2 Тяговый расчет трактора

2.1 Определение максимальной эксплуатационной массы трактора

Максимальная эксплуатационная масса трактора определяется по формуле, кг:

, (2.1)

где - номинальная сила тяги на первой рабочей передаче, Н;

- коэффициент использования массы, для колесных тракторов =0.5…

0.65;

- коэффициент нагрузки ведущих колес, =1 для колесного трактора 4К4;

f – коэффициент сопротивления качению колесного движителя принимаем по таблице 1 методических указаний для скошенного луга f = 0.06…0.08;

g – ускорение свободного падения, .

.

В качестве прототипа принимаю трактор марки К-701 (по ближайшему тяговому классу и типу движителя).

2.2 Определение номинальной мощности двигателя

Номинальная мощность двигателя (кВт) выбирается, исходя из скорости движения трактора на первой передаче, соответствующей номинальному тяговому усилию, и условия движения агрегата на заданном почвенном фоне:

(2.2)

где - коэффициент запаса мощности ( =1.05…1.10);

- первая основная скорость, м/с;

- кпд трансмиссии.

Для определения к.п.д. трансмиссии приведем схему разработанной трансмисси

и проектируемого трактора (рисунок 1). На схеме линией вычерчиваем поток мощности на первой передаче, определяем число пар цилиндрических и конических шестерен и карданных шарниров, передающих крутящий момент от двигателя к движителю.

Рисунок 1 Схема разработанной трансмиссии проектируемого трактора.

С учетом этой схемы рассчитываем к.п.д. трансмиссии для первой передачи

по формуле :

(2.3)

где - к.п.д. соответственно учитывающие потери холостого хода

(0,97), цилиндрической пары шестерен (0,985...0,99), конической пары шестерен

(0,975...0,98), карданных шарниров (0,985...0,99);

₁ и ₂- коэффициенты перераспределения массы на соответственно переднюю

и заднюю ведущие оси. Для трактора 4К4 и автомобиля повышенной проходимости коэффициенты перераспределения массы будут определяться соотношением

диаметров передних и задних колес, принимаем ₁ и ₂ равными 0.5;

а₁, в₁, с₁ - соответственно число пар цилиндрических и конических шестерен

и число карданных шарниров, находящихся в зацеплении при передаче М_кр

к передней оси;

а, в, с - соответственно число пар цилиндрических и конических шестерен и число карданных шарниров, находящихся в зацеплении при передаче М_кр к задней оси.

По найденному значению номинальной мощности двигателя принимаем прототип из уже существующих двигателей. При этом учитываем также заданные обороты двигателя (из задания).

Принимаем двигатель Д-446-51мощностью 130 кВт, номинальная частота вращения 2000 об/мин /5/.

2.3 Построение нагрузочной характеристики двигателя

Предварительно определяем параметры нижеперечисленных характерных

ных точек режимов работы двигателя.

2.3.1 Номинальный режим:

Номинальная мощность двигателя определяется по формуле (2.2).

Угловая скорость коленчатого вала (с ^-1) по формуле:

(2.4)

Крутящий момент двигателя при номинальной мощности, кНм:

(2.5)

Часовой расход топлива, кг/час:

G_т = g_еN_н10^-3 =21812210^-3 =26,6 кг/час. (2.6)

2.3.2 Режим холостого хода (регуляторная ветвь):

Угловая скорость холостого хода зависит от степени неравномерности

регулятора _р (у современных тракторов _р =0,07...0,08):

_хх = (1 + _р) _н. (2.7)

Степень неравномерности регулятора зависит от заданного агрофона или

условий движения. Если условия движения сложные (частые подъемы и спуски, тяжелые условия пахоты), то надо принимать большее значение степени неравномерности регулятора (тогда диапазон регуляторной ветви будет шире). А

если условия движения нормальные, то значение степени неравномерности следует

принять меньшим.

_хх = (1 + _р) _н=(1 + 0.08) 209.3=226 .

Эффективная мощность и крутящий момент при этом равны нулю.

Часовой расход топлива на холостом режиме работы зависит от механического

к.п.д. двигателя и находится в пределах G_{т хх} =(0,25...0,3)  G_т.

