Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет систем двигателя

1 Визначення повної маси, осьових навантажень, компонування і колісної формули автомобіля

Компонувальну схему автомобіля приймають на основі аналізу компонувальних схем автомобілів світового автомобілебудування і на базі наукового прогнозу. Компонувальну схему приймаю за прототипом, у якості якого вибираю ВАЗ-2107.

Визначення маси автомобіля

Повну масу автомобіля, який проектується, при попередніх розрахунках можна визначити за виразом:

, (1.1)

де – власна маса автомобіля, кг;

= 75 кг – маса пасажира та водія;

=50 кг– маса багажу. Масу багажу водія і пасажира вантажного автомобіля приймають 5 кг, а легкового автомобіля –10 кг на одну людину;

z=4 – число місць для пасажирів;

Чисельне значення:

кг.

Розподіл маси по осях залежить від прийнятої компонувальної схеми і ступеня навантаження. При виконанні проекту автомобіль розглядається повністю завантаженим.

Розподіл маси і кількість осей автомобіля, що проектується, для експлуатації на дорогах загального користування визначаємо, орієнтуючись на існуючі конструкції., але при цьому виходимо із допустимих навантажень на вісь, зумовлених міцністю дорожніх покриттів.

Навантаження на кожну з осей автомобіля можна також визначити, виходячи з того, що автомобіль-прототип має дві осі:

кг,

де Mа – повна маса автомобіля, кг;

Базу автомобіля L приймаємо 2.45м, орієнтуючись на існуючі конструкції, координати центра мас за базою знаходимо із виразів:

м,

де, а – відстань від передньої осі до центра мас;

b – відстань від задньої осі до центра мас.

Висоту центра мас hg приймають у межах ( 0,7 …0,8) м для легкових автомобілів. Приймаємо hg = 0,75м.

Уточнення колісної формули

Колісну формулу автомобіля визначаємо, користуючись наступними умовами: повнопривідний автомобіль приймається у випадку, якщо:

– для двовісних автомобілів із одинарними колесами на задній осі;

– для двовісних автомобілів зі здвоєними колесами задньої осі;

– для тривісних вантажних автомобілів зі здвоєними колесами задніх осей.

де φ – коефіцієнт зчеплення коліс із дорогою, який задасться у вхідних даних для характеристики ґрунтових доріг, а для доріг з твердим покриттям приймається 0,7;

max – максимальний коефіцієнт опору дороги, який задасться у вихідних даних, повинен враховувати подолання автомобілем максимальних підйомів, закладених у стандартах.

В нашому випадку автомобіль приймаємо не повнопривідний.

1.3 Вибір шин

Вибір шин проводиться за максимальним навантаженням на колесо. Навантаження на колесо передньої осі Gк1 для всіх автомобілів визначають за формулою

Н.

Навантаження на одне заднє колесо легкового автомобіля залежить від колісної формули автомобіля. Прийнявши за прототипом колісну формулу 4х2 (автомобіль двовісний), визначаю навантаження на одне заднє колесо:

Чисельне значення:

Шини вибираємо згідно з Держстандартом 4754–80 "Шины пневматические для легковых автомобилей, із Держстандартом 5513–75 "Шины пневматические для легковых автомобилей, автоприцепов, автобусов и троллейбусов", із Держстандартом 8430–76 "Шины пневматические для большегрузных автомобилей» строительных, дорожных и подъемно–транспортных машин"; із Держстандартом 13298–78 "Шины пневматические с регулируемым давлением"

Зі стандарту вибираю шини з наступними параметрами:

позначення шини Бел-59 205/70 R14 93T
зовнішній діаметр шини без навантаження D=652мм
статичний радіус rcm=295мм
допустима швидкість руху Vmax.=150 км/час
максимальне навантаження на шину G=6500 Н

Динамічний радіус rd та радіус кочення колеса rк із достатньою точністю приймають рівним статичному радіусові rст , наведеному в стандарті, тобто вважають, що rd ≈ rк ≈ rст .

У подальших розрахунках будемо користуватись поняттям радіус колеса rк, вважаючи, що для визначення параметрів динаміки автомобіля – це динамічний радіус rd, а параметрів кінематики – це радіус кочення колеса rк..

Із достатньою точністю радіус колеса rк можливо визначити за виразом:

,мм

де d – діаметр обода;

D – зовнішній діаметр колеса без навантаження;

– коефіцієнт вертикальної деформації.

