к движителю должна осуществляться за счет электронного блока управления, моделирующего реальные условия движения машины. В настоящее время разработан и реализован в опытных образцах гибридных легковых автомобилей алгоритм, моделирующий следующие характерные режимы работы [7, 8]:

- запуск ДВС и его работа на холостом ходу;

- трогание транспортной машины с места и ее разгон;

- движение машины на подъем или при встречном ветре, а также при других условиях, когда создается дополнительная сила сопротивления движению;

http://vestnik-nauki.ru/

2015, Том.1, №1

- движение в условиях, уменьшающих суммарную силу сопротивления, например, движение на спуске, при попутном ветре и т.п.;

- движение без подвода вращающего момента к ведущим колесам (движение накатом;

- тормозной режим движения (подвод к колесам тормозных сил).

9. Предварительный расчет количества ступеней и передаточных чисел трансмиссии.

Внешняя скоростная характеристика КЭУ существенно отличается от внешней скоростной характеристики ДВС. Это является следствием высоких вращающих моментов ЭД на малых частотах вращения его вала, которые убывают при увеличении частоты вращения вала ЭД. Такое изменение вращающего момента существенно осложняет выбор и обоснование оптимальных (наиболее рациональных) передаточных чисел редукторов и количества ступеней трансмиссии. Однако в целом расчет базируется на анализе влияния количества ступеней и передаточных чисел трансмиссии на показатели тягово-скоростных свойств и экономичности движения, что подробно рассмотрено в работах [3, 4, 5, 9].

10. Разработать и изготовить ДВС и ЭД с учетом их расчетных внешних скоростных характеристик.

Следует отметить, что возможен выбор ДВС и ЭД из уже изготавливаемых в настоящее время с характеристиками, близкими к расчетным, как это сделано при создании экспериментальных образцов гибридных легковых автомобилей [7, 8].

11. Экспериментальное исследование ДВС с целью построения многопараметрового семейства его нагрузочных характеристик.

Семейство нагрузочных характеристик определяется при испытаниях ДВС на тормозном стенде. В дальнейшем эти нагрузочные характеристики используются для проведения окончательных расчетных исследований по определению оптимальных конструктивных параметров механической трансмиссии, а также для оценки ожидаемых значений показателей топливной экономичности и тягово-скоростных свойств и доводки электронного блока управления ЭД.

12. Разработка электронного блока управления ЭД.

Настоящий этап включает в себя физическое создание электронного блока с учетом описанного алгоритма согласования работы ДВС и ЭД в различных режимах работы машины. Этот этап является наиболее трудоемким, требующим большого количества как расчетных, так и экспериментальных исследований. От алгоритма, заложенного в электронный блока ЭД, во многом зависит эффективность применения КЭСУ в составе транспортной машины.

13. Построение семейства нагрузочных характеристик ЭД.

Семейство нагрузочных характеристик является результатом управляющих воздействий электронного блока на работу ЭД в зависимости от нагрузочных и скоростных режимов работы машины. На данном этапе проводится окончательная доводка системы управления с учетом уже известных характеристик ДВС и ЭД.

14. Окончательный расчет оптимальных параметров трансмиссии.

Проводится анализ рассчитанных ранее конструктивных параметров механической

трансмиссии с учетом реально разработанной КЭУ и программы управления, реализованной в электронном блоке. При необходимости корректируются конструктивные параметры и рассчитываются топливно-скоростные показатели, которые будут получены в процессе дорожных испытаний машины, оборудованной КЭСУ.

