Динамический расчет автомобиля

Министерство образования РФ

Федеральное агентство  по образованию

Ульяновский государственный  технический университет

 

Кафедра «Автомобили»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теория автомобиля»

 

Тема: «Динамический расчет автомобиля»

 

 

 

 

 

 

 

                               

                                                                          

 

 

 

 

. Выполнил: Жирухин К.С.

 

                                                                                           Группа: АХд-31

                                                                                            Поверил: Хусаинов А.Ш.

 

 

 

 

 

 

Ульяновск 2012

 

Федеральное агентство по образованию

ГОУВПО Ульяновский государственный технический университет

Кафедра «Автомобили»

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЯ»

студенту машиностроительного факультета

Жирухину Кириллу Сергеевичу

 

 

Выполнить тягово-динамический расчет легкового заднеприводного автомобиля. В качестве прототипа принять ВАЗ – 2107:

Выбрать шины и определить их статический радиус качения.

Рассчитать максимальную мощность двигателя автомобиля при: V_max = 150км/ч; D_a = 0,09.

Построить внешнюю скоростную характеристику двигателя.

Рассчитать передаточное число главной передачи.

Рассчитать передаточные числа в коробке передач при:

Ψ = 0,4.

Построить силовой и  мощностной балансы автомобиля.

Построить динамический паспорт автомобиля.

Построить разгонную  характеристику автомобиля.

Рассчитать давление воздуха в шинах.

Построить топливно-экономическую  характеристику автомобиля.

 

 

 

 

Консультант ________________________________(Хусаинов А.Ш.)

 

Студент ____________________________________( Жирухин К.С.)

 

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
0. Паспортные данные автомобиля ВАЗ – 2107:

 

1. Масса снаряженного автомобиля ……….М_о = 1060 кг; в т.ч. на переднюю ось М₀₁ = 572 кг; на заднюю ось М₀₂ = 487 кг;

2. Полная масса автомобиля ……………….М_а = 1430 кг;

в т.ч. на переднюю ось М_а1 = 657 кг; на заднюю М_а2 = 772 кг;

3. Максимальная скорость …………………V_{a max} = 150 км/ч (42 м/с) ^*1;

4. Коробка передач – трёхвальная; число передач k = 5; номер прямой передачи n =4; передаточные числа 3,67; 2,10; 1,36; 1,00; 0,82;

5. Колеса:

присоединительные размеры дисков 4 5J-13H2 (4 шпилек на Ø98 мм (т.е. Ø 3,86`); вылет 32 мм; центральное отверстие 58,5 мм);

• Размерность шин и дисков

Шины	Диски	Давление воздуха, кПа
		Передние колеса	Задние колеса
175/70R13	15J-13	170	200
165/80R14		160	190

• Размеры автомобиля:
• длина ………………………..…   L_г = 4,145 м;
• ширина……………………..…..  В_г = 1,620 м;
• высота……………………..……           Н_г = 1,435 м;
• колея наибольшая………………   В_к = 1,365 м;
• база………………………………          L = 2,424 м;
• высота центра масс……………..          h_g = 0,45 м;
• Коэффициент аэродинамического сопротивления с_х = 0,48;
• двигатель: ВАЗ-2103
• бензиновый, продольный, рядный, четырехцилиндровый;
• мощность …………………………….P_max = 72 л.с. (53000 Вт) ^*2

при n_p = 5600 об/мин (ω_p = 586 c^-1)^*3;

• крутящий момент………………….T_max = 10,6 кгс∙м (104 Н∙м) ^*4

при n_T = 3400 об/мин (ω_T = 356 c^-1).