Для шин тороїдних – = 0,85...0.87; для шин із регульованим тиском- = 0,8... 0,85. Приймаю для розрахунку =0,82.

Чисельне значення:

1.4 Вибір схеми загального компонування автомобіля

Компонувальну схему розробляють на основі аналізу компонувальних схем автомобілів світового автомобілебудування та на базі наукового прогнозу. Визначальний вплив на вибір схеми загального компонування автомобіля, мають умови його експлуатації.

При розробці схеми загального компонування автомобіля перш за все визначають загальну кількість його осей та кількість ведучих осей, виходячи із призначення і умов експлуатації та орієнтуючись на існуючі конструкції.

Схема компонування автомобіля наведена на рисунку 1.1

Рисунок 1.1- Компонувальна схема авто

2 Тяговий розрахунок автомобіля

2.1 Розрахунок потужності й частоти обертання колінчастого вала двигуна автомобіля

Розрахункову потужність Nt двигуна, необхідну для руху повністю навантаженого автомобіля зі сталою максимальною швидкістю Vmax у заданих дорожніх умовах визначаю за формулою:

. (2.1)

де G – вага автомобіля з вантажем, Н;

Vmax=135 км/год – максимальна швидкість руху автомобіля на прямій передачі в заданих дорожніх умовах;

=0,061— приведений коефіцієнт дорожнього опору ;

К=0,25Н × с2/см4 — коефіцієнт обтічності автомобіля;

F – площа лобового опору автомобіля, що підраховується за формулою

F = В × Н=1,49∙1,42=2.11м2; (2.2)

Н – габаритна висота автомобіля, м; Н = 1,49 м

В – колія, м; В = 1,42 м

тр – механічний К.К.Д. трансмісії. Приймають для режиму максимальної швидкості рівним 0,85...0,93. тр=0.93

Після підстановки значень розрахункових параметрів знаходжу:

кВт.

При проектуванні для забезпечення необхідного динамічного параметра в області середніх експлуатаційних швидкостей руху визначають максимальну потужність двигуна за формулою:

Ne max = (1,05…1,10) Ne=1,05∙74,33=78кВт.

2.2 Розрахунок і побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

Зовнішня швидкісна характеристика є залежністю ефективної потужності Ne, моменту Ме, питомої ge і погодинної Gт витрат палива від числа обертів ne колінчастого вала двигуна при повному навантаженні.

Залежність ефективної потужності Ne у функції числа обертів ne колінчастого вала двигуна можна побудувати, використовуючи формулу С.Р.Лейдермана:

, (2.4)

де nN - частота обертання колінчастого вала двигуна при максимальній

(Nemax= Nmax) потужності;

Ne і ne – поточне значення потужності і частоти обертання колінчастого вала.

При побудові графіків, слід задатися 6…8-мома значеннями частоти обертання ne в діапазоні від nmin до nvmax. Мінімальну стійку частоту обертання колінчастого вала приймають рівною: для бензинових двигунів – nmin = 800хв-1; для дизелів – nmin = 600хв-1.

Частоту обертання колінчастого вала при максимальній швидкості (nvmax) знаходять залежно від вибраного значення коефіцієнта швидкохідності за формулою: nVmax = Me ∙ nN. Значення ефективного моменту Ме двигуна (Н·м) визначається за формулою:

Me=9550(Ne / ne). (2.5)

Поточні значення питомого ge ( г/кВт·год) і погодинного Gт ( кг/год) витрат палива можна визначити за формулами:

, (2.6)

де gN - ефективна витрата палива при Nemax (г/кВт·год); для бензинових двигунів: gN = (250…350), г/кВт·год; для дизелів: gN = (215…285), г/кВт·год;

Gт=Ne ge10-3. (2.7)

Прийнявши для чисельних розрахунків мінімальні оберти колінчастого вала nmin = 800хв-1, номінальні (при максимальній потужності) – nN = 4500 хв-1 і максимальні для не завантаженого автомобіля – nmах = 2500хв-1, а = b = с = 1, gN = 255 г/кВт·год (за прототипом) проводимо розрахунки, результати яких заносимо в таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 – Параметри зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

За даними таблиці. 1.5 будується зовнішня швидкісна характеристика двигуна: графіки Ne = f(ne); Ме = f(ne); ge = f(ne); Gт = f(ne)