В заключении отметим, что изложенный подход к оптимизации (к расчету и обоснованию) параметров и характеристик позволяет:

- научно-обоснованно подойти к расчету и обоснованию конструктивных параметров и характеристик КЭУ и ДВС для их работы в составе КЭСУ;

- уменьшить временные и материальные затраты на разрабатываемую КЭСУ путем применения предлагаемой методики оптимизации на ранней стадии проектирования КЭСУ;

Вестник науки и образования Северо-Запада России

http://vestnik-nauki.ru/ -------

""^ --2015, Том.1, №1

- провести разработку системы управления работой ЭД в составе КЭСУ на основе частных критериев топливной экономичности и тягово-скоростных свойств;

- исключить ошибочные решения в выборе базовых параметров КЭСУ и при создании ее конструкции для заданной транспортной машины, что повышает эффективность работы КЭСУ в составе колесной машины.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Разработка научных основ создания легкового автомобиля с гибридной энергосиловой установкой: заключительный отчет о научно-исследовательской работе, выполненной в соответствии с подпрограммой «Транспорт» научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»: Номер гос. рег. НИР: ВНТИЦ 01.200.2 04988 / Ижевский государственный технический университет; Руководитель работы В. А. Умняшкин. Ижевск: ИжГТУ, 2002. 213 с.

2. Имангулов А.Р., Филькин Н.М. Математическое моделирование динамики трансмиссии гибридного автомобиля параллельной компоновочной схемы // Интеллектуальные системы в производстве. Ижевск: ИжГТУ, 2013. Вып. 1 (21). С. 73-75.

3. Филькин Н.М. Оптимизация передаточных чисел и количества ступеней трансмиссии легкового автомобиля: дисс. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1990. 193 с.

4. Умняшкин В. А., Филькин Н.М. Оптимизация передаточных чисел ступенчатых механических трансмиссий машин // Теория и практика зубчатых передач: Труды Межд. конф. TPG'98. Ижевск: ИжГТУ, 1998. С. 349-354.

5. Кондрашкин А.С., Умняшкин В.А., Филькин Н.М. Методика расчета передаточных чисел трансмиссии легкового автомобиля // Автомобильная промышленность, 1986. № 2. С. 16-17.

6. Разработка методик структурной и параметрической оптимизации комбинированных (гибридных) энергосиловых установок транспортных средств № 2.1.2/10326: заключительный отчет (6-ый этап) о научно-исследовательской работе, выполненной в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы) на 2011 год». Номер гос. рег. НИР: ВНТИЦ, 01.2.00 901933 / Ижевский государственный технический университет; Руководитель работы Н.М. Филькин. Ижевск: ИжГТУ, 2011. 88 с.

7. Кондрашкин А.С., Филькин Н.М., Мезрин В.Г. Комбинированная силовая установка для электромобиля // Автомобильная промышленность, 1996. № 4. С. 9-10.

8. Кондрашкин А.С., Филькин Н.М., Ардашев В.М., Мезрин В.Г., Сальников В.Ю. «Иж» с комбинированной силовой установкой // Автомобильная промышленность, 1997. № 11. С. 7-9.

9. Кондрашкин А.С., Умняшкин В.А., Филькин Н.М. Оптимизация числа ступеней трансмиссии легкового автомобиля // Автомобильная промышленность, 1987. № 12. С. 16-17.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Филькин Николай Михайлович

ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова», г. Ижевск, Россия, доктор технических наук, профессор кафедры автомобили и металлообрабатывающее оборудование, действительный член Российской академии Транспорта, действительный член Российской академии естественных наук.

E-mail: fnm@istu.ru.

http://vestnik-nauki.ru/

Fil'kin Nikolay Mikhaylovich FSEI HPE «Izhevsk state technical University named after M. T. Kalashnikov», Izhevsk, Russia, doctor of technical Sciences, Professor of chair of automobiles and metal-working machinery, member of the Russian Academy of Transport, member of the Russian Academy of natural Sciences.

E-mail: fnm@istu.ru.

Шакуров Дилюс Кавеевич ФГБОУ ВПО «Набережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета», г. Набережные Челны, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры эксплуатации автомобильного транспорта. E-mail: amo@istu.ru.

Shakurov Dilyus Kaveevich FSEI HPE «Naberezhnye Chelny Institute (branch) of Kazan (Volga region) Federal University», Naberezhnye Chelny, Russia, candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department of road transport exploitation. E-mail: amo@istu.ru.

Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.7, корпус 4, кааб. 501, Филькин Н.М.,

тел. 8-912-448-17-01.