2. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ
Целью расчета является определение основных параметров автомобиля, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям и обеспечивающих наибольшую эффективность его использования.
Основные параметры, определяемые в тяговом расчете:
мощность двигателя и характер изменения ее на внешней скоростной (регуляторной для дизеля) характеристике двигателя Ne, Mкэ, Gт, gе = ƒ(n)
передаточное число главной передачи i0;
передаточные числа в коробке передач iкп;
скорости движения на передачах V.
В числе вспомогательных определяют следующие параметры
полный вес (массу) автомобиля G(ma)
силу сопротивления воздуха Рw;
размер и тип шин, динамический радиус колес rкэ,
механический коэффициент полезного действия трансмиссии тр.
В расчете используются данные, которые включают в техническое задание на проектирование. Это значения динамического фактора в характерных условиях эксплуатации автомобиля:
максимальная скорость Vmax, которую должен развивать автомобиль на хорошей горизонтальной дороге, характеризуемой суммарным коэффициентом дорожного сопротивления ψv = ƒ + i,
наибольший подъем imах, который должен преодолеть автомобиль, двигаясь на прямой передаче по хорошей дороге. Суммарный коэффициент дорожного сопротивления в этом случае ψmax = ƒ + imах, где ƒ — коэффициент качения.
2.1. Определение вспомогательных параметров автомобиля
Полная масса автомобиля:
ma = mг + mc + mп 2.1
где mг — масса перевозимого груза (грузоподъемность или пассажировместимость) или багажа;
mc — собственная масса автомобиля в снаряженном состоянии без груза. Слагается из конструктивной (сухой) массы автомобиля, массы топлива, массы технических жидкостей, западного колеса, инструмента, принадлежностей и технологического оборудования;
mп — масса водителя и пассажиров в кабине грузового автомобиля или масса водителя и пассажиров в легковом автомобиле или автобусе. Средняя масса пассажира и водителя 70 кг.
Следовательно
ma = 40 + 840 + 280 = 1160
Силу тяжести (вес) рассчитаем по формуле: G = 9,81* ma
G = 1160*9,81 = 11379,6 Н = 11,38кН
Шины выбирают в соответствии с типом автомобиля, условиями его эксплуатации, нагрузкой на колесо.
Динамический радиус определяют по формуле
rк = 10-3 * rст * λш
где λш — коэффициент, учитывающий деформацию шины от приложения тангенциальной нагрузки (равен 0,96 – 0,98). В нашем расчете
λш = 0,98
Силу сопротивления воздуха определяют так:
Рw max = k * F * V2max 2.2
где k — коэффициент сопротивления воздуха, ;
F — площадь поперечного сечения (миделево сечение) автомобиля, м2;
V— скорость движения автомобиля, м/с.
Площадь поперечного сечения рассчитывают приближенно, используя данные автомобиля прототипа F = β*В*На, где β — коэффициент заполнения площади. Для легковых автомобилей β = 0,78—0,8 и для грузовых автомобилей β = 0,75—0,9; В – габаритная ширина, м; Hа — габаритная высота автомобиля, м.
Для нашего расчета принимаем β = 0,8
F = 0,8*1,57*1,4 = 1,75 м2
Подставляя полученные значения в формулу 2.2
Рw = 0,3*1,75*1074,53 = 566,83 Н
Мощность на преодоление сопротивления воздуха увеличивается пропорционально кубу скорости:
Nw = k * F * V3 2.3
Nw = 0,3*1,75*35223 = 18580,85 Вт = 18,58кВт
2.2 Определение основных параметров автомобиля
2.2.1. Определение мощности двигателя.
Тип двигателя выбирают по аналогии с автомобилем-прототипом.
Мощность двигателя, которую он развивает при равномерном движении автомобиля по хорошей горизонтальной дороге, на прямой передаче, с максимальной скоростью, определяют из уравнения мощностного баланса
2.4
где ψv — коэффициент суммарного дорожного сопротивления при движении по хорошей горизонтальной дороге, в данном случае ψv = ƒ;
G — полный вес автомобиля, Н;
Vmax — максимальная скорость автомобиля, м/с;
k — коэффициент сопротивления воздуха, Н*с2/м4;
тр— механический КПД трансмиссии автомобиля на прямой передаче.
Механический коэффициент полезного действия трансмиссии определим, исходя из ее кинематической схемы по формуле (1.9).
