Расчет прямолинейного двигателя автомобиля
Солержание
1.Введение.
1. Заданные параметры.
2. Выбираемые параметры
3. Расчетные параметры
3.1 Определение полной массы автомобиля
3.2 Подбор шин
3.3 Выбор двигателя и построение его внешней скоростной характеристики
3.4 Определение передаточного числа главной передачи
3.5 Выбор числа передач и определение передаточных чисел коробки передач
3.6 Тяговая и динамическая характеристика автомобиля
3.7 Ускорение автомобиля
3.8 Определение времени и пути разгона
4. Топливная экономичность автомобиля
5. Мощностная характеристика двигателя
1. Заданные параметры
1.1 Тип и назначения автомобиля
Автомобиль легковой четырёхдверный с цельнометаллическим кузовом. Двухосный, для дорог общего пользования, колесная формула 4×2, передний привод.
1.2 Краткая характеристика
Автомобиль предназначен для перевозки пассажиров по дорогам общего пользования и рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от -45 ºС до +40 ºС.
2. Выбираемые параметры
Прототип ВАЗ - 2109
- собственная масса автомобиля в снаряженном состоянии……...m0 = 1020 кг
- максимальная скорость…………………............Vma
x = 185 км/ч - максимальный угол подъема, преодолеваемый автомобилем……αmax = 20º
- фактор обтекаемости…………………...........
...kF = 0,4Н. /м2 - коэффициент полезного действия трансмиссии………….µтр = 0,9
- обороты двигателя при максимальной мощности………nN = 5400 об/мин
- распределение веса по осям автомобиля…….………..ε = 60/40
3. Расчетные параметры
3.1 Определение полной массы автомобиля
Полную массу автомобиля рассчитывают по формуле:
(1)
где m0 – масса снаряженного автомобиля с заправкой и снаряжением, но без пассажиров и водителя; m0 =1020 кг;
mч = 70…80 кг – масса водителя или пассажира; mч = 80 кг;
n – число мест для сидения пассажиров; n =5;
mб – масса багажа; mб =10 кг – на одного человека в легковых автомобилях.
Снаряженную массу m0 на этом этапе проектирования лучше брать по аналогии с существующими прототипами.
В число мест n для сидения пассажиров в легковых автомобилях включается мест водителя.
3.2 Подбор шин
Так как проектируемый автомобиль является легковым и предназначен для эксплуатации по дорогам общего пользования, то принимаем колёсную формулу 4×2.
Для определения нагрузки на переднюю
ось воспользуемся развесовкой
автомобиля-прототипа при
(2)
где m1 – масса, приходящееся на переднюю ось;
ma – полная масса автомобиля.
Выбор шин осуществляется по максимальной скорости и нагрузке на колесо. Максимальная скорость автомобиля равна 170 километров в час, тогда индекс категории скорости М, индекс нагрузки на шину – 93. Диаметр обода колеса выберем как у
прототипа – 14 дюймов. Шины будем подбирать с рисунком протектора повышенной проходимости; радиальную, поскольку у такой шины выше стойкость к износу, она долговечнее и обладает меньшим коэффициентом сопротивления качению, что позволяет экономить топливо, также она обеспечивает лучшую управляемость и боковую устойчивость автомобиля, и лучшую устойчивость автомобиля за счет большего по площади пятна контакта; также шины должны быть бескамерными, потому что при проколе такие шины дольше сохраняют давление и, следовательно, обеспечивают большую безопасность.
Пусть шина будет иметь следующий размер 175/65R14 93, где
175 – ширина профиля шин в мм;
65 – отношение высоты профиля к ширине в процентах;
R – радиальная шина;
14 – внутренний диаметр шины,
соответствующий диаметру
93 – индекс грузоподъемности;
М – индекс скорости.
Рассчитываем радиус качения колеса с выбранной шиной:
(3)
где rc – статический радиус, определяемый по формуле:
(4)
Здесь d – диаметр обода колеса, м;
λш – коэффициент, учитывающий вертикальную деформацию шины ( для стандартных шин λш= 0,88…0,9);
H – высота профиля шины, м.
Рассчитываем d=14 2,54=0,355 (м), λш= 0,9; Н = 0,114 (м). Тогда
3.3 Выбор двигателя и построение
его внешней скоростной
В настоящее время на автомобилях наиболее широкое распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Выбирать тип двигателя вновь проектируемого автомобиля необходимо с учётом развития отечественного и зарубежного двигателестроения. В последние годы у нас в стране наблюдается тенденция устанавливать на грузовые автомобили средней и большой грузоподъемности дизельные двигатели. На легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности применяют бензиновые двигатели.
