2.18. Тяговый расчет автомобиля

Тяговый расчет автомобиля проводят для определения характеристик двигателя и трансмиссии с целью обеспечения требуемых тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля в заданных условиях эксплуатации. Тяговые расчеты выполняются при проектировании нового или модернизации существующего автомобиля. Исходные данные для тягового расчета указывают в техническом задании, включающие: тип автомобиля; условия эксплуатации; грузоподъемность или пассажировместимость; максимальная скорость; максимальный преодолеваемый подъем; коэффициент полезного действия, компоновочные параметры и другие характеристики трансмиссии; колесная формула; весовые и геометрические параметры; размеры и основные показатели шин; фактор или коэффициент обтекаемости.

Тяговый расчет автомобиля проводится в следующей последовательности: определяют полную массу, коэффициент грузоподъемности и сцепного веса, распределение веса по осям, вычисляют максимальную мощность и выбирают двигатель. На основе кинематического расчета выбирают параметры трансмиссии. По индексу грузоподъемности выбирают шины и другие и другие параметры ходовой части.

Полную массу автомобиля М_a определяют по формулам:

- для пассажирского автомобиля

М_a=М₀+75(z+1)+М_б;

- для грузового автомобиля

М_a=М₀+М_г+75(z+1)+М_б,

где М₀ и М_г - снаряженная масса автомобиля и груза, z - количество мест для пассажиров; М_б - масса багажа, для грузового автомобиля принимают 5 кг, а для пассажирского – 10 - 15 кг на каждого человека.

Если задана грузоподъемность грузового автомобиля, его полную массу можно найти по статистическим данным (из справочной литературы) исходя из коэффициента грузоподъемности К_гр: . В частности, у седельных автопоездов полной массой выше 20 т К_гр составляет 0,7-0,8, у одиночных автомобилей и самосвалов полной массой 8 - 15 т он не превышает 0,5 - 0,6.

Шины выбирают по максимальной нагрузке на колесо с учетом скорости движения. Вначале определяется нагрузка на оси автомобиля, исходя из того, что осевые нагрузки на ведущие колеса (оси) автомобиля рассчитываются с учетом коэффициента сцепного веса

,

где G₂ и G_а – осевая нагрузка на ведущие мости и полный вес автомобиля соответственно. Чаще всего вес, приходящийся на ведущий мост, колеса которого имеет сдвоенные шины, принимают К_сц = 0,67-0,7, у автопоездов он не превышает 0,25 0,3. Очевидно, что с увеличением коэффициента сцепного веса проходимость автомобиля улучшается.

Если учесть, что на управляемом мосту установлены одинарные колеса, тогда нагрузка на управляемое колесо равна

,

где М₁ – масса, приходящаяся на колеса переднего моста.

Нагрузка на заднее колесо автомобилей зависит от колесной формулы, назначения, грузоподъемности, в частности:

- легковых, колесных формул 4x2, 4х4, она равна ;

- грузовых, колесных формул 4х2, 4х4 и со сдвоенными колесами заднего моста, определяется по формуле - ;

- грузовых, колесных формул 6x4, 6х6 и со сдвоенными колесами среднего и заднего мостов, равна .

По максимальной нагрузке на колесо и с учетом максимальной скорости движения по справочной литературе выбирается шина. Вычисляется статический радиус колеса r_ст, принимается r_ст r_д r_к. В дальнейших расчетах для удобства будем использовать понятие радиус колеса r_к, считая, что при определении параметров динамики автомобиля (сила, момент) он соответсвтует динамическому радиусу r_д, а параметров кинематики (путь, скорость, ускорение)- будем оценивать по радиусу качения колеса r_к.

Максимальная скорость современных грузовых автомобилей в зависимости от грузоподъемности и удельной мощности двигателя и находиться в пределах 100-130 км/. У легковых автомобилей в зависимости от класса и удельной мощности двигателя она может быть в интервале 140 - 240 км/ч.

Мощность двигателя определяют из условия, что груженый автомобиль на горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием будет двигаться с максимальной скоростью V_max. В этом случае мощность двигателя расходуется на преодоление сопротивления качению и воздуха и определяется по формуле

,кВт (2.69)

где N_e - мощность двигателя, что обеспечивает максимальную скорость движения V_max; N_f – мощность, затрачиваемая на преодоления сопротивления качению автомобиля на горизонтальной дороге при максимальной скорости движения, Nв - мощность сопротивления воздуха при максимальной скорости движения автомобиля.

По рассчитанной мощности N_ev, обеспечивающей максимальную скорость движения автомобиля, для улучшения его динамических свойств определяется окончательно максимальная мощность двигателя.

Если двигатель дизельный или карбюраторный с ограничителем максимальных оборотов, то его максимальную мощность принимают

N_{e max}=(1,1...1,25)N_ev.

