Расчет тягового усилия

                                                  Раздел I

1. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ ТРАКТОРА

Расчет  тяговых показателей трактора производится с учетом назначения и места, занимаемого  трактором в типаже сельскохозяйственных тракторов.

При этом должно учитываться выполнение всех основных видов работ данной зоны, соответствующих его тяговому классу и некоторой части работ, относящихся  к тяговой зоне соседнего с  ним предыдущего класса.

Для более  полного и эффективного использования  тяговых показателей трактора необходимо учитывать взаимосвязь и размеры  основных параметров трактора - тяговые усилия, массу, мощность тракторного двигателя и основную рабочую скорость движения.

1.1. Тяговый диапазон трактора

Тяговый диапазон трактора определяется по формуле

3

где Р_н и Р¹_н - соответственно номинальная сила тяги (по заданию) и сила тяги трактора предыдущего класса; e - коэффициент расширения тяговой зоны

трактора, рекомендуемый в среднем 1,3.

Для тракторов  класса тяги 0,2...0,6 тяговый диапазон можно принять d=2.

Зная  тяговый диапазон и номинальную  силу тяги трактора, можно определить его минимальную силу тяги из соотношения

 откуда  .

1.2. Масса трактора

Масса трактора оценивается его состоянием. Если трактор не имеет заправочных  материалов, балласта и тракториста, то такая масса называется конструкционной (m_к). Полностью заправленный трактор с трактористом и балластом будет иметь массу эксплуатационную (m_э).

Эксплуатационную  массу колесного трактора можно  определить из следующих условий

Р_к.max£j_доп×l_к×m_э×g (условия по сцеплению),

Р_к.max³Р_н+f×m_э ×g (условия по типажу)

откуда j_а×n×l_к×m_э×g³Р_н+f×m_э×g. При условии равенства будем иметь

,

где где  - номинальная сила тяги на первой рабочей  передаче;

       - коэффициент использования массы, для гусеничных тракторов =0,55...0,65 , принимаем =0,6;

        - коэффициент нагрузки ведущих колес, =1 для гусеничного трактора;

        f – коэффициент сопротивления качению

        g – ускорение свободного падения, .

 

Конструктивная масса    

1.3. Расчет номинальной  мощности двигателя

Расчет  номинальной мощности двигателя  производится с учетом номинального тягового усилия трактора, силы сопротивления качению, массы трактора, потерь на трение в трансмиссии и необходимого запаса мощности двигателя.

Учитывая  вышеизложенное, номинальная мощность двигателя определяется по формуле

, кВт,

 

            

где Р_н и V_н1 - соответственно номинальное тяговое усилие - (Н) и расчетная скорость движения на низшей рабочей передаче при номинальной силе тяги, км/ч (по заданию); m_э - эксплуатационная масса трактора (кг); g - ускорение свободного падения (м/с²); h_тр - КПД, учитывающий потери мощности в трансмиссии и

определяемый  по формуле

,

        

 

 

где h_ц и h_к - соответственно КПД цилиндрической и конической пары шестерен. Принимаются равными h_ц =0,985 и h_к = 0,975; h_х - КПД, учитывающий потери мощности на холостом ходу; принимается h_х = 0,96; n и n₁- степенные показатели числа пар шестерен, работающих в трансмиссии на данной передаче;

х_э - коэффициент эксплуатационной нагрузки тракторного двигателя - 0,85.

 

1.4. Расчет основных рабочих  скоростей трактора

Для расчета  ряда основных рабочих скоростей  трактора определяется диапазон скоростей, который характеризуется отношением высшей рабочей скорости к скорости на первой передаче

где V_н1 - расчетная скорость на первой передаче (по заданию) принимается в км/ч;

V_z - высшая рабочая скорость, которую необходимо определить.

Для расчета  высшей и промежуточных скоростей  необходимо определить знаменатель  геометрической прогрессии - q.

Зная, что  =q, можно получить

V₂ = V₁×q; V₃ = V₂×q =V₁×q²; V₄=V₁×q³;...V_z = V₁×q^z-1;

отсюда

 

  

    

Зная, число  q определим скорость на всех передачах

       24.07

 

 

 

 

   

Определив знаменатель геометрической прогрессии, подсчитывают скорости V₂, V₃, V₄...V_z.

Окончательный ряд скоростей корректируется в соответствии с практическими возможностями подбора чисел зубьев шестерен коробки передач проектируемого трактора.