Выбрав тип двигателя, определяют его максимальную мощность Nmax. Для этого сначала находят мощность двигателя при выбранной максимальной скорости автомобиля при движении на горизонтальной асфальтобетонной или другой заданной дороге. Мощность двигателя при Vmax рассчитывают по формуле:
(5)
в которой ΨVmax и – коэффициент сопротивления дороги и КПД трансмиссии при максимальной скорости;
(6)
где f0 – коэффициент сопротивления качению, относящийся к малым скоростям и для асфальтобетона f0 = 0,012…0,015;
k1 = (52…65).10-5;
Ga = ma.g = 1470.9,81 = 14420.7 (Н) – вес автомобиля;
Vmax = 185 км/ч = 51.39 м/с; kF = 0,4 Н. /м2;
= 0,9, тогда коэффициент сопротивления дороги при Vmax:
А мощность двигателя при выбранной максимальной скорости:
Степень использования оборотов двигателя:
(7)
где - обороты двигателя, соответствующее максимальной мощности. Для бензиновых двигателей =1,1…1,2.
Максимальная мощность определяется по формуле:
(8)
где a, b и c – коэффициенты, характеризующие тип и конструкцию двигателя внутреннего сгорания, a = b = c = 1; тогда
(9)
Внешняя скоростная характеристика может быть получена из анализа следующей формулы
(10)
где Nmax определено по формуле (9);
Nm и nm – текущее значение мощности и числа оборотов вала двигателя в минуту;
a, b и c – коэффициенты, характеризующие тип и конструкцию двигателя внутреннего сгорания, a = b = c = 1;
nN = 5400 об/мин;
nmin = 900 об/мин;
nmax = 5940 об/мин;
Зададим в интервале от nmin до nmax еще ряд значений nm, найдём соответствующие
значения Nm и построим кривую зависимости Nm = f(nm), а затем и Mm = f(nm), имея ввиду, что
(11)
(12)
где Nm – в кВт;
nm – в об/мин
ωm – угловая частота вращения коленчатого вала, 1/с.
Таблица 1
n, об/мин |
Nm, кВт |
Mm, Н*м |
900 |
16,97 |
180,06 |
1100 |
21,17 |
183,75 |
1300 |
25,46 |
187,00 |
1500 |
29,82 |
189,82 |
1700 |
34,22 |
192,21 |
1900 |
38,63 |
194,16 |
2100 |
43,03 |
195,68 |
2300 |
47,39 |
196,76 |
2500 |
51,68 |
197,42 |
2700 |
55,88 |
197,63 |
2900 |
59,95 |
197,42 |
3100 |
63,87 |
196,76 |
3300 |
67,62 |
195,68 |
3500 |
71,16 |
194,16 |
3700 |
74,47 |
192,21 |
3900 |
77,52 |
189,82 |
4100 |
80,28 |
187,00 |
4300 |
82,74 |
183,75 |
4500 |
84,85 |
180,06 |
4700 |
86,59 |
175,94 |
4900 |
87,94 |
171,39 |
5100 |
88,86 |
166,40 |
5300 |
89,34 |
160,98 |
5500 |
89,34 |
155,12 |
5700 |
88,83 |
148,83 |
5900 |
87,80 |
142,11 |
Рисунок 1 – внешняя скоростная характеристика.
Рабочий объем (литраж) двигателя рассчитывается по формуле:
(13)
где Nmax (кВт) и nN (об/мин) – выбрано по внешней скоростной характеристики;
τ – тактность двигателя; τ = 4 для четырёхтактного двигателя;
PeN – среднее эффективное давление при максимальной мощности;
PeN = 0,75 МПа.
По полученному рабочему объему двигателя можно установить класс и некоторые характеристики проектируемого легкового автомобиля. Автомобиль среднего класса второй группы.
3.4 Определение передаточного числа главной передачи
Так как в техническом задании определена максимальная скорость автомобиля, то передаточное число главной передачи определяется исходя из соотношения
(14)
где nV – обороты коленчатого вала, соответствующие максимальной скорости автомобиля; nV =5940 об/мин;
iкв – передаточное число коробки передач на высшей передачи; iкв = 0,784;
iдв – передаточное число высшей передачи в дополнительной или раздаточной коробке; iдв = 1.
3.5 Выбор числа
передач и определение
При выборе числа передач в коробке передач обычно учитывают два фактора:
- чем выше число передач, тем выше динамические качества автомобиля и меньше расход топлива;
- с увеличением числа передач растут габариты, металлоемкость и стоимость коробки передач.