Рисунок 2.1 – Зовнішня швидкісна характеристика двигуна

2.3 Визначення передавальних чисел трансмісії автомобіля

Передавальне число головної передачі визначають за умови забезпечення заданої максимальної швидкості автомобіля Vmax (в м/с) при прийнятому значенні nmax за формулою:

, (2.8)

де i0 – передавальне число головної передачі;

rк – радіус колеса, м; для чисельного розрахунку rк = 0,42 м;

iкв - передавальне число КП на вищій ступені; приймаємо iкв =1;

iд - передавальне число вищої ступені додаткової передачі (роздавальна коробка, демультиплікатор); iд =1(відсутні);

is - ковзання гідротрансформатора. Якщо в гідротрансформаторі передбачено блокування, а також у випадку вживання трансмісії механічного типу, коли гідротрансформатор відсутній, is = 1. На вищому швидкісному режимі is = 0,97… 0,98. Якщо в трансмісії автомобіля не передбачена прискорювальна передача, то вищою є пряма передача, а iкв = 1. За наявності прискорювальної передачі приймають iкв = 0,75…0,85. Передавальне число вищої ступені додаткової передачі вибирають у межах iд = 1,0…1,5 .

Чисельний розрахунок:

Приймаємо

Передавальне число КП на першій передачі визначається з умови можливості подолання автомобілем при рівномірному русі заданого максимального дорожнього опору max.

Передавальне число КП на першій передачі визначають за формулою:

, (2.9)

де Мemax – максимальний крутний момент двигуна, Н·м;

– ККД трансмісії; = 0,93.

Чисельне значення:

Отримане передавальне число iкi, необхідно перевірити по умові забезпечення зчеплення провідних коліс з дорогою.

Максимально можливе передавальне число коробки на першій передачі по умові зчеплення провідних коліс визначають за формулою:

(2.10)

де – коефіцієнт зчеплення (значення, що рекомендуються = 0,2…0,8); приймаємо – = 0,7;

mp2 – коефіцієнт зміни нормальних реакцій на ведучих (задніх) колесах автомобіля (при розгоні mp2max = 1,15…1,20);

М2 = (Ma·a)/ L – маса, що приходиться на задні ведучі колеса автомобіля в статичному положенні; М2=977 кг;

М2·g = 9584.37 Н ;

L = (а + b) - колісна база автомобіля;

а, b - відстані від центра мас автомобіля до переднього або заднього мостів відповідно. Якщо проектується автомобіль зі всіма ведучими колесами, то mpmax = 1, а G2 = Gа.

Можливість руху автомобіля на дорогах з прийнятим коефіцієнтом зчеплення буде забезпечена за умови дотриманні нерівності i ≥ iк1.

Чисельний розрахунок:

Отже умова виконується.

Визначення передавальних чисел проміжних ступеней коробки передач. Передавальні числа проміжних передач вибирають з умови забезпечення оптимальних показників тягово-швидкісних і паливно-економічних властивостей.

Перш за все доцільно визначати передавальне число на вищій передачі, яке визначають за формулою:

. (2.12)

Чисельний розрахунок при коефіцієнті, рівному 1,00 і = 37,5 м/с:

Визначають максимальну тягову силу при найтяжчих умовах руху автомобіля (грунтова дорога, підйом б=120; V= 5 км/год. = 1,38 м/с; fкmax= 0,05) за формулою:

. (2.13)

Чисельне значення:

Н.

Сила зчеплення коліс з дорогою:

(2.14)

Чисельне значення при ц = 0,5:

Н.

Тобто необхідна для руху автомобіля без буксування умова ( ) виконується.

Визначають передавальне число трансмісії за формулою:

. (2.15)

Чисельне значення:

Мінімальна кількість ступеней в коробці передач визначається за формулою:

(2.16)

Чисельне значення при = 2500 хв-1 (оберти колінчастого вала при максимальному крутному моменті, взято з таблиці 2.1):

Можна приймати триступеневу коробку передач.

При вирішенні питання про вибір кількості передач необхідно також враховувати досвід автомобілебудування і тенденції його розвитку.

В цілях уніфікації , а також за автомобілем-прототипом приймаємо =4, що

відповідає коробкам передач автомобілів ГАЗ 2410.