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет исходных данных по характеристике прототипа

 

Коэффициент приспособляемости двигателя по оборотам

К_ω = ω_p / ω_T.   К_ω = 586 / 356 = 1,65;

Коэффициент приспособляемости двигателя по моменту

К_Т = Т_max∙ω_p / P_max. К_Т = 104 ∙ 586 / 53000 = 1,15;

Площадь миделева сечения

А = Нг ∙ Вк .   А= 1,435 ∙ 1,365 = 1,9586 м2;

КПД трансмиссии зависит от передаваемого крутящего момента и температуры масла. Однако переменные факторы в курсовой работе не учитываем из-за их сложности:

,

где z, k, n – число соответственно цилиндрических и конических передач, карданных шарниров. Автомобиль ВАЗ-2107 имеет z = 2 (на всех передачах, кроме прямой) и z = 0 (на прямой передаче); k = 1; n = 1. На режиме максимальной скорости на четвертой передаче

.

 

Справочные данные.

• Плотность воздуха ρ_в = 1,202 кг/м³ (200 м над уровнем моря);
• Коэффициент сопротивления качению f₀ = 0,014;
• Коэффициент влияния скорости A_f = 5,5 ∙ 10^–4 с²/м²;
• Удельный расход топлива g_e = 143 г/кВт·ч;
• Коэффициент коррекции мощности К_р = 0,95.

 

3. РАСЧЕТ НАГРУЗКИ НА КОЛЕСА И ВЫБОР ШИН

 

Если данных о развесовке прототипа студентом не найдены:

Обычно автомобили имеют развесовку по осям в снаряженном состоянии 54/46, а с грузом 46/54. Тогда

на переднюю ось без груза :

 кг;

на заднюю ось без  груза :

 кг;

на переднюю ось с полной загрузкой :

 кг;

на заднюю ось с  полной загрузкой :

 кг.

Но мы нашли данные о развесовке автомобиля, поэтому пишем:

Нагрузки на оси прототипа  имеются в исходных данных, поэтому  определим лишь его коэффициенты развесовки. Доля массы автомобиля, приходящаяся на оси:

;  ;  ;  ,

где q₀₁, q₀₂, q_a1, q_a2 – соответственно нагрузка на переднюю (1) и заднюю (2) оси снаряженного (0) и полностью груженого (а) автомобиля.

;  ;    ;  .

Согласно исходным данным максимальная осевая нагрузка приходится на заднюю ось груженого автомобиля. Учитывая, что у прототипа нет спаренных колес, то максимальная масса приходится на каждое из задних колес при полной загрузке автомобиля

 кг.

Вес, приходящийся на колесо

G_к = M_кa2 · g.

G_к =386 · 9,81 = 3787 Н.

Назначаем индекс скорости – T (200 км/ч). Назначаем индекс несущей способности шины – 82 (4750 Н). Выбираем шины 175/70R13 Т82. Рассчитаем статический радиус качения колеса:

r_c = 0,5 · d + В_ш ∙ Δ · λ_см,

где d – посадочный диаметр шины, м; В_ш – ширина профиля шины, м; Δ – относительная высота профиля шины; λ_см = 0,8…0,85 – смятие радиальной шины легкового автомобиля.

r_c = 0,5 · 13 · 0,0254 + 0,175 · 0,70 ·0,825 = 0,266 м.

 

4. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

 

Сначала расчет ведем по мощности, необходимой для поддержания максимальной скорости:

,

где f_k – сопротивление качению на максимальной скорости:

f_k = f₀ · (1 + A_f · V²).  f_k = 0,014 · (1 + 0,00055 ·42 ²) = 0,028.

45194 Вт.

Таким образом, для поддержания максимальной скорости полностью груженого автомобиля необходим двигатель мощностью Р_е = 46 кВт.

Проведем расчет необходимой  мощности двигателя для обеспечения  заданного динамического фактора.

Найдем скорость автомобиля, при  которой динамический фактор будет близок к максимуму:

V_D = V_max/K_ω.   V_D = 42/1,65 = 25,5 м/с (92 км/ч).

Найдем необходимую  мощность двигателя на скорости V_D

.

 46381 Вт.

Рассчитаем максимальную мощность двигателя (в предположении, что закон изменения мощности от скорости двигателя описывается полиномом третьей степени с коэффициентами a, b, c, взятыми у прототипа):

; ; .