Исходя из вышеизложенного, обычно выбирают для легковых автомобилей и грузовых автомобилей малой и средней грузоподъёмность при механической трансмиссии 4…5 передач, для автомобилей большой грузоподъемности может бытии 6…12 передач.
Выбор передаточных
чисел коробки передач
Передаточное число первой передачи выбирают из условия преодоления максимального сопротивления дороги Ψmax и отсутствия буксования ведущих колёс при заданном значении φ:
(15)
где
Ψmax = 0,373;
φ = 0,8;
Gсц = m1G1= 8652,42 - если ведущие только передние колеса.
m1 – коэффициент, учитывающий перераспределение нагрузки на передние ведущие колеса.
m1 = 0,6.
Передаточное число первой передачи ik1 должно удовлетворять условию обеспечения минимальной устойчивой скорости движения Vmin:
(16)
где nmin – минимальная частота вращения коленчатого вала при полной подачи топлива; nmin = 700 об/мин;
Vmin = 5 км/ч
Считая коробку двухвальной, в которой прямая передача отсутствует, выберем промежуточные по геометрической прогрессии согласно формуле:
(17)
где ikm – передаточное число промежуточной передачи;
m – номер произвольной промежуточной передачи;
n – номер расчетной высшей передачи.
ik5 =0,784.
Необходимо выполнить
Изменим передаточные числа следующим образом:
ik1=3,4
ik2=2,24
ik3=1,47
ik4=1,02
ik5=0,783
3.6 Тяговая и динамическая характеристика автомобиля
Тяговая и динамическая характеристика представляет собой графики зависимостей Pk = f(V) и D = f(V) на всех передачах, а также PW = f(V); PΨ = f(V) и Ψ = f(V) на горизонтальной дороге, и рассчитываются на основании следующих зависимостей:
сила тяги на колесе
(19)
скорость движения
(20)
сопротивление дороги
(21)
(22)
сопротивление воздуха
(23)
динамический фактор
(24)
- передаточное число трансмиссии при наличии коробки передач,
дополнительной или
при движении без пробуксовывания;
П – количество прицепов или полуприцепов;
- коэффициент, учитывающий влияние прицепа или полуприцепа на сопротивление воздуха, оказываемого автопоезду:
=0,1 – для полуприцепа;
=0,2…0,3 – для прицепа.
f0 – табличное значение коэффициента сопротивления дороги; f0 = 0,016 – для сухого асфальтобетонного и бетона первой и второй категорий дорог.
Размерность: M – Н.м; n – об/мин; V – км/ч; r – м; Ga – Н; kF – Н.с2/м2;
k1 = (4…5).105.
Угол подъема, который преодолевает автомобиль на каждой передаче при разных значениях равномерной скорости и заданном коэффициенте сопротивления качению, определяется по уравнению:
(25)
Вычисленные по формулам (20)…(26) значения занесены в таблицу 2, и по этим результатам построены графики зависимостей Pk = f(V) и
D = f(V) на всех передачах, а также PW = f(V); PΨ = f(V); = f(V) и Ψ = f(V) на горизонтальной дороге.
Рисунок 2. График зависимости Pk = f(V) (тяговая характеристика).
Рисунок 3. График зависимости D= f(V) (динамическая характеристика).
Рисунок 4. График зависимости = f(V) (преодолеваемые углы подъёма).
3.7 Ускорение автомобиля
Время равномерного движения автомобиля обычно мало по сравнению с общим временем его работы. Например, в городах оно составляет 15…20% времени движения, от 30 до 45% - ускоренное движение и 30…40% - движение накатом и торможение.
Показателями динамических свойств автомобиля при неравномерном движении служат величины ускорений, а также путь и время, необходимое для движения в определённом интервале изменения скорости.
Ускорение движения, которое может развивать автомобиль при заданных условиях, характеризует приемистость автомобиля: чем больше ускорение, тем выше при прочих равных условиях средняя скорость движения, а, следовательно, и производительность автомобиля.
Ускорение автомобиля находят из формулы:
(26)
При полной нагрузке, высоком КПД
трансмиссии и отсутствии буксования
можно воспользоваться
(27)
где k4 = 0,06, тогда
δ1 = 1,724; δ2 = 1,33; δ3 = 1,16; δ4 = 1,09; δ5 = 1,07.
По формуле (27) строятся кривые зависимости обратных ускорений автомобиля от скорости движения.
Рисунок 4. График обратных ускорений.