Коэффициент при этом принимается исходя из размеров выбранного прототипа двигателя. Чем большие размеры он будет иметь, тем больший будет часовой расход ход топлива на холостом режиме.

G_{т хх} =(0,25...0,3)  G_т =(0,25...0,3)  26,6=7,2 кг/час.

2.3.3 Корректорная ветвь:

Расчет эффективной мощности производится по формуле С.Р.Лейдермана /1/:

(2.8)

где _е и _н – соответственно текущее значение угловой скорости вращения

коленчатого вала (задаются 5...6 значениями _е в пределах от _мин до _н) и значение при номинальной мощности двигателя, с^-1;

С₁ и С₂ - коэффициенты, зависящие от типа двигателя и способа смесеобразования,

С₁ = 0,87 и С₂ =1,13 - для дизелей с неразделенными камерами сгорания /5/.

При расчетах минимальная угловая скорость принимается для дизелей

_мин = 40...80 с^-1 /5/.

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 1.

Крутящий момент двигателя, кН·м:

(2.9)

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 1.

Удельный расход топлива, г/(кВтч):

(2.10)

где g_eн - удельный расход топлива при номинальной мощности.

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 1.

Часовой расход топлива, кг/ч:

G_т = N_е  g_e 10^-3, (2.11)

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 1.

Результаты расчетов заносим в таблицу 1, по данным которой строим

регуляторную характеристику.

Таблица 1 Регуляторная характеристика двигателя

n, мин-1	, с-1	Ne, кВт	Мк, Нм	ge, г/кВтч	Gт, кг/ч
1	2	3	4	5	6
478	50	31,6	632	269	8,5
860	90	61,4	682	233	14,3
1242	130	89,9	692	212	19,1
1642	170	111,8	658	207	23,1
2000	209,3	122	583	218	26,6
2160	226	0	0	_	7,2

2.4 Выбор шин

Шины выбираем исходя из нагрузки на колеса и принятого давления в шинах.

Нагрузка на ведущие колеса с пневматической шиной, кН:

(2.12)

где n_к - число ведущих колес.

По полученной нагрузке выбираем шины 530-610, давление в шинах 0,11МПа.

5. Определение размеров ведущих колес

Динамический радиус колеса, м:

r_к = (0,5  d + 0,8  b)  10^-3, (2.13)

где d и b - соответственно диаметр обода и ширина профиля шины, мм.

r_к = (0.5  d + 0.8  b)·10^-3 = (0.5  610 + 0.8  530) ·10^-3 =0.729м.

2.6 Определение передаточных чисел трансмиссии

Передаточные числа трансмиссии:

для первой передачи:

(2.14)

для последней передачи:

. (2.15)

Для промежуточных передач сначала определяем знаменатель геометрической

прогрессии:

(2.16)

Затем находим передаточные числа:

i₂ = q· i₁=0,7044·78,65=55,40 ; (2.17)

i₃= q· i₂=0,7044·55,40=39,02.

2.7 Определение касательной силы тяги, крюковой силы и скорости движения на всех передачах

Касательная сила тяги, кН:

. (2.18)

Р_к - определяем для каждой передачи и при различных значениях М_к . Значения

М_к принимаем из регуляторной характеристики (таблица 1).

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 3.

Крюковое усилие, кН:

Р_кр =Р_к - Р_f, (2.20)

где Р_f - сила сопротивления качению трактора, кН.

. (2.21)

Остальные точки находятся аналогично.

Теоретическая скорость движения при данной передаче, м/с:

, (2.22)

Находим теоретическую скорость движения на первой передаче:

1)

Расчет скоростей движения, при изменении угловой скорости производится аналогично.

Действительная скорость движения:

V_p = V_т·(1-), (2.23)

где  - буксование движителя.

Для определения буксования воспользуемся табличным способом, предложенным профессором Б.Я. Гинцбургом /3/.

Для этого определим отношение крюкового усилия Р_кр к произведению сцепного веса G_сц и коэффициента сцепления , т.е. Р_кр/(G_сц  ).

Для гусеничных и колесных тракторов со всеми ведущими колесами:

(2.24)

Для найденного значения Р_кр/(G_сц  ) по приложению Б методического указания находим значения буксования. При этом пользуемся методом интерполяции.

Величина буксования на номинальном режиме 25,9% не лежит в допустимых пределах( = 14...16 %), поэтому требуется добавлять балласт /3, страница 10/.

Зададимся минимально допустимой величиной буксования δ=0,152. Далее, пользуясь таблицей, определим отношение Р_кр/(G_сц  ), соответствующее этой величине. Оно составляет 0,65. Тогда .

где - масса балласта.

Пересчитаем значения Р_кр с учетом балласта:

.

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 3.

Величина буксования на номинальном режиме 14,9% лежит в допустимых пределах ( = 14...16 %).

Подставляем исходные значения в формулу (2.23):

1) V_p = 1.94·(1-0.149)=1,65 м/с,

Остальные точки находятся аналогично и заносятся в таблицу 3.

2.8 Определение тягового к.п.д. и оценка топливной экономичности

По Р_кр для первой передачи определяем тяговую мощность, а затем удельный расход топлива и тяговый КПД.

Тяговая мощность в кВт:

N_кр = Р_крV_p. (2.25)

1) N_кр =48,9·1,65=80,7 кВт.

Остальные значения находятся аналогично и заносятся в таблицу 3.

Крюковой удельный расход топлива в г/(кВтч):

, (2.26)

Определяем крюковой удельный расход топлива:

1) г/кВт·ч,

Остальные значения находятся аналогично и заносятся в таблицу 3.

Тяговый КПД:

(2.27)

(2.28)

Тяговые КПД определяю для n_min=478 мин^-1 и n_н=2000 мин^-1.

- для n_min=478 мин^-1:

Полученные значения и сравним между собой:

(2.29)

- для n_н=2100 мин^-1:

В данном случае отклонения тяговых КПД не превышают допустимого предела(5%). Значит, расчеты выполнены правильно.

Расчет тяговой характеристики на последующих передачах производим на ЭВМ по программе " TRAKTOR-2005 ", для чего подготавливаем к вводу в ЭВМ параметры и принятые коэффициенты проектируемого трактора (таблица 2).

Таблица 2 Вводимые в ЭВМ параметры

Названия	Значения
1	2
Тип двигателя трактора	Дизель
1	2
Тяговое усилие Рн, кН	45
Рабочая скорость на первой передаче V1, км/ч	7
Максимальная скорость V, км/ч	20
Число передач z	4
Длина звена гусеницы Lзв, м	-
Число зубьев звездочки zзв	-
Коэффициент нагрузки ведущих колес к	1
Коэффициент сопротивления качению f	0.06
Коэффициент сцепления 	0.8
Коэффициент использования массы к.доп	0.63
к.п.д. трансмиссии тр	0.87
Коэффициент запаса мощности kз	1.10
Номинальный удельный расход топлива gен, г/(кВтч)	218
Частота вращения к.в. двигателя (5...6 точек от nмин до nн), мин-1	478; 860; 1242; 1624; 2000.
Масса балласта mбал, т	1,738
Тяговый к.п.д. на 1-ой передаче при nмин тяг, %	64,4
Тяговый к.п.д. на 1-ой передаче при nн тяг, %	66,2

Таблица 3 Теоретическая тяговая характеристика трактора

№ передачи	n, мин-1	, с-1	Мк, кН·м	Рк, кН	Ркр, кН	Nкр, кВт	Vр, м/с	Gт, кг/ч	gкр, г/(кВт)	(1)	(2)
1	2	3	4	6	7	8	9	10	11	12	13
1	478	50	0,632	59,2	53,5	20,1	1,4	8,5	425	63,5	63,5
	860	90	0,682	64,1	58,3	37,2	2,3	14,3	385	60,4	60,4
	1242	130	0,692	64,9	59,1	53,9	3,3	19,1	355	59,8	59,8
	1624	170	0,658	61,7	56	69,5	4,5	23,1	334	62	62
	2000	209,3	0,583	54,7	49	80,3	5,9	26,6	332	65,6	65,6
2	478	50	0,632	41,8	36	21,6	2,2	8,5	394	68,4	68,4
	860	90	0,682	45,1	39,4	41,9	3,8	14,3	342	68,1	68,1
	1242	130	0,692	45,7	40	61,3	5,5	19,1	312	68	68
	1624	170	0,658	43,5	37,7	76,5	7,3	23,1	304	68,3	68,3
	2000	209,3	0,583	38,6	32,8	83,6	9,2	26,6	319	68,4	68,4
3	478	50	0,632	29,4	23,7	21	3,2	8,5	405	66,5	66,5
	860	90	0,682	31,8	26,1	41,4	5,7	14,3	346	67,3	67,3
	1242	130	0,692	32,2	26,5	60,7	8,3	19,1	315	67,4	67,4
	1624	170	0,658	30,7	24,9	75	10,8	23,1	310	66,9	66,9
	2000	209,3	0,583	27,2	21,4	80,1	13,5	26,6	333	65,5	65,5
4	478	50	0,632	20,7	15	19,3	4,6	8,5	442	61	61
	860	90	0,682	22,4	16,7	38,5	8,3	14,3	373	62,5	62,5
	1242	130	0,692	22,7	17	56,5	12,0	19,1	338	62,7	62,7
	1624	170	0,658	21,6	15,8	69,2	15,7	23,1	335	61,8	61,8
	2000	209,3	0,583	19,1	13,4	72,4	19,5	26,6	368	59,2	59,2

2.9 Расчет и построение потенциальной тяговой характеристики трактора

Потенциальная тяговая характеристика трактора показывает возможную идеальную зависимость N_кр = f(P_кр) при автоматическом бесступенчатом регулировании скорости движения, обеспечивающем постоянную загрузку двигателя на номинальную мощность.

Таблица 4 Потенциальная тяговая характеристика

Ркр, кН	Расчетные значения точек						Расчетные формулы
	10	20	30	40	50	59,1
1	2	3	4	5	6	7	8
Nк,кВт	106,14	106,14	106,14	106,14	106,14	106,14	Nк = Nн тр
	0.024	0.037	0.069	0.098	0.132	0.250	по графику буксования
Рк,кН	15.8	25.8	35.8	45.8	55.8	64.9	Рк = Ркр + Рf
Vт, м/с	6.72	4.11	2.97	2.32	1.9	1.64	Vт = ωн rк / iтр
Vр,м/с	6.56	3.96	2.77	2.09	1.65	1.23	Vр = Vт  (1-)
Nf,кВт	38	23	16.1	12.1	9.6	7.1	Nf = Pf Vд
N,кВт	2.55	3.9	7.3	10.4	14	26.5	N = Nк  
Nкр,кВт	65.6	79.2	83.1	83.6	82.5	72.7	Nкр = Ркр  Vр
тяг	0.54	0.65	0.68	0.69	0.68	0.60	тяг = Nкр/Nн
iтр	22.7	37.09	51.46	65.84	80.21	93.30

Расчет потенциальной тяговой характеристики производится при изменении усилия на крюке от нуля до максимального значения по сцеплению движителей с почвой.

Результаты расчетов заносим в таблицу 5 и строим потенциальную тяговую характеристику.

2.10 Анализ тягового расчета трактора

Спроектированный трактор имеет следующие показатели:

Тяговый класс – 4;

Рабочие скорости – 7...20 км/ч;

Тип движителя – колесный;

Количество рабочих передач при движении вперед – 4;

Рабочий агрофон – целина;

Рабочие скорости на первой передаче – 5...7 км/ч;

Тип двигателя – дизель;

Номинальная мощность двигателя – 122 кВт;

Номинальный удельный расход топлива – 218 г/кВт∙ч;

Число цилиндров – 6;

Расположение цилиндров – рядное;

Тип камеры сгорания – неразделенная.

Проанализировав тяговую характеристику трактора, можно сделать следующие выводы:

Трактор развивает максимальную тяговую мощность 83.6 кВт. При этом усилие на крюке составит 32,8 кН, а тяговый КПД – 68,4 %.

Диапазон Р_кр для различных передач:

1 передача: 49...53,5 кН

2 передача:32,8..40. кН

3 передача:21,4...26,5 кН

4 передача:13,4...16,7 кН.

Проектируемый трактор обеспечивает наилучшие технико-экономические показатели на 2-й передаче.