Дослідним шляхом встановлено, що найкраща динамічність автомобіля досягається в тому випадку, коли передавальні числа КП змінюються відповідно до закону геометричної прогресії.

Визначимо знаменник геометричної прогресії:

(2.17)

Чисельне значення:

Передавальне число на першій передачі:

. (2.18)

Чисельне значення:

Передавальні числа на наступних передачах визначають за формулою:

(2.19)

Чисельні значення:

Четверту передачу приймаємо прямою.

Передавальне число передачі заднього ходу визначають із залежності:

(2.20)

Чисельне значення знайдемо, прийнявши Отже:

2.4 Розрахунок показників динамічності автомобіля

2.4.1. Показники динамічності при рівномірному русі.

При рівномірному русі автомобіля визначають наступні показниками його тягової динамічності: максимальну швидкість Vmax руху при заданих дорожніх умовах; значення коефіцієнтів опору дороги ш max при русі автомобіля на нижчій передачі і шv – на вищій передачі, а також відповідні їм величини динамічного фактора Dmax і Dv.

При вказаних розрахунках використовують методи силового балансу і побудови динамічної характеристики, які в своїй основі є графо-аналітичними методами.

2.4.1.1. Метод силового балансу.

При русі автомобіля рушійні сили зрівноважуються дією сил опору руху. При цьому рівняння тягового балансу в загальному випадку має вигляд:

РТ =Мкол /гк=Рfк±Рh+Рw ±Рj = Рш+ Рw ±Рj. (2.21)

де Мкол – крутний момент, що підводиться до коліс;

Pш = Pfk ± Ph – спільний опір руху автомобіля від втрат на кочення коліс і підйом автомобіля:

Pш = Pfk ± Ph = Ma ∙g (fк ∙cosб ± sin ) = Ma∙g∙ш. (2.22)

При малих (і = 0) і ш = fк + і = fк.

У разі рівномірного руху автомобіля сила інерції Рj дорівнює нулю, а рівняння (3.1) набуває вигляду:

РТ = Рш+ Рw. (2.23)

При вирішенні задач, пов’язаних з визначенням динамічних властивостей автомобіля користуються його тяговою характеристикою. При цьому використовується зовнішня швидкісна характеристика двигуна.

Будують тягову характеристику, в основному, за методом А.Н. Островцева.

Вона представляє собою графіки залежностей Рт = f(V) і Рa = РТ –Рw = f(V), де Рa –вільна сила, яка представляє собою різницю між силою тяги и силою опору повітря. Крім того, в тяговій характеристиці представлені залежності Рш = f(ш) – сили опору дороги від коефіцієнта дорожнього опору при різному завантаженні автомобіля і Рзч = f(ц) – максимальної сили зчеплення за умовами зчеплення ведучих коліс з дорогою, а також – сили тяги від коефіцієнта зчеплення при різному завантаженні автомобіля.

Швидкості руху автомобіля на різних передачах залежно від частот обертання колінчастого вала ne визначаються за формулою:

, м/с. (2.24)

Силу тяги Рт на ведучих колесах автомобіля визначають за формулою:

, Н (2.25)

Силу Рw опору повітря руху автомобіля знаходять за формулою:

= Кв ∙F∙ V2 , Н (2.26)

Вільна сила Рa, яка представляє собою різницю між силою тяги и силою опору повітря визначається за формулою:

Рa = РТ –Рw, (2.27)

Таблиця 2.2– Показники тягової характеристики автомобіля

За даними табл. 2.2 будуємо середню частину графіка силового балансу, зразок якого наведено на рисунку 2.2.

Рис 2.2 – Силовой баланс автомобіля.

Ліву и праву частини графіка будують на основі наступних залежностей:

Рψ = ψ (М0 +Мх)g, Н; (2.28)

Рзч= φ ·МФзчg, Н, (2.29)

де , М0 – споряджена маса автомобіля, кг; М0=1420

Мх – маса завантаженого автомобіля, кг; Мх=1845

Мзч – маса автомобіля, яка припадає на ведучі колеса, при відповідному стані завантаження, кг;

– коефіцієнт зчеплення ( = 0,1…0,8). Мзч визначають при нульовому і повному завантаженнях. Для інших станів завантаження приблизно приймають, що зчіпна маса пропорційна загальній масі автомобіля, тобто:

Мзч = М10 + кG· Мx , (2.30)

де М10 – частина спорядженої маси автомобіля, яка приходиться на ведучі колеса; М10=977 кг.