3.8 Определение времени и пути разгона
Ускорение, полностью характеризует способность автомобиля к быстрому разгону, но не даёт достаточно наглядного представления о приемистости автомобиля. Поэтому определяют время и путь разгона, которые позволяют выявить приемистость автомобиля в более наглядной форме и сравнить автомобили по этим показателям.
Так как отсутствует аналитическая связь между обратным ускорением 1/j и скоростью V, то время разгона обычно определяют графоаналитически.
Для построения зависимости времени разгона от скорости всю площадь под кривой 1/j = f(V) разбивают вертикальными линиями на участки с интервалом 10 км/ч. Для упрощения подсчета площадь каждого участка заменяют площадью равновеликого участка с высотой где 1/j1 и 1/j2 – обратные ускорения в начале и в конце интервала скорости. Тогда для участка, например, при изменении скорости от V1 до V2 время разгона
, (28)
где V – скорость, км/ч; j – ускорение, м/с2.
Аналогично определяем t2, t3, t4 … tn по остальным участкам.
Путь разгона определяют из соотношения V = dS/dt:
(29)
этот интеграл решают также графоаналитически, используя график t = f(V).
Для построения графика S = f(V) эту площадь разбивают горизонтальными линиями на несколько участков. Для упрощения подсчёта площадь каждого участка заменяют площадью равновеликого участка с тем же основанием и высотой . Здесь V1 и V2 – скорости соответственно в начале и в конце участка. При изменении скорости от V1 до V2
(30)
Аналогично определяем S2, S3 … Sn по остальным участкам.
По найденным точкам строим кривую S = f(V).
Для построения двух кривых ниже приведены таблица 4.
Таблица 4 | ||
V, км/ч |
t, с |
S, м |
0 |
0.55 |
0.76 |
10 |
1.02 |
2.87 |
20 |
1.51 |
6.18 |
30 |
2.1 |
11.06 |
40 |
2.79 |
17.71 |
50 |
3.65 |
26.51 |
60 |
4.64 |
37.86 |
70 |
5.83 |
52.24 |
80 |
7.25 |
70.25 |
90 |
8.88 |
92.5 |
100 |
10.84 |
119.75 |
110 |
13.03 |
152.78 |
120 |
15.44 |
192.19 |
130 |
18.16 |
237.7 |
140 |
21.31 |
292.33 |
150 |
25.07 |
356.35 |
166.5 |
27.2 |
391.67 |
Рисунок 5. График зависимости времени и пути движения от скорости.
4. Топливная экономичность автомобиля
Топливная экономичность характеризует способность автомобиля выполнять перевозки с минимальным расходом топлива.
Топливная экономичность зависит от:
- совершенства конструкции двигателя и всего автомобиля;
- квалификации водителя;
- организации транспортного потока;
- дорожно-климатических условий.
Топливная экономичность двигателя оценивается показателями:
- часовой расход топлива G;
- удельный эффективный расход топлива ge.
Для построения графика зависимости
расхода топлива от скорости движения
воспользуемся следующей
(31)
Топливную экономичность необходимо рассчитывать при установившемся и неустановившемся движении. При установившемся движении расчёт ведётся на высшей передачи, здесь же необходимо рассчитать расход топлива при некотором значении ускорения. При неустановившемся движении, с максимальной интенсивностью разгона строится на каждой передачи.
Установившееся движение
При установившемся движении скорость постоянная величина, и ускорение равно нулю.
.
Неустановившееся движение
При неустановившемся движении скорость не постоянна и ускорение не равно нулю.
,
где .
Удельный эффективный расход топлива определяется по следующей формуле
, где g = 330 г/кВтч.
, (32)
где Ku – коэффициент использования мощности двигателя;
U – степень использования мощности, U = (NΨ + NW + Nj)/(Nm.ηтр).
, (33)
где Kω – коэффициент использования частоты вращения коленчатого вала
E – степень использования оборотов двигателя; E = ωm/ωN.
Расход топлива на пятой передачи приведен в таблице 9.