;  ;   ;

а = 0,795;    b = 1,171;    c = –0,95.

.

     

66928 Вт.

Таким образом, для обеспечения заданной динамики автомобиля на скорости 25,5 м/с (92 км/ч) необходима максимальная мощность двигателя 67 кВт. Так как > , то для дальнейших расчетов выбираем мощность двигателя, рассчитанную по сопротивлению качению на максимальной скорости.

Крутящий момент при  максимальной мощности

,  ≈ 114.211 Н·м;       Т_max = Т_е · К_Т;      Т_max = 114.211 · 1,15 ≈ 131.342 Н·м.

Таким образом, окончательно принимаем двигатель

Т_max = 131.342 Н·м при 356 рад/с (3400 об/мин).

Р_max = 67 кВт при 586 рад/с (5600 об/мин).

Расчет внешней скоростной характеристики двигателя сведен в табл. 1.

ВСХ
w	Pe, Вт	Te, Нм
50	5391	108
100	11753	118
200	26351	132
262	35923	137
300	41723	139
400	55797	139
461	62859	136
500	66500	133
550	69939	127

 

 

Рис1. Внешняя скоростная характеристика двигателя                                        Табл. 1

               

 

 

 

 

5. РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА ГЛАВНОЙ ПЕРЕДАЧИ

,

где ωр – угловая скорость ведущего вала главной передачи (если она равна скорости двигателя) при максимальной мощности двигателя, с-1.

 

6. РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЧИСЕЛ В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ

 

Передаточное число  первой передачи коробки передач (КП) рассчитываем из условия обеспечения необходимой тяги в нормальных дорожных условиях. Передаточное число первой передачи в КП из условия преодоления соответствующего сопротивления Ψ₁

.             3,376.

Четвертая передача в  КП прямая: i₄ = 1,00. Передаточные числа остальных передач в КП рассчитываем по гиперболическому ряду

.

i₂ = 2.172;  i₃ = 1,365;   i₅ = 0.9.

 

7. СИЛОВОЙ И МОЩНОСТНОЙ БАЛАНСЫ АВТОМОБИЛЯ

 

В силовой баланс автомобиля при равномерном движении (F_и = 0) по горизонтальной дороге (F_п = 0) входят только две силы

F_T = F_k + F_в.

Составляющие баланса  вычисляем по зависимостям:

;     ;     .

переменными в балансе  являются:

– момент Т_е (зависит от угловой скорости двигателя);

– передаточное число i_кп в КП;

– КПД η_тр трансмиссии, зависит от загрузки по мощности трансмиссии (для упрощения принимаем постоянным на каждой из передач в КП или в РК, см. п. 1.2);

– скорость V автомобиля;

– кинематический радиус r_k зависит от крутящего момента на колесе, но для упрощения этой зависимостью пренебрежем и примем r_k = r_с.

Мощностной баланс получим, почленно умножив силовой баланс на скорость автомобиля:

P_T = F_T  V;   P_k = F_k  V;      P_в = F_в  V.

Расчет ведем для  всех передач в КП при повышенной передаче в раздаточной коробке, и для первой и второй передач  в КП на пониженной в РК передаче.

Текущую скорость вычисляем  по формуле

.

Результаты расчета сведем в табл. 2 и покажем на рис. 2 и 3.