1.5. Расчет передаточных  чисел трансмиссии и коробки передач

Передаточное  число трансмиссии колесного  трактора на первой передаче определяется по формуле:

, 

 

 

где n_н - номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1; r_к - радиус качения ведущего колеса трактора, м; V_н1 - скорость движения трактора на 1-й

расчетной передаче, согласно заданию, км/ч.

Радиус  качения ведущего-колеса подсчитывается по формуле

r_к=[0,5d+(0,8…0,85)b] м,

где d - наружный диаметр обода колеса, на который монтируется шина, м; b - ширина

профиля шины; (0,8...0,85) - коэффициент деформации шины ведущего колеса.

Размеры шин подбираются по табл. 5 в зависимости от нагрузки на одно ведущее колесо трактора.

d=32 b=9,5

Остальные передаточные числа трансмиссии  подсчитываются по формуле

 и т.д., imp4=128.382  imp5=90.97

где q - знаменатель геометрической прогрессии.

Зная  расчетные общие передаточные числа  трансмиссии на каждой передаче - t_тр и передаточные числа шестерен с постоянным зацеплением трактора-прототипа i_o, определяют передаточные числа коробки перемены передач по формуле

 и т.д.,  ik1=19.30 ik2=13.68 ik3=9.7 ik4=6.86  ik5=4.9

где i_o - передаточное число шестерен с постоянным зацеплением прототипа.

i_о=i_пц×i_кп, iо=5,308*3,417=18.7

где i_пц - передаточное число центральной передачи; i_кп - передаточное число конечной

передачи.

Далее приводится схема коробки передач, на которой  указывается какие шестерни находятся  в зацеплении на каждой передаче и  подбираются для них числа  зубьев в соответствии с требуемыми передаточными числами. При необходимости  округления дробных значений чисел  зубьев шестерен действительные передаточные числа коробки передачи могут  отличаться от расчетных. В этом случае соответственно вносятся изменения  в общие передаточные числа трансмиссии  и в расчетные скорости движения трактора.

Подсчитанные  числа зубьев шестерен трансмиссии  и уточненные значения передаточных чисел i_тр и скоростей движения V для всех основных и транспортных расчетных передач вносятся в табл. 1.

Таблица 1

Номер шестерни	1					2		3 и т.д.
число зубьев
передачи	основные					транспортные		центральная передача	конченая передача
Шестерни в зацеплении	I	II	III	IV	V	I	II
Передаточные числа трансмиссии	19.30	13.68	9.7	6.86	4.9
Теоретические скорости движения, км/ч	5	7

1.6. Показатели энергонасыщенности  и металлоемкости трактора

Энергонасыщенность  трактора характеризуется отношением номинальной, мощности тракторного  двигателя к эксплуатационной массе  трактора. Величину энергонасыщенности определяют по формуле

, кВт.

Металлоемкости трактора характеризуется отношением (m_к) конструкционной массы к номинальной мощности (N_ен) двигателя. Этот показатель по мере совершенствования конструкций тракторов и повышения их энергонасыщенности непрерывно снижается. Снижение металлоемкости не должно ухудшать сцепных свойств трактора и понижать его надежность в работе. Величину металлоемкости определяют по формуле

.

2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ  РЕГУЛЯТОРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

2.1. Регуляторная скоростная  характеристика двигателя в функции

от частоты вращения коленчатого вала

Регуляторная  характеристика тракторного двигателя  показывает изменение эффективной  мощности, частоты вращения коленчатого  вала, крутящего момента, удельного  и часового расходов топлива в  зависимости от скоростного и  нагрузочного режимов работы двигателя.

Расчет  и построение регуляторной характеристики двигателя в функции от скоростного  режима рекомендуется вести в  следующем порядке

1. Задаваясь различными значениями частот вращения вала двигателя в процентах (100, 80, 60, 40, 20) от номинальной величины (по заданию), определяют текущие значения N_e мощности двигателя на безрегуляторной ветви характеристики по эмпирической формуле

, кВт,

где n_е и n_н - текущее и номинальное значение частот вращения коленчатого вала двигателя; C₁ = 0,5; C₂ = 1,5 - для дизелей с непосредственным впрыском топлива;

C₁ = 0,7; C₂ = l,3 - для дизелей с вихрекамерным смесеобразованием.

На регуляторной ветви характеристики принимают  изменения мощности N_e по закону прямой линии от N_e = 0 до N_{е max}.

2. Для определения N_e = 0 определяют частоту вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу по формуле:

n_к=(1+d_р)n_н, мин^-1,

где d_р - коэффициент неравномерности регулятора: для современных тракторных

двигателей принимают d_р = 0,07...0,08.