Таблица 5
1 передача | ||||||
V, км/ч |
Иj |
Киj |
Кω |
Е |
gej, г/(кВт*ч) |
Qj, кг/100 |
6,46 |
1 |
1 |
0,91 |
0,17 |
232 |
3,40 |
7,89 |
1 |
1 |
0,89 |
0,20 |
226 |
3,27 |
9,33 |
1 |
1 |
0,87 |
0,24 |
221 |
3,17 |
10,76 |
1 |
1 |
0,85 |
0,28 |
216 |
3,08 |
12,20 |
1 |
1 |
0,83 |
0,31 |
211 |
3,00 |
13,63 |
1 |
1 |
0,81 |
0,35 |
207 |
2,94 |
15,07 |
1 |
1 |
0,80 |
0,39 |
204 |
2,90 |
16,50 |
1 |
1 |
0,79 |
0,43 |
201 |
2,87 |
17,94 |
1 |
1 |
0,78 |
0,46 |
198 |
2,85 |
19,37 |
1 |
1 |
0,77 |
0,50 |
196 |
2,84 |
20,81 |
1 |
1 |
0,76 |
0,54 |
195 |
2,84 |
22,24 |
1 |
1 |
0,76 |
0,57 |
194 |
2,86 |
23,68 |
1 |
1 |
0,76 |
0,61 |
193 |
2,88 |
25,11 |
1 |
1 |
0,75 |
0,65 |
192 |
2,92 |
26,55 |
1 |
1 |
0,75 |
0,69 |
192 |
2,97 |
27,98 |
1 |
1 |
0,76 |
0,72 |
193 |
3,04 |
29,42 |
1 |
1 |
0,76 |
0,76 |
193 |
3,12 |
30,85 |
1 |
1 |
0,76 |
0,80 |
194 |
3,21 |
32,28 |
1 |
1 |
0,77 |
0,83 |
196 |
3,33 |
33,72 |
1 |
1 |
0,77 |
0,87 |
197 |
3,46 |
35,15 |
1 |
1 |
0,78 |
0,91 |
199 |
3,62 |
36,59 |
1 |
1 |
0,79 |
0,94 |
201 |
3,81 |
38,02 |
1 |
1 |
0,80 |
0,98 |
203 |
4,03 |
39,46 |
1 |
1 |
0,80 |
1,02 |
205 |
4,30 |
40,89 |
1 |
1 |
0,81 |
1,06 |
208 |
4,62 |
42,33 |
1 |
1 |
0,83 |
1,09 |
210 |
5,02 |
Таблица 6
2 передача | ||||||
V, км/ч |
Иj |
Киj |
Кω |
Е |
gej, г/(кВт*ч) |
Qj, кг/100 |
9,75 |
1 |
1 |
0,91 |
0,17 |
232 |
41,74 |
11,92 |
1 |
1 |
0,89 |
0,20 |
226 |
41,45 |
14,09 |
1 |
1 |
0,87 |
0,24 |
221 |
41,10 |
16,25 |
1 |
1 |
0,85 |
0,28 |
216 |
40,68 |
18,42 |
1 |
1 |
0,83 |
0,31 |
211 |
40,21 |
20,59 |
1 |
1 |
0,81 |
0,35 |
207 |
39,69 |
22,75 |
1 |
1 |
0,80 |
0,39 |
204 |
39,14 |
24,92 |
1 |
1 |
0,79 |
0,43 |
201 |
38,56 |
27,09 |
1 |
1 |
0,78 |
0,46 |
198 |
37,94 |
29,25 |
1 |
1 |
0,77 |
0,50 |
196 |
37,29 |
31,42 |
1 |
1 |
0,76 |
0,54 |
195 |
36,61 |
33,59 |
1 |
1 |
0,76 |
0,57 |
194 |
35,89 |
35,76 |
1 |
1 |
0,76 |
0,61 |
193 |
35,13 |
37,92 |
1 |
1 |
0,75 |
0,65 |
192 |
34,33 |
40,09 |
1 |
1 |
0,75 |
0,69 |
192 |
33,46 |
42,26 |
1 |
1 |
0,76 |
0,72 |
193 |
32,54 |
44,42 |
1 |
1 |
0,76 |
0,76 |
193 |
31,55 |
46,59 |
1 |
1 |
0,76 |
0,80 |
194 |
30,48 |
48,76 |
1 |
1 |
0,77 |
0,83 |
196 |
29,31 |
50,93 |
1 |
1 |
0,77 |
0,87 |
197 |
28,05 |
53,09 |
1 |
1 |
0,78 |
0,91 |
199 |
26,67 |
55,26 |
1 |
1 |
0,79 |
0,94 |
201 |
25,17 |
57,43 |
1 |
1 |
0,80 |
0,98 |
203 |
23,53 |
59,59 |
1 |
1 |
0,80 |
1,02 |
205 |
21,75 |
61,76 |
1 |
1 |
0,81 |
1,06 |
208 |
19,80 |
63,93 |
1 |
1 |
0,83 |
1,09 |
210 |
17,68 |