 

 

2. Силовой и мощностной балансы  автомобиля

 

	w	Te, Нм	V	fk	Ft	Fk	Fв	Fk+Fв	Pt	Pk	Pв	Pk+Pв
1в	50	101	0,9	0,01401	4880	196,5	0,4	196,9	4	0,18	0,00	0,18
	100	110	1,8	0,01403	5319	196,8	1,8	198,5	10	0,36	0,00	0,36
	200	123	3,7	0,01410	5963	197,8	7,1	204,9	22	0,72	0,03	0,75
	262	128	4,8	0,01418	6205	198,9	12,2	211,0	30	0,95	0,06	1,01
	300	130	5,5	0,01423	6294	199,6	16,0	215,6	35	1,10	0,09	1,18
	400	131	7,3	0,01441	6313	202,2	28,4	230,5	46	1,48	0,21	1,69
	461	128	8,4	0,01455	6171	204,1	37,7	241,8	52	1,72	0,32	2,04
	500	125	9,1	0,01464	6019	205,4	44,3	249,7	55	1,88	0,41	2,28
	550	119	10,1	0,01478	5755	207,3	53,6	261,0	58	2,09	0,54	2,63
2в	50	101	1,8	0,01402	2487	196,7	1,7	198,5	4	0,35	0,00	0,36
	100	110	3,6	0,01410	2710	197,8	6,8	204,6	10	0,71	0,02	0,73
	200	123	7,2	0,01440	3039	202,0	27,3	229,3	22	1,45	0,20	1,65
	262	128	9,4	0,01468	3162	206,0	46,9	252,8	30	1,94	0,44	2,38
	300	130	10,8	0,01489	3207	208,9	61,4	270,4	35	2,25	0,66	2,91
	400	131	14,4	0,01559	3217	218,7	109,2	327,9	46	3,14	1,57	4,71
	461	128	16,5	0,01611	3145	226,0	145,1	371,0	52	3,74	2,40	6,14
	500	125	17,9	0,01648	3067	231,2	170,7	401,8	55	4,15	3,06	7,21
	550	119	19,7	0,01700	2933	238,5	206,5	445,0	58	4,71	4,08	8,79
3в	50	101	2,7	0,01406	1668	197,2	3,8	201,0	4	0,53	0,01	0,54
	100	110	5,3	0,01422	1819	199,5	15,2	214,7	10	1,07	0,08	1,15
	200	123	10,7	0,01488	2039	208,8	60,7	269,4	22	2,23	0,65	2,88
	262	128	14,0	0,01551	2122	217,6	104,1	321,7	30	3,05	1,46	4,51
	300	130	16,0	0,01598	2152	224,2	136,5	360,7	35	3,60	2,19	5,79
	400	131	21,4	0,01753	2158	245,9	242,6	488,5	46	5,26	5,19	10,45
	461	128	24,7	0,01868	2110	262,1	322,2	584,3	52	6,46	7,95	14,41
	500	125	26,7	0,01951	2058	273,7	379,1	652,8	55	7,32	10,14	17,46
	550	119	29,4	0,02067	1968	289,9	458,7	748,6	58	8,53	13,50	22,03
4в	50	101	3,6	0,01410	1255	197,8	6,7	204,5	4	0,70	0,02	0,73
	100	110	7,1	0,01439	1368	201,9	26,8	228,6	10	1,44	0,19	1,63
	200	123	14,2	0,01556	1534	218,2	107,1	325,4	22	3,10	1,52	4,63
	262	128	18,6	0,01667	1596	233,9	183,8	417,7	30	4,36	3,42	7,78
	300	130	21,3	0,01750	1619	245,5	241,0	486,6	35	5,24	5,14	10,38
	400	131	28,4	0,02023	1624	283,8	428,5	712,3	46	8,07	12,19	20,26
	461	128	32,8	0,02227	1588	312,5	569,2	881,6	52	10,24	18,66	28,90
	500	125	35,6	0,02373	1548	332,9	669,6	1002,5	55	11,84	23,80	35,64
	550	119	39,1	0,02578	1481	361,6	810,2	1171,8	58	14,14	31,68	45,82
5в	50	101	4,4	0,01415	1006	198,5	10,4	208,9	4	0,88	0,05	0,93
	100	110	8,9	0,01461	1097	204,9	41,7	246,6	10	1,82	0,37	2,19
	200	123	17,7	0,01642	1230	230,4	166,7	397,1	22	4,09	2,96	7,05
	262	128	23,2	0,01816	1280	254,7	286,1	540,9	30	5,92	6,65	12,57
	300	130	26,6	0,01945	1298	272,9	375,2	648,1	35	7,26	9,98	17,25
	400	131	35,5	0,02369	1302	332,4	667,0	999,4	46	11,79	23,67	35,46
	461	128	40,9	0,02688	1272	377,0	885,9	1262,9	52	15,42	36,23	51,65
	500	125	44,4	0,02915	1241	408,9	1042,1	1451,0	55	18,14	46,22	64,36
	550	119	48,8	0,03233	1187	453,5	1261,0	1714,5	58	22,13	61,52	83,65