кG -коефіцієнт завантаження; кG = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0.

2.4.1.2. Метод динамічної характеристики

Динамічна характеристика будується на основі тягової характеристики автомобіля. Вона є графіком залежності динамічного фактора D від швидкості руху автомобіля V на всіх передачах.

Величину динамічного фактора визначають за формулою:

(2.31)

де Ра = РТ – Рw – залишкова (вільна) сила тяги, котра може бути використана на подолання сил опору дороги та розгону автомобіля.

Беручи до уваги рівняння тягового балансу автомобіля і припускаючи cosб =1,а sinб =0 , вираз для динамічного фактора можна записати так [1]:

∙cosб ± sinб ± (д /g)∙ , або D = ± (д /g)∙ . (2.32)

При усталеному русі автомобіля D = .

Для побудови динамічної характеристики автомобіля, використовуючи дані таблиці 2.2, складаємо таблицю 2.3.

Таблица 2.3 – Показники для побудови динамічної характеристики автомобіля

передача	V, м/сек	Pa, H	D	передача	V, м/сек	Pa, H	D
1	3,47	4258,43	0,235	3	5,37	2722,97	0,150
	6,50	4537,22	0,251		10,06	2886,27	0,159
	8,67	4624,59	0,256		13,42	2992,06	0,165
	10,84	4619,38	0,255		16,77	2986,20	0,165
	15,17	4328,46	0,239		23,48	2801,08	0,155
	19,51	3655,73	0,202		30,19	2370,49	0,131
2	4,31	3427,77	0,189	4	6,63	2160,74	0,119
	8,08	3649,03	0,202		12,43	2277,30	0,126
	10,77	3729,63	0,206		16,58	2396,61	0,132
	13,46	3725,92	0,206		20,72	2387,39	0,132
	18,85	3499,15	0,193		29,01	2234,10	0,123
	24,23	2967,66	0,164		37,30	1882,60	0,104

Значення швидкості V і вільної сили Ра на ведучих колесах і на різних передачах КП переносимо з таблиці 2.2.

Щоб не перераховувати при кожній зміні навантаження величину динамічного фактора, динамічну характеристику доповнюють номограмою завантажень. З цією метою вісь абсцис динамічної характеристики продовжують вліво і наносять на ній шкалу навантажень Н %. З нульової точки шкали завантажень будують вісь ординат і наносять на ній шкалу динамічного фактора D0 для не завантаженого автомобіля. Величину масштабу «а0» в мм для шкали «D0» знаходять із співвідношення:

, мм, (2.33)

де а - масштаб шкали динамічного фактора D для повністю завантаженого автомобіля, мм.

Рівнозначні ділення шкал D і Dо сполучаємо між собою прямими лініями і отримуємо номограму завантажень.

Рисунок 2.2 – Динамічна характеристика автомобіля

Щоб оцінити можливість роботи автомобіля без буксування ведучих коліс при різному завантаженні автомобіля, необхідно зіставити величини динамічних факторів за умовами тяги D і зчеплення Dц. Таке зіставлення виконують за допомогою графіка контролю буксування, що характеризує величини динамічного фактора Dц по зчепленню при різних значеннях навантаження і коефіцієнта зчеплення.

Значення динамічних факторів по зчепленню завантаженого Dц, і не завантаженого автомобіля Dоц при різних значеннях коефіцієнта зчеплення визначають за формулами:

. (2.34)

і відкладають, відповідно, по осях D і D0 у тому ж масштабі.

Значення Dц і D0ц, обчислені для однакових коефіцієнтів зчеплення ц сполучають між собою прямими пунктирними лініями. Над кожною пунктирною лінією вказують значення коефіцієнта зчеплення.

Динамічна характеристика, доповнена номограмою навантажень і графіком контролю буксування, називається динамічним паспортом автомобіля. Динамічний паспорт наведено на рисунку 2.3.

За допомогою динамічного паспорта автомобіля, можна встановити обмеження, які накладаються на його рух я зчепленням коліс з дорогою. При необхідності визначення мінімального значення коефіцієнта зчеплення ц при заданих навантаженні і швидкості. По заданих Н і Va і похилих штрихових лініях знаходять Dц.

Рисунок 2.3 – Динамічний паспорт автомобіля

2.4.2. Показники динамічності автомобіля при нерівномірному русі