тр= 0,97 * 0,98 * (1 – 0,05) * 1 = 0,9
После того как будет определена мощность Nv построим график внешней скоростной характеристики двигателя, представляющий зависимость Ne, Mк, gе = ƒ(nдв; Vа)- в такой последовательности:
а) в соответствующем масштабе на оси абсцисс откладываем шкалу частот вращения вала двигателя;
б) задаем значение частоты вращения вала двигателя при максимальной мощности nN по прототипу и отметим в масштабе на оси абсцисс;
в) выбираем соотношение между частотой вращения вала двигателя при максимальной скорости автомобиля nv и частотой вращения вала двигателя при максимальной мощности двигателя
λ = 1,10—1,15 — для карбюраторных двигателей без ограничения частоты вращения вала двигателя (легковые и грузовые грузоподъемностью выше 1500кг);
λ = 1,0 — для дизелей и карбюраторных двигателей с ограничителем частоты вращения вала двигателя (грузовые автомобили грузоподъемностью выше 1500кг).
В нашем случае λ = 1,1; nv = 4300 * 1.1 = 4730
г) подсчитывают значение коэффициента оборотности по формуле
2.5
д) используя значение коэффициента оборотности, определим скорости движения автомобиля при соответствующих частотах вращения вала двигателя (Vа = nдв/0) и нанесем их на ось абсцисс.
е) строят теоретическую внешнюю скоростную характеристику двигателя.
Максимальную мощность двигателя подсчитывают по формуле
2.6
где с1, с2, с3 – статистические коэффициенты;
с1= с2 = с3 = 1 - для карбюраторного двигателя; с1 = 0,53; с2 = 1,56; с3 =1,09 —для дизелей,
ж) текущие значения мощности двигателя определяют по формуле
где n – произвольное, в пределах рабочей зоны, значение частоты вращения вала двигателя, мин-1. Рабочей зоной частот вращения выбираем диапазон от nv до n = (0,4 ... 0,5) nv.
n1 =1800 Ne1 = 15765.2 Вт = 15,77 кВт
n2 = 2800 Ne2 = 24203,6 Вт = 24,2 кВт
n3 = 3700 Ne3 = 29192,3 Вт = 29,2 кВт
n4 = 4200 Ne4 = 30257,1 Вт = 30,26 кВт
n5 = 4730 Ne5 = 29653,4 Вт = 29,66 кВт
Р ис.1. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя
О
Mк
max
Mк
Ne
Ne
max
gе
gе0
Mк0
Ne0
gе
з) крутящий момент двигателя подсчитывают по формуле
2.8
где дв - угловая скорость вала двигателя, с-1;
n1 = 1800 дв1 = 188,4 Mк1 = 83,68
n2 = 2800 дв2 = 293 Mк2 = 82,59
n3 = 3700 дв3 = 387,26 Mк3 = 75,38
n4 = 4200 дв4 = 439,6 Mк4 = 68,83
n5 = 4730 дв5 = 495,07 Mк5 = 59,9
и) кривую удельного эффективного расхода топлива gе = ƒ(n) построим используя внешнюю скоростную характеристику (регуляторную характеристику дизеля) двигателя-прототипа.
Значения удельного расхода на номинальном режиме можно принять для карбюраторных двигателей gе = 250—320 г/кВт-ч, для дизелей gе = 210—250 г/кВт-ч.
2.3 Определение передаточного числа главной передачи
Передаточное число главной передачи влияет на тягово-динамические и экономические показатели автомобиля. Его определяют, пользуясь выражением:
2.9
Передаточное число главной передачи, полученное расчетом приблизительно соответствует табличному.
2.4 Определение передаточных чисел в коробке передач
Передаточные числа в коробке передач определяют из условия обеспечения наибольшей интенсивности разгона и плавности переключения шестерен при последовательном переходе с одной передачи на другую, а также для обеспечения движения на первой передаче без буксования по заданной дороге.
Знаменатель геометрической прогрессии ряда, образуемого передаточными числами коробки передач, находят по формуле
2.10
где т — число передач в коробке.
Передаточное число в коробке при работе на первой передаче определяют из условия преодоления заданного сопротивления движению по формуле
2.11
где Мmах— максимальный крутящий момент двигателя, Н*м;
ψ1mах — суммарный коэффициент дорожного сопротивления (берем из задания на проектирование автомобиля).
Проверяем условие движения автомобиля без буксования по заданной дороге. Должно быть удовлетворено условие
2.12
где — коэффициент сцепления движителей с дорогой;
λк – коэффициент нагрузки на ведущие колеса;
λк = 1 - для машин повышенной и высокой проходимости;
λк = 0,5—0,55 - для легковых автомобилей 4x2;
λк = 0,65—0,75 - для грузовых автомобилей 4x2.