3. Зная мощность и частоту вращения коленчатого вала двигателя, определяют крутящий момент по формуле

 Нм,

где ; n_i - частота вращения коленчатого вала соответственно

мощности  двигателя N_ei.

4. По удельному расходу g_eн топлива при номинальной мощности двигателя определяют максимальный часовой расход топлива по формуле

, кг/ч.

5. Для холостого хода двигателя принимают:

G_{т х}= (0,25...0,3) G_{т max}, кг/ч.

Промежуточные точки часового расхода топлива  на регуляторной ветви принимают  по закону прямой линии.

6. По часовому расходу топлива и соответствующей мощности двигателя на регуляторном участке, определяют удельный расход топлива по формуле

.

Кривая  удельного расхода топлива поднимается  вверх по мере снижения нагрузки двигателя.

7. Удельный расход топлива на безрегуляторной ветви при максимальном крутящем моменте двигателя принимают на 15 - 20% больше, чем при номинальной мощности. Промежуточные точки удельного расхода топлива можно принимать аналогично опытным данным соответствующих двигателей.
8. Зная удельный, расход топлива на безрегуляторной ветви, определяют соответствующий часовой расход топлива G_тi по формуле:

, кг/ч.

Результаты  расчетов показателей работы двигателя  заносят в сводную табл. 2 для построения регуляторной характеристики.

Таблица 2

n, мин-1	Ne, кВт	Мкр, Нм	Gт, кг/ч	gк, г/кВт×ч

 

Пользуясь полученными расчетными данными, строят график регуляторной скоростной характеристики дизельного тракторного двигателя  в функции от частоты вращения коленчатого вала.

На рис. 1 приведен общий вид скоростной регуляторной характеристики, показывающей характер изменения

М_кр, N_e, G_т, g_е=f(n).

Рис. 1. Скоростная регуляторная характеристика

2.2. Нагрузочная характеристика  двигателя в функции

от эффективной мощности

Исходными данными для построения нагрузочной  характеристики являются также расчетные  данные табл. 2. Примерная нагрузочная характеристика показателей М_кр, n, G_т, ge - f(N_e) представлена на рис. 2, которая дает более полное представление о показателях работы двигателя в регуляторной зоне - в пределах работы регулятора, что используется при оценке работы комплекса сельскохозяйственных машин с данным типом трактора.

Рис. 2. Нагрузочная характеристика

Нерегуляторная  зона в пределах от М_{кр н} до М_{кр max} характеризует работу двигателя при воздействии на его показатели корректирующего устройства в период кратковременных перегрузок. Для повышения эффективности работы машинно-тракторного парка следует стремиться к тому, чтобы средняя эксплуатационная загрузка двигателя была по возможности выше в пределах регуляторной зоны, но не более 95% от максимальной мощности двигателя.

3. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ  ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТЯГОВОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАКТОРА

Определив основные конструктивные и экономические  параметры тракторного двигателя и трактора в целом, приступают к построению теоретической тяговой характеристики, которая позволяет получить наглядное представление о тяговых и топливно-экономических показателях на различных режимах его работы.

Теоретическая тяговая характеристика трактора (рис. 3) состоит из двух частей - нижней и верхней.

Рис. 3. Теоретическая тяговая характеристика

Нижняя  часть графика имеет вспомогательное значение и служит для нанесения, основных исходных параметров тракторного двигателя. В верхней части графика наносится ряд кривых, показывающих, как в заданных почвенных условиях, при установившемся движении на горизонтальном участке, в зависимости от нагрузки на крюке трактора изменяются его основные эксплуатационные показатели - буксование ведущих органов, скорости движения, тяговая мощность, удельный расход топлива и тяговый КПД трактора.

Аналитический расчет и графическое построение теоретической тяговой характеристики трактора производится в следующей  последовательности: на листе чертежной  или миллиметровой бумаги размером 594´420 мм наносятся на нижней части листа (рис. 3) оси координат с повернутой осью ординат вниз. Затем по оси абсцисс от начала координат О' в принятом масштабе откладывается для каждой передачи максимальная касательная сила тяги, подсчитанная по формуле

и номинальная

,

где М_{кр max} - максимальный крутящий момент двигателя (табл. 2); М_{кр н} - крутящий момент двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала (табл. 2);

i _{тр i} - передаточное число трансмиссии; h_{тр i} - КПД, учитывающий потери мощности в

трансмиссии.

Учитывая, что касательная, сила тяги трактора прямо пропорциональна крутящему  моменту двигателя, поэтому по оси  абсцисс от точки О' для каждой заