Wyznaczanie współczynników symulacji oporów ruchu w badaniach na hamowni podwoziowej

Transkrypt

1 JAWORSKI Artur KUSZEWSKI Hubert USTRZYCKI Adam 1 Wyznaczanie współczynników symulacji oporów ruchu w badaniach na hamowni podwoziowej WSTĘP W Katedrze Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Rzeszowskiej realizowane są badania wskaźników energetycznych i ekologicznych silników spalinowych samochodów na hamowni podwoziowej firmy AVL-Zoellner, która jest zabudowana w komorze klimatycznej (rysunek 1). Podstawowe dane techniczne hamowni zawarto w tabeli 1. Realizacja badań na hamowni podwoziowej wiąże się z koniecznością określenia wielkości umożliwiających wyznaczenie działających na samochód sił oporów ruchu. Wartości tych sił powinny być maksymalnie zbliżone do ich wartości występujących podczas jazdy na rzeczywistej drodze. W zależności od wprowadzonych współczynników modelu oporu ruchu podczas badań hamownianych uzyskuje się wyniki, które mogą być zaniżone lub zawyżone w relacji do badań przeprowadzanych w warunkach drogowych. Stanowi to zasadniczy problem, na który zwrócono uwagę w niniejszym artykule. Rys. 1. Widok samochodu na stanowisku hamowni podwoziowej z wentylatorem chłodzącym umieszczonym przed samochodem 1 Dr inż. Artur Jaworski, dr inż. Hubert Kuszewski, dr inż. Adam Ustrzycki Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Silników Spalinowych i Transportu; Rzeszów; Al. Powstańców Warszawy

2 Tab. 1. Podstawowe dane techniczne hamowni podwoziowej AVL [4] Nazwa parametru Wartość Wymiary (Długość/Szerokość/Wysokość) 3600 mm / 1600 mm / 1300 mm Średnica rolki 119, mm Masa rolki 765 kg Moc nominalna 153 kw Moc chwilowa 58 kw Prędkość maksymalna 00 km/h Masa symulowana 454 kg 7 kg Maksymalna siła napędowa ciągła 5987 N Maksymalna siła napędowa chwilowa N Błąd pomiaru siły napędowej 0,1 % Błąd pomiaru prędkości 0,0 km/h Błąd pomiaru drogi 0,001 %/m Maksymalne obciążenie osi 000 kg 1. METODY WYZNACZANIA OPORÓW RUCHU 1.1. Metody drogowe Drogowe metody wyznaczania oporów ruchu, obejmujące opory toczenia i powietrza, mogą być realizowane poprzez próby wybiegu lub pomiary momentu obrotowego na kołach napędowych przy jeździe ze stałą prędkością. Badania drogowe realizowane są zgodnie z wymaganiami zawartymi w Regulaminie nr 83 [7]. Zasadnicze warunki przeprowadzenia prób są następujące: droga musi być sucha, płaska (kąt nachylenia musi być stały w zakresie ±0,1% i nie może przekraczać 1,5%) oraz wystarczająco długa w celu umożliwienia wykonania pomiarów, badanie musi być ograniczone do średnich prędkości wiatru nie przekraczających 3 m/s, z wartościami szczytowymi mniejszymi niż 5 m/s; dodatkowo składnik wektora prędkości wiatru w poprzek drogi musi być mniejszy niż m/s, gęstość powietrza w czasie badania nie może różnić się o więcej niż ±7,5% od warunków odniesienia, tj. p = 100 kpa oraz T = 93, K, pomiar czasu musi być realizowany w granicach błędu nieprzekraczających ±0,1 sekundy, natomiast prędkość powinna być mierzona w granicach błędu nieprzekraczających ±%. Do wyznaczania oporów ruchu najczęściej wykorzystywane są próby wybiegu. Pojazd jest rozpędzany do prędkości o 10 km/h większej od wybranej prędkości badania V, skrzynia biegów jest ustawiana w pozycji neutralnej i mierzony jest czas zmniejszania prędkości pojazdu od wartości V do V1, określonych wzorami [7]: V V V; V1 V V (1) Badania prowadzone są przy jeździe w dwóch kierunkach, podczas których uzyskuje się wartości czasów wybiegu T1 i T, a jako wynik przyjmuje się średnią wartość czasu T. Następnie wyznacza się moc oporów z równania [7]: M V V P () P moc oporów [kw], V prędkość badania [m/s], V odchylenie od prędkości V [m/s], M masa odniesienia [kg], T średni czas wybiegu [s]. 500 T Moc oporów (P) ustaloną na drodze koryguje się do warunków odniesienia otoczenia z zależności [7]: 3847

3 P skorygowana K P mierzona RR R 0 (3) AERO K 1 K R t t0 RT RT R R opór toczenia przy prędkości V, R AERO opór aerodynamiczny przy prędkości V, R T opór całkowity przy prędkości V (R T = R R + R AERO ), K R współczynnik korygujący temperatury dla oporu toczenia, przyjęty jako równy 8, / C, lub zatwierdzony współczynnik korygujący producenta pojazdu, t temperatura otoczenia podczas badania drogowego w C, t 0 temperatura odniesienia otoczenia (0 C), gęstość powietrza w warunkach badania, 0 gęstość powietrza w warunkach odniesienia. Wartości stosunków oporów R R /R T i R AERO /R T podawane są przez producenta pojazdu. Jeżeli nie są one dostępne, z zastrzeżeniem zgody producenta, można użyć danych dotyczących stosunku oporów toczenia do całkowitego oporu przy stałej prędkości, ze wzoru: R R a M b (4) R T a, b współczynniki określone w tabeli, M masa pojazdu w kg. Tab.. Wartości współczynników równania (4) [7] V [km/h] a Współczynniki 0 7, ,8 40 1, , , , , , , , , ,14 Jak wspomniano, do wyznaczenia oporów ruchu można także zastosować metodę pomiaru momentu obrotowego przy jeździe za stałą prędkością. W tym przypadku należy dysponować urządzeniem do pomiaru momentu obrotowego, które musi zapewniać dokładność ± %. Podczas badania pojazd jest rozpędzany do wybranej ustabilizowanej prędkości V i rejestrowana jest wartość momentu obrotowego C oraz prędkości w okresie co najmniej 0 s. Dokładność systemu zapisu danych powinna wynosić co najmniej ±1 Nm w odniesieniu do momentu obrotowego oraz ± 0, km/h w odniesieniu do prędkości. Zależne od czasu różnice momentu obrotowego C oraz prędkości nie mogą przekraczać 5% dla każdej sekundy czasu pomiaru. Moment obrotowy C t jest średnim momentem obrotowym uzyskanym z wzoru [7]: C t t t b C t dt (5) Badanie wykonywane jest trzykrotnie w obu kierunkach. Jako wynik przyjmuje się średni moment obrotowy z sześciu pomiarów dla prędkości odniesienia. Jeżeli prędkość średnia wykazuje odchylenie większe niż 1 km/h od prędkości odniesienia, do obliczeń średniego momentu obrotowego używa się metody regresji liniowej. Ustalony na torze średni moment obrotowy C T koryguje się do warunków odniesienia otoczenia zgodnie z wzorem [7]: t 3848

4 C K (6) Tskoryg C T K współczynnik korekcji wyznaczony według równania (3). Badania drogowe umożliwiają także wyznaczenie współczynników oporów ruchu poprzez próby wybiegu. Dla prób wybiegu realizowanych od niskiej prędkości początkowej (ok. 10 km/h), pomijając opory powietrza ze względu na małą prędkość początkową wybiegu, współczynnik oporu toczenia można obliczyć z równania []: a a ft I p I t (7) g G rt f t współczynnik oporu toczenia, a średnie opóźnienie wybiegu [m/s ], g przyśpieszenie ziemskie [m/s ], G ciężar pojazdu [N], r t promień toczny koła [m], I p moment bezwładności kół przednich i elementów z nimi związanych zredukowany na oś koła jezdnego [kg m ], I t moment bezwładności kół tylnych i elementów z nimi związanych zredukowany na oś koła jezdnego [kg m ]. Wykonując następnie próbę wybiegu, która rozpoczyna się od wyższej prędkości, można wyznaczyć współczynnik oporu powietrza c x ze wzoru [3]: ms g a w ft c x (8) A v g f t współczynnik oporu toczenia, δ współczynnik mas wirujących, m s masa pojazdu [kg], g przyśpieszenie ziemskie [m/s ], A powierzchnia czołowa pojazdu [m ], ρ gęstość powietrza [kg/m 3 ], v średnia prędkość jazdy [m/s], a w średnie opóźnienie wybiegu [m/s ]. 1.. Metoda alternatywna Przy braku możliwości przeprowadzenia badań drogowych, wartości współczynników oporów ruchu określa się na podstawie alternatywnej procedury badania przedstawionej w Regulaminie ECE R83 [7]. Siła oporów wytwarzana przez hamownię wyznaczana jest z zależności: F a' b' V 0,1 F80 (9) F obciążenie całkowite pochłaniane przez hamownię podwoziową [N], a wartość równoważna z oporem toczenia [N], b wartość równoważna z czynnikiem siły oporu powietrza [N/(km/h) ], V prędkość [km/h], F 80 obciążenie przy prędkości 80 km/h [N]. Współczynniki równania (9) dobierane są z tabeli 3, w zależności od wartości masy odniesienia pojazdu, przy czym masa odniesienia oznacza masę własną pojazdu powiększoną na potrzeby badania o standardową wartość 100 kg. W przypadku pojazdów innych niż samochody osobowe, 3849

5 posiadających masę odniesienia powyżej 1700 kg, lub pojazdów ze stałym napędem na wszystkie koła, wartości mocy podane w tabeli 3 mnoży się przez współczynnik 1,3. Tab. 3. Wartości współczynników równania (9) [7] Masa odniesienia pojazdu RW Bezwładność równoważna Moc i obciążenie pochłaniane przez dynamometr przy 80 km/h Współczynniki oporów kg kg kw N a [N] b [N/(km/h)] RW , ,8 0, < RW , , 0, < RW , ,4 0, < RW ,5 03 4,6 0, < RW ,7 1 4,8 0, < RW ,9 1 5,0 0, < RW ,1 30 5, 0, < RW ,6 5 5,7 0, < RW ,0 70 6,1 0, < RW ,3 84 6,4 0, < RW ,7 30 6,8 0, < RW , ,1 0, < RW ,3 39 7,4 0, < RW , ,6 0, < RW , ,9 0, < RW , , 0, < RW , ,5 0, < RW , ,7 0, < RW , ,9 0, < RW , ,1 0, < RW ,4 43 9,5 0, < RW 70 9, ,9 0,0674. BADANIA DROGOWE WSPÓŁCZYNNIKÓW OPORÓW RUCHU W celu wyznaczenia współczynników oporów ruchu, obejmujących opory toczenia i powietrza, dokonano pomiarów drogowych dla dwóch samochodów osobowych. Badania realizowano przy użyciu systemu pomiarowego z czujnikiem optoelektronicznym DLS- firmy DATRON, którego dane zestawiono w tabeli 4. Badania polegały na próbach wybiegu dokonywanych od prędkości początkowych 10 km/h, służących do wyznaczenia współczynnika oporów toczenia, a także od prędkości 10 km/h, które pozwoliły na wyznaczenie współczynników oporów powietrza. Podczas prób rejestrowano parametry ruchu samochodów t.j.: prędkość, przebytą drogę oraz czas. Przykładowe wyniki badań zawiera tabela 5. Na podstawie równań (7) oraz (8) dokonano obliczeń współczynników oporu toczenia i powietrza. Wartości obliczonych współczynników dla badanych samochodów zastawiono w tabeli

6 Tab. 4. Charakterystyka czujnika DATRON DLS- [6] Nazwa parametru Wartość Wymiary dł./szer./wys. [mm] 175/70/78 Waga [kg] 1,6 Zasilanie [V/W] 10,5 15/6 Zakres prędkości [km/h] 1 60 Sygnał wyjściowy [khz] 0 6 Warunki atmosferyczne [ C] Dopuszczalne drgania [Hz] Błąd pomiaru [%] <1% Tab. 5. Wyniki próby wybiegu samochodu w zakresie większych prędkości dla samochodu VW Golf Czujnik: DLS Nazwa: VW Golf Prędkość początkowa badania: [km/h] Prędkość końcowa badania: [km/h] Dystans [m] Prędkość [km/h] Czas [s] START , ,576 8, ,86 58, ,774 90, , , , , ,407 15, , , ,879 01, ,9 9, ,181 63, ,313 84, ,984 31, ,96 339, , , ,79 391, , , ,175 45, , , ,667 53, ,78 58, , , , , , , ,9 658, ,77 674, ,877 69, ,551 77, ,91 75, , , ,47 784, , , ,855 87, ,943 85, , , , , , , , , ,69 933, ,448 KONIEC 948, ,143 Dystans [m] Prędkość [km/h] Czas [s] Max Min 80 Średnia 100 Średnie opóźnienie a(v,t) 0,33 [m/s/s] 3851

7 Rys.. Widok samochodu badawczego z czujnikiem pomiarowym przymocowanym do drzwi Tab. 6. Wartości współczynników oporu toczenia i powietrza uzyskane na podstawie badań drogowych Badany samochód Współczynnik oporu toczenia f t Wyznaczony współczynnik oporu powietrza c x Ford Mondeo Mk3 0,01 0,3 VW Golf II 0,015 0,34 Uzyskane wyniki współczynników oporu ruchu, przedstawione w tabeli 6, są zbliżone do wartości prezentowanych w literaturze i podawanych przez producentów samochodów. Wartości współczynnika oporu powietrza c x według danych producentów badanych samochodów wynoszą: 0,31 dla samochodu Ford Mondeo i 0,34 dla samochodu VW Golf II. 3. WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKÓW SYMULACJI OPORÓW RUCHU UZYSKANYCH NA PODSTAWIE WYNIKÓW BADAŃ DROGOWYCH Współczynniki symulacji oporów ruchu mogą być wyznaczone poprzez aproksymację zależności pomiędzy siłą oporów i prędkością jazdy funkcją drugiego stopnia. Współczynniki te można wyznaczyć z wykorzystaniem metody najmniejszych kwadratów lub z wykorzystaniem funkcjonalności oprogramowania hamowni podwoziowej MMI (Man-Machine Interface) [5]. Posiadane wyniki prób drogowych, które mogą stanowić wartości czasów wybiegu lub wartości sił oporów ruchu, należy wprowadzić do programu MMI, a następnie przy użyciu funkcji: CALCULATING SIMULATION DATA FROM A ROAD MEASUREMENT v(f), uzyskuje się wartości współczynników F0, F1 i F, funkcji oporów ruchu F c o postaci [5]: Fc F0 F1 V F V (10) Widok okien programu przedstawiających przykładowe wartości wyznaczonych współczynników zaprezentowano na rysunku 3. Możliwe jest również, na podstawie współczynników oporu toczenia i powietrza, obliczenie sił oporu ruchu w funkcji prędkości jazdy. Całkowity opór ruchu po drodze poziomej wyraża wzór [1]: F F F m g f 0,047 A c V (11) F c siła oporu ruchu [N], F t siła oporu toczenia [N], F p siła oporu powietrza [N], f t współczynnik oporu toczenia, m s masa pojazdu [kg], g przyśpieszenie ziemskie [m/s ], A powierzchnia czołowa pojazdu [m ], V prędkość jazdy [km/h], c x współczynnik oporu powietrza. c t p s t x 385

8 a) b) Rys. 3. Przykładowe wartości obliczonych współczynników symulacji oporów ruchu: a) na podstawie wartości sił oporów przy danych wartościach prędkości, b) na podstawie wartości czasów zmniejszania prędkości podczas wybiegu [5] Graficzny przebieg siły oporu w funkcji prędkości jazdy dla badanych samochodów ilustruje rysunek 4. Rys. 4. Krzywe oporów ruchu w funkcji prędkości jazdy wyznaczone dla badanych samochodów Zależności sił oporu w funkcji prędkości jazdy wyrażono za pomocą równań drugiego stopnia o postaci: - dla badanego samochodu Ford Mondeo Mk3: F c 173,5 0,0311 V (1) F0=173,5; F1=0, F=0,03, - dla samochodu VW Golf : V 0,03 V (13) F c F0=156; F1= , F=0,

9 Rys. 5. Widok okna programu MMI sterującego hamownią podwoziową służącego do wprowadzania wartości współczynników symulacji oporów ruchu [5] Wyznaczone współczynniki symulacji oporów ruchu: F0, F1 i F, należy wstawić do odpowiednich komórek okna programu sterującego obciążeniem hamowni (rysunek 5). WNIOSKI Ustalenie współczynników symulacji oporów ruchu jest istotnym elementem badań realizowanych na hamowni podwoziowej. Odzwierciedlenie sił oporu powietrza i toczenia, które działają na samochód podczas jazdy na drodze, wymaga przeprowadzenia badań drogowych. Jest to szczególnie trudne w przypadku braku dysponowania odcinkiem drogi, na którym można przeprowadzić próby, szczególnie przy dużych prędkościach jazdy, a także wymaga dysponowania aparaturą badawczą do wyznaczania z wymaganą dokładnością parametrów ruchu rejestrowanych w próbie wybiegu, czy też aparaturą umożliwiającą pomiar momentu obrotowego na kołach napędowych przy jeździe ze stałą prędkością. Zasygnalizowany w artykule problem będzie w dalszych badaniach rozwijany o analizy wpływu wyznaczonych współczynników symulacji oporów ruchu różnymi metodami, na wielkość emisji zanieczyszczeń w spalinach podczas prób w europejskich testach jezdnych. Streszczenie W Katedrze Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Rzeszowskiej realizowane są badania wskaźników energetycznych i ekologicznych silników spalinowych samochodów na hamowni podwoziowej firmy AVL-Zoellner, która jest zabudowana w komorze klimatycznej. Realizacja badań na hamowni podwoziowej wiąże się z koniecznością określenia wielkości umożliwiających wyznaczenie działających na samochód sił oporów ruchu. Wartości tych sił powinny być maksymalnie zbliżone do występujących podczas jazdy na rzeczywistej drodze. W zależności od wprowadzonych współczynników modelu oporu ruchu podczas badań hamownianych uzyskuje się wyniki, które mogą być zaniżone lub zawyżone w relacji do badań przeprowadzanych w warunkach drogowych. W artykule poruszono problem dotyczący badań samochodów na hamowni podwoziowej, związany z symulacją sił oporów toczenia i powietrza. Przedstawiono zasadnicze metody wyznaczania współczynników oporu oraz przykładowe wyniki badań zrealizowanych przez autorów. Badania drogowe realizowano przy użyciu systemu pomiarowego z czujnikiem DATRON DLS-. Słowa kluczowe: hamownia podwoziowa, opory ruchu, badania drogowe Determination of coefficients of road vehicle load to simulation studies on a chassis dynamometer Abstract In Department of Internal Combustion Engines and Transport of Rzeszow University of Technology are realized tests of energy and environmental impacts of internal combustion engines of cars on the chassis dynamometer AVL-Zoellner, which is built in a climate chamber. Implementation of the chassis dynamometer testing requires the determination of the size of permitting designation of forces acting on the vehicle motion resistance. The values of these forces should be as close as possible to those found when driving on a real road. Depending on the model coefficients resistance of move during test stand investigations the results may be understated or overstated in relation to the studies in the road conditions. This paper addresses the problem of research car on a chassis dynamometer associated with the simulation of rolling resistance and aerodynamic drag. In paper presents the basic methods of determination of the resistance coefficients and some test results realized by the authors. Road tests were made with the use of a measuring system DATRON DLS-. Keywords: chassis dynamometer, motion resistance, road tests 3854

10 BIBLIOGRAFIA 1. Arczyński S.: Mechanika ruchu samochodu. WNT, Warszawa Kuczyński Z., Michalak W.: Pracownia samochodowa. WSiP, Warszawa Orzełowski S.: Eksperymentalne badania samochodów i ich zespołów. WNT, Warszawa AVL Roadsim 48" MIM X1 Car Climatic. User s Guide. AVL ZÖLLNER GmbH, Bensheim Chassis dynamometer. Operating Instructions AM. AVL ZÖLLNER GmbH, Bensheim Operating Manual, DLS. Datron-Messtechnik GmbH Europejska Komisja Gospodarcza Organizacji Narodów Zjednoczonych: Regulamin nr 83 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ) Jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów w zakresie emisji zanieczyszczeń w zależności od paliwa zasilającego silnik. Suplement nr 1 do serii poprawek 06, 011. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej. Tom 55,