Для нашего расчета принимаем λк = 0,6
Вывод – рассчитанное i1 удовлетворяет условию
Тогда:
iкп 1 = 4.07
iкп 2 = 2.59
iкп 3 = 1.656
iкп 4 = 1.056
2.5 Определение скоростей движения автомобиля на различных передачах
Максимальная скорость движения на прямой передаче задана. Скорости движения на промежуточных передачах определим из соотношений:
V1 = 8.49м/с
V2 = 13.32м/с
V3 = 20.9м/с
V4 = 32.78м/с
3. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ
В процессе динамического расчета выполняют построение динамической характеристики автомобиля.
Динамический фактор D предложен Е.А. Чудаковым. Используют его для сравнительной оценки динамических качеств различных автомобилей в различных условиях их движения (качество дороги, нагрузка автомобиля). Так как в условиях установившегося движения численные значения динамического фактора и суммарного коэффициента дорожного сопротивления равны, т.е. ψ = D. Зная динамический фактор автомобиля, можно определить, какое дорожное сопротивление он будет преодолевать.
Динамический фактор есть отношение избыточной силы тяги, к полному весу автомобиля:
Значение частоты |
1-ая передача |
2-ая передача |
3-ья передача |
4-ая передача |
1800 |
3.2 |
5.03 |
7.89 |
12.37 |
2800 |
4.98 |
7.82 |
12.27 |
19.25 |
3700 |
6.59 |
10.34 |
16.21 |
25.44 |
4200 |
7.48 |
11.73 |
18.4 |
28.87 |
4730 |
8.42 |
13.21 |
20.73 |
32.52 |
Так как касательная сила тяги Рк и сила сопротивления воздуха Рw изменяются с изменением скоростного и нагрузочного режимов работы автомобиля, то и динамический фактор в условиях эксплуатации не остается постоянным. Его оценивают с помощью динамической характеристики, которая представляет собой D = ƒ(V).
Основой для построения динамической характеристики (рис. 2) является внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя или регуляторная характеристика дизеля, а также данные тягового расчета и ряд параметров автомобиля-прототипа
а) Построение динамической характеристики автомобиля. Наметим не менее пяти точек скоростных режимов автомобиля на каждой передаче. Скорости движения автомобиля при движении на различных передачах и при различных значениях частот вращения вала двигателя определяют по формуле
3.2
б) Для этих скоростных режимов находим значения крутящих моментов двигателя и определяют касательные силы тяги на каждой передаче по формуле:
3.3
Значение Мк |
1-ая передача |
2-ая передача |
3-ая передача |
4-ая передача |
83,68 |
4442,17 |
2831,79 |
1805,2 |
1150,8 |
82,59 |
4384,2 |
2794,84 |
1781,65 |
1135,8 |
75,38 |
4001,63 |
2550,95 |
1626,18 |
1036,7 |
68,83 |
3653,82 |
2329,24 |
1484,84 |
946,55 |
59,9 |
3179,68 |
2026,98 |
1292,15 |
823,72 |
-
1-ая передача
2-ая передача
3-ья передача
4-ая передача
5,42
13,34
32,83
80,79
13,12
32,28
79,44
195,49
22,9
56,37
138,72
341,37
29,52
72,64
178,75
439,86
37,44
92,13
226,71
557,88
Значения коэффициента сопротивления воздуха kw и площади поперечного сечения автомобиля Fа принимают из тягового расчета.
в) Значения динамического фактора для каждой передачи подсчитывают
по формуле:
Используя полученные значения динамического фактора, строят характеристику D = ƒ(V).
-
1-ая передача
2-ая передача
3-я передача
4-ая передача
0,3898
0,2477
0,1557
0,094
0,3841
0,2427
0,1496
0,0826
0,3496
0,2192
0,1307
0,0611
0,3184
0,1983
0,1148
0,0445
0,2761
0,17
0,0936
0,0234
Р ис. 2. Динамическая характеристика автомобиля
Библиографический список
-
Чудаков Е.Д. Теория автомобиля. М.: Машгиз, 1940.
-
Скотников В.А., Мащенский А.Н., Солонский А.С. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. М.: Агропромиздат, 1986.
-
Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980.
-
Чернышев В.А. Тягово-динамический расчет автомобиля: Учебное пособие. М: МГАУ им. В.П. Горячкина, 1994.
-
Чернышев В.А. Тяговый расчет трактора: Методические рекомендации. М.:-ГОСНИТИ, 1982.