6. 2. Подбор внешней характеристики двигателя

Для подбора внешней характеристики двигателя вначале определяют мощность N_ev, необходимую для обеспечения заданной максимальной скорости по дороге с заданным дорожным сопротивлением ψ_v. Поскольку при максимальной скорости движения j_a = 0, то из уравнения мощностного баланса найдем:

; (114)

где G_a = mg; скорость V_{a max} выражена в м/с, а мощность N_ev в кВт.

В общем случае угловая скорость коленчатого вала w_v двигателя при максимальной скорости движения автомобиля не равна угловой скорости w_N, соответствующей максимальной мощности двигателя, и, следовательно, N_ev ≠ N_max.

Отношение у современных автомобилей равно:

- для карбюраторных двигателей легковых автомобилей (не имеющих ограничителя числа оборотов) = 0,9…1,1;

- для карбюраторных двигателей, снабженных ограничителем оборотов, обычно устанавливаемых на грузовых автомобилях, = 0,8…1,0;

- для всех дизелей = 1

В тех случаях, когда ≠ 1, максимальную мощность двигателя можно найти, пользуясь формулой С.Р. Лейдермана, в которую вместо N_e следует подставить найденное по формуле (114) значение N_ev , вместо подставить ,а N_max считать искомой величиной.

Решая полученное образом уравнение относительно N_max, найдем:

; (115)

Если = 1, то N_eN = N_max.Определив максимальную мощность двигателя, можно подобрать искомую внешнюю характеристику либо по имеющимся в наличии двигателям, либо пользуясь эмпирическими формулами, например, формулой С.Р. Лейдермана.

Прежде всего выбирают угловую скорость w_N (число оборотов n_N), соответствующую максимальной мощности.

Для современных двигателей принимаются следующие угловые скорости w_N (числа оборотов n_N):

- карбюраторные двигатели легковых автомобилей 400…700 рад/с (4000…7000 об/мин);

- карбюраторные двигатели грузовых автомобилей и автобусов 300…450 рад/с (3000…4500 об/мин);

- дизели легковых автомобилей 350…450 рад/о (3500…4500 об/мин);

- дизели грузовых автомобилей 200…320 рад/с (2000…3200 об/мин).

Меньшие угловые скорости (числа оборотов) относятся к двигателям большего литража.

Выбрав угловые скорости w_N (число оборотов n_N), задаются различными промежуточными угловыми скоростями w_е (числами оборотов n_е ) от w_min до w_v и, определив по формуле(114) текущие значения мощности N_e, строят внешнюю характеристику двигателя.

Зная текущие значения мощности N_e, соответствующие текущим значениям угловой скорости w_e (числу оборотов n_e ), по формуле:

, (116)

определяют текущие значения крутящих моментов и строят график M_e = f(w_e).

6.3. Выбор передаточных чисел трансмиссии

Передаточное число i_г главной передачи определяется из условий обеспечения максимальной скорости движения на высшей передаче в коробке передач.

Предварительно выбирается передаточное число коробки передач на высшей передаче (i_кв = 1). В большинстве случаев высшей является прямая передача (i_кв = 1). У грузовых автомобилей иногда высшая передача имеет передаточное число, меньшее единицы (ускоряющая передача). Особенно часто ускоряющая передача применяется у дизельных автомобилей. Передаточное число ускоряющей передачи грузовых автомобилей выбирается в пределах 0,7…0,85. У некоторых легковых автомобилей, снабженных двухвальными коробками передач, передаточное число высшей передачи может быть как меньшим единицы (обычно 0,85…0,98), так и большим единицы (1,03…1,05).

Пользуясь формулой (7), модно записать:

; (117)

У автомобилей с одной ведущей осью дополнительная коробка не ставится, тогда i_г = 1.

Полученное по формуле (117) передаточное число главной передачи сравнивают с существующими.

Для получения достаточного дорожного просвета и простой конструкции главной передачи не рекомендуется превышать следующие значения передаточных чисел главной передачи:

• легковые автомобили – i_г не более 5;

• грузовые автомобили с грузоподъемностью до 4…5 т – i_г не более 7;

• тяжелые грузовые автомобили – i_г не более 10.

Выбор передаточных чисел коробки передач производится в такой последовательности:

а) Определение передаточного числа i_k1 первой передачи в коробке передач.

Для этого используется уравнение силового баланса установившегося движения автомобиля P_т = Р_д+Р_в.