 

Рис. 2. Силовой баланс автомобиля: 1 – 5 – сила тяги на ведущих колесах; 6 – суммарная сила сопротивления движению (F_k+F_в); 1 – 5 передачи в КП.

 

Рис. 3. Мощностной баланс автомобиля: 1 – 5 – мощность тяги на ведущих колесах; 6, 7, 8 – мощности сопротивления движению соответственно суммарная (Р_k+Р_в), аэродинамическая Р_в и качению Р_к; 1 – 5 передачи в КП.

 

 

8. ДИНАМИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ АВТОМОБИЛЯ

Для построения динамического  паспорта автомобиля необходимо вычислить для каждой передачи в КП (РК) динамический фактор

.

Кроме того, на график выносится  зависимость коэффициента сопротивления качению f_k (V). Для построения номограммы необходимо найти верхний предел шкалы

,

где – верхний предел шкалы D_a. На шкале D_a (рис. 4) получилось =0,5, тогда

.

Результаты расчета  сведены в табл. 3.

3. Динамическая характеристика автомобиля D_a в зависимости от скорости двигателя ω_е

w	1	2	3	4	5
50	0,348	0,181	0,122	0,089	0,073
100	0,379	0,197	0,132	0,096	0,078
200	0,425	0,219	0,145	0,102	0,079
262	0,441	0,227	0,148	0,101	0,074
300	0,447	0,229	0,148	0,098	0,069
400	0,448	0,226	0,141	0,085	0,049
461	0,437	0,218	0,132	0,073	0,031
500	0,426	0,211	0,124	0,063	0,018
550	0,406	0,198	0,111	0,048	-0,002

 

 

           

Примечание: знак минус означает, что двигатель «не тянет».

 

                                                

                                

 

 

 

 

 

 

                            0.5

                            0.45

                            0.4

                            0.35

                            0.3

                            0.25

                            

                            0.2

                            0.15

                            0.1

                            0.05

 

                                 0       

 

 

Рис. 4. Динамический паспорт автомобиля: 1 – 5 – динамический фактор; 6 – коэффициент сопротивления качению (f_k); 1 – 5 передачи в КП; Н – полезная загрузка автомобиля

 

 

 

 

 

 

9. РАЗГОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМОБИЛЯ

 

Разгонную характеристику выполняют по ГОСТ 22576–90 для частичной загрузки автомобиля 245 кг (1570 Н). Из-за неполной загрузки изменяется динамический фактор и коэффициент учета вращающихся масс.

Для расчета ускорений автомобиля необходимо сначала найти коэффициент учета вращающихся масс:

;      ,

где J_д – момент инерции двигателя, кг∙м². J_д= 0,37; J_k1, J_k2 – момент инерции пары ведущих колес с тормозами и полуосями соответственно передней и задней оси, кг∙м². J_k1= J_k2= 13,0; r_k0 – кинематический радиус колеса, примем равным статическому (см. п. 2.3 лекций).

;  .

Результаты расчета  сведены в табл. 4.

4. Коэффициент учета вращающихся масс на различных передачах

передачи	кувм
1	1,33
2	1,11
3	1,07
4	1,05
5	1,04

 

Ускорения рассчитаем по динамическому фактору, скорректированному по массе автомобиля, для всех передач в КП на прямой передаче в РК и для 1 и 2 передач в КП на пониженной передаче в РК

.