По рассчитанной мощности N_{e max} с учетом колесной формулы и прототипа автомобиля выбирается из справочной литературы двигатель..

Внешнюю характеристику двигателя рассчитывают, как было показано выше, по эмпирическим зависимостям следующего вида:

;

; , г/кВт.ч,

где  _e- текущее значение угловой скорости коленчатого вала в рад./с ; g_N - удельный расход топлива при максимальной мощности, принимается для дизеля g_N = 200...240, для бензинового двигателя - 270...320 г/кВт ч.

Для получения текущих значений мощности, момента и удельного расхода топлива, угловую скорость двигателя от _{е min} до _{e max} разбивают на 6…8 равных интервалов. Минимальную угловую скорость двигателя _{е min} принимают по прототипу или в пределах 70….90 рад./c.

Коэффициент K_, учитывающий изменение расхода топлива от угловой скорости коленчатого вала, рассчитывают по формуле:

,

где a_ ,b_ ,c_ - коэффициенты, которые рекомендуется принимать для двигателей внутреннего сгорания (a_ = 1,26; b_ = 0,85; c_ =

= 0,59).

По результатам расчетных данных строится внешняя скоростная характеристика двигателя

Кинематические параметры трансмиссии определяются в следующей последовательности:

- принимается передаточное число высшей передачи коробки передач i_в ;

- определяется передаточное число главной передачи i_о;

- определяется передаточное число первой передачи коробки передач i₁;

- определяется диапазон коробки, а по нему со справочной литературы определяется количество передач коробки;

- рассчитываются передаточные числа промежуточных передач коробки.

Передаточное число высшей передачи коробки передач принимают по базовому автомобилю или учитывая следующее:

- для грузовых автомобилей с карбюраторными двигателями высшая передача прямая i_в = 1, а для таких же автомобилей с дизелями - i_в = 0,72...1. Если на дизеле установлена дополнительная коробка (делитель или демультипликатор); тогда i_в = 0,71…0,82; - для легковых автомобилей заднеприводных i_в = 1...0,82, а переднеприводных высшая передача ускоряющая и i_в 0,73...0,95; у городских и пригородных автобусов i _в = 1, междугородных - i_в = 0,72...0,78.

Передаточное число главной передачи определяют из условия: обеспечить заданную максимальную скорость движения V_max автомобиля при максимальной угловой скорости коленчатого вала и высших передачах коробки передач и раздаточной коробки. В этом случае максимальная скорость движения автомобиля запишется

.

Отсюда . (2.70)

Передаточное число первой передачи i₁ коробки передач определяют, исходя из выполнения двух условий:

• преодоление автомобилем заданного максимального подъема или максимального коэффициента сопротивления дороги _max;

• обеспечение минимальной скорости движения автомобиля V_min 1…1,4 м/с для подъезда к погрузке и разгрузке.

Первое условие будет выполняться, если

Р_{к max} = Р_{ max},

где Р_{k max}- максимальная окружная сила на ведущих колесах автомобиля, которая определяется

,

где М_{e max}- максимальный крутящий момент двигателя, который берется из его внешней скоростной характеристики ; i_рн- низшая передача раздаточной коробки, принимается по прототипу или в пределах 1,31...2,28; Р_{ max}- максимальная сила сопротивления движению.

При малых скоростях автомобиля можно допустить, что она равна силе сопротивления дороги:

.

После подстановки и преобразований получим передаточное число первой передачи, исходя из выполнения первого условия:

. (2.71)

Второе условие запишется следующим образом

.

Отсюда , (2.72)

где _{e min} = 70 …90 рад/с- минимальная угловая скорость коленчатого вала.

Из рассчитанных по формулам (2.71) и (2.72) значений передаточного числа первой передачи принимается большее из них.

Количество передач в коробке принимается по прототипу или вначале рассчитывается диапазон Д_к, равный отношению передаточных чисел крайних передач коробки - . По табл. 2.4 определяется число ступеней коробки передач n.

Таблица 2.4

Зависимость число ступеней коробки передач от диапазона передаточных чисел

Дк	3,5 -4,5	5,7...8,5	7,9...9,4	8...10	9,2...18,5
Число ступеней n	4, 5	5	6	8	10

Для расчета промежуточных передач коробки существуют две принципиальные концепции:

- получение минимального времени и пути разгона до максимальной скорости; - обеспечение минимального расхода топлива. Ниже рассмотрено определение передаточных чисел, исходя из первой концепции, в основу которой положено наиболее полное использование мощности двигателя. Примем следующие допущения: переключение передач производится в неизменном диапазоне частот вращения коленчатого вала в интервале n₁ - n₂; падение скорости при переключении передач отсутствует. Тогда скорость автомобиля при n ₂ на предыдущей передачи равняется его скорости на последующей передаче при n₁ , т.е. V_1max= V_2min, V_2max= V_3min (рис. 2.17.) и т.д.