Поскольку на первой передаче скорости движения автомобиля не велики, то силой сопротивления воздуха можно пренебречь. Тогда, принимая во внимание выражение для P_т и P_д, можно записать:

; (118)

Передаточное число первой передачи выбирается таким, чтобы при включении этой передачи и максимальном моменте двигателя автомобиль мог двигаться с постоянной скоростью по дороге с ψ_max, заданным для проектируемого автомобиля. Для этого необходимо, чтобы равенство (118) приняло вид:

; (119)

Откуда искомое передаточное число i_k1 первой передачи равно:

; (120)

Максимальное значение ψ_max суммарного коэффициента сопротивления дороги должно быть задано. Величина этого коэффициента зависит от типа автомобилей. Средние значения ψ_max:

- для легковых автомобилей ψ_max = 0,35…0,5;

- для грузовых автомобилей ψ_max = 0,35…0,4;

-для автомобилей высокой проходимости ψ_max = 0,7…0,9.

Передаточное число i_дв высшей ступени дополнительной коробки чаще всего берется равным единице. У двухосных автомобилей с одной ведущей осью дополнительная коробка отсутствует.

Полученное по формуле (120) передаточное число первой передачи нужно проверить по условиям буксования. Буксования не будет, если выполняется неравенство

; (121)

где ΣZ_вед – сумма нормальных реакций, действующих на ведущие колеса автомобиля;

φ – коэффициент сцепления, который считают одинаковым для всех колес.

Из равенства (121)

; (122)

Для двухосного автомобиля с одной задней ведущей осью

ΣZ_вед = Z₂ = m_p2G₂

Для двухосного переднеприводного автомобиля

ΣZ_вед = Z₁ = m_p1G₁

Для трехосного автомобиля с неведущей передней осью

ΣZ_вед = Z_m = m_pтG_{т ,}

где m_p2, m_p1, m_{pт –} коэффициенты динамического изменения реакций соответственно задней и передней осей двухосного автомобиля и тележки трехосного автомобиля;

G₂ , G₁ и G_т – веса, приходящиеся на заднюю и переднюю оси и тележку.

Проверка по сцеплению ведется для хорошего сухого шоссе (φ = 0,6…0,8).

Если передаточное число i_k1 по формуле (122) получается меньшим, чем по формуле (120), то, прежде всего следует проверить возможность увеличить вес, приходящийся на ведущие колеса. Такое увеличение возможно за счет изменения предусмотренной ранее компоновки автомобиля и может потребовать изменения размеров шин. В последнем случае тяговый расчет проводится заново.

Если увеличение веса, приходящегося на задние колеса автомобиля, в пределах, обеспечивающих равенство передаточных чисел по формулам (120) и (122), не возможно, тогда передаточное число первой передачи коробки передач производится из условия отсутствия буксования по формуле (122).

Следует, однако, иметь в виду, что при этом автомобиль не сможет двигаться по дороге с заданным заказчиком коэффициентом ψ_max.

б) Выбор числа передач.

Число передач зависит от типа автомобиля, запаса мощности (отношения максимальной мощности N_max двигателя к полному весу G_a автомобиля) и предполагаемых условий эксплуатации.

Современные легковые автомобили обычно имеют 4 передачи, лишь при большом завесе мощности – 3 передачи.

Для грузовых автомобилей малой и средней грузоподъемности число передач равно 4 или 5, а для тяжелых автомобилей, особенно часто работающих в качестве тягачей 6…10 (иногда 12…15).

Для автомобилей высокой проходимости применяются либо четырех-пятиступенчатые коробки передач в сочетании с двухступенчатыми (реже трехступенчатыми) дополнительными коробками, либо многоступенчатые коробки (8…15 ступеней).

в) Выбор передаточных чисел промежуточных передач.

От выбора промежуточных чисел коробки передач зависят как тяговые, так и экономические свойства автомобиля. В настоящее время предложено много методик выбора передаточных чисел коробок передач. Одни из этих методик предусматривают получение наилучших разгонных свойств автомобиля, другие – оптимальной топливной экономичности, третьи – наибольшей средней скорости в некоторых заданных условиях движения.

Мы рассмотрим один из простейших методов выбора передаточных чисел промежуточных передач, в основу которого положено наиболее полное использование мощности двигателя при разгоне автомобиля, начиная с первой до высшей передачи.

Если бы коробка передач была бесступенчатой, то разгон можно было бы производить, не изменяя угловой скорости коленчатого вала двигателя только за счет изменения передаточных чисел. При этом можно было бы работать на угловой скорости w_N, используя в процессе всего разгона максимальную мощность двигателя и получая в результате этого максимально возможные для данного автомобиля ускорения. При ступенчатой коробке передач для наилучшего использования мощности двигатель на всех передачах должен работать в некотором неизменном диапазоне угловых скоростей от w₁ до w₂ (рис. 38).

Будем по оси ординат кроме мощностей откладывать скорости движения автомобиля и нанесем на график внешней характеристики прямые, характеризующие зависимость скорости движения от угловой скорости коленчатого вала. Если пренебрегать падением скорости в процессе переключения передач, то каждый раз при переключении передач скорость движения автомобиля, достигнутая перед моментом переключения на низшей передаче при угловой скорости w₂, равна скорости на следующей высшей передаче сейчас же после ее включения при угловой скорости w₁, т.е.

V_{I max} = V_{II min} ; V_IImax = V_IIImin; (123)

Принимая во внимание, что ; и т.д., из равенства (123) получим:

; или ; (124)

Рис. 38. Определение передаточных чисел коробки передач

Из равенства (124) видно, что для наилучшего использования мощности двигателя передаточные числа должны подбираться по геометрической прогрессии со знаменателем q.

Из предварительного расчета известны передаточные числа первой и высшей передачи. Пользуясь равенством (124), можно найти передаточные числа промежуточных передач для коробки передач с любым числом ступеней.

Для трехступенчатой коробки i_III = i_кв, тогда из равенства (124)

; (125)

Для четырехступенчатой коробки можно записать: ,

откуда

; (126)

; (127)

Подставляя значения i_kIII из равенства (127) в равенство (126), после преобразования получим:

; (128)

Подставив значение i_kII в равенство (127), получим:

; (129)

Пользуясь выражениями передаточных чисел промежуточных передач для

трехступенчатой и четырехступенчатой коробок, можно вывести общую формулу для коробки передач с n ступенями.

Если m – номер передачи, то

; (130)

Практикой установлено, что для обеспечения хорошей топливной экономичности автомобиля, удобства переключения передач и долговечности синхронизаторов знаменатель прогрессии геометрического ряда передаточных чисел у грузовых автомобилей, работающих в условиях внутригородских и местных перевозок, не должен быть большим q =1,3…1,4.

Для грузовых автомобилей и автопоездов, работающих в условиях междугородних перевозок, можно увеличить по сравнению с геометрической прогрессией отношение передаточных чисел низших передач. Например, для пятиступенчатой коробки без повышающей передачи = 1,3…1,4; = 1,4…1,6; = 1,6…1,8; = 1,8…2,0.

У коробок грузовых автомобилей, имеющих повышающую передачу, последняя выбирается из условий обеспечения хорошей топливной экономичности негруженого автомобиля и автомобиля с грузом при движении по хорошим дорогам с малыми подъемами. Передаточное число повышающей передачи в этом случае выбирают в пределах 0,7…0,85. Это передаточное число не входит в геометрический, ряд и высшей передачей в этом случае считают следующую как ускоряющая передача.

г) Выбор передаточных чисел дополнительной коробки.

Дополнительные коробки бывают двух типов: демультипликаторы и раздаточные коробки.

Демультипликаторы применяются в трансмиссиях многоосных автомобилей (трехосных и четырехосных) с несведущими передними осями в тех случаях, когда автомобили такого типа изготовляются на базе агрегатов серийного двухосного автомобиля. Вес, приходящийся на ведущие колеса многоосного автомобиля, как правило, существенно больше веса, приходящегося на ведущие колеса серийного двухосного автомобиля, а условия работы многоосного автомобиля требуют большее число передач в трансмиссии, чем это может обеспечить коробка передач серийного автомобиля. Применение демультипликатора позволяет соответствующим образом увеличить передаточное число низшей ступени и число передач трансмиссии.

Для определения передаточного числа i_дн низшей передачи демультипликатора можно воспользоваться равенством (131).

Пользуясь этим уравнением, найдем:

; (131)

где i_{k1 –} передаточное число первой передачи коробки передач серийного автомобиля.

Максимальный коэффициент суммарного сопротивления дороги для трехосных автомобилей с передней несведущей осью обычно выбирается в пределах Ψ_max = 0,4…0,55.

Раздаточные коробки применяются на многоприводных автомобилях со всеми ведущими осями.

Если в трансмиссии такого автомобиля используются агрегаты стандартного базового автомобиля, то раздаточная коробка объединяется с демультипликатором, чаще всего двухступенчатым. Передаточное число низшей передачи такой раздаточной коробки может быть определено по формуле (131), причем коэффициент суммарного сопротивления дороги Ψ_max берут равным 0,8…1,0.

Кроме того, рекомендуется проверить выбранное значение передаточного числа низшей передачи из условий обеспечения минимальной скорости V_{a min} движения при минимальном устойчивом числе оборотов двигателя.

Минимальная скорость выбирается в пределах 0,4…0,7 м/с (1,5…2,5 км/ч).

Исходя из этих условий,

; (132)