Результаты сведем в  табл. 5 и рис. 5.

5. Зависимость ускорений автомобиля на разных передачах от скорости двигателя ω_е

ωе	Передача в КП
	1	2	3	4	5
80	2,91	1,75	1,19	0,84	0,68
100	3,18	1,91	1,30	0,91	0,72
200	3,57	2,14	1,43	0,97	0,72
262	3,72	2,22	1,45	0,95	0,65
300	3,77	2,24	1,45	0,91	0,58
400	3,77	2,20	1,36	0,74	0,31
461	3,68	2,12	1,25	0,59	0,09
500	3,58	2,04	1,15	0,46	-0,08
550	3,41	1,90	1,01	0,28	-0,33

                         Примечание: знак минус означает, что двигатель «не тянет».

Рис. 5. Зависимость ускорений  автомобиля от его скорости: 1 – 5 – прямая передача в РК и соответственно 1 – 5 передачи в КП

 

Разгонную характеристику (зависимости времени и пути разгона по скорости) строим на 1 – 4 передачах в КП. Расчет ведем до тех пор, пока не будут получены время разгона до 100 км/ч и пройден путь 1000 м по следующим формулам (см. п. 3.6 лекций):

ΔV_i= V_i –V_i-1;           Δt_i= ΔV_i/a_i;       t_i= t_i-1+ Δt_i;      ΔS_i= V_i· Δt_i;         S_i= S_i-1+ ΔS_i.

Результаты расчета  сводим в табл. 6 и рис. 6.

6. Расчет разгонной характеристики автомобиля

	КП	V	изм V	a	изм t	Сум t	изм S	Сум S	S на графике
1	1	0,9	1,8	2,91	0,618989	0,618989	0,584412	0,584412	0,025911
2		1,9	0,9	3,18	0,297084	0,916073	0,560977	1,145389	0,050784
3		3,8	1,9	3,57	0,528727	1,444801	1,996768	3,142157	0,139316
4		4,9	1,2	3,72	0,314969	1,75977	1,558245	4,700402	0,208405
5		5,7	0,7	3,77	0,190379	1,950149	1,078466	5,778868	0,256222
6		7,6	1,9	3,77	0,500733	2,450882	3,782089	9,560957	0,423911
7		8,7	1,2	3,68	0,313329	2,764211	2,72752	12,28848	0,544843
8		9,4	0,7	3,58	0,205859	2,97007	1,943591	14,23207	0,631018
9		10,4	0,9	3,41	0,277107	3,247176	2,877898	17,10997	0,758617
10	2	10,4	0	2,23	0,5	3,747176	5,192764	22,30273	0,988853
11		10,9	0,5	2,24	0,223823	3,970999	2,436736	24,73947	1,096892
12		14,5	3,6	2,20	1,645826	5,616825	23,89061	48,63007	2,156148
13		16,7	2,2	2,12	1,044869	6,661694	17,48019	66,11026	2,93118
14		18,1	1,4	2,04	0,694581	7,356275	12,60306	78,71332	3,489972
15	3	20,0	1,8	1,90	0,952788	8,309063	19,01702	97,73034	4,333144
16		20,0	0,0	1,40	0,5	8,809063	9,979666	107,71	4,77562
17		21,5	1,5	1,36	1,119318	9,928381	24,04144	131,7514	5,841563
18		24,8	3,3	1,25	2,627669	12,55605	65,04568	196,7971	8,725542
19		26,8	2,1	1,15	1,814967	14,37102	48,72877	245,5259	10,88607
20		29,5	2,7	1,01	2,658147	17,02916	78,50341	324,0293	14,36673
21	4	29,5	0,0	0,70	0,5	17,52916	14,76657	338,7959	15,02145
22		32,8	3,2	0,59	5,531707	23,06087	181,3223	520,1182	23,06087
23		35,6	2,8	0,46	5,972785	29,03366	212,3431	732,4612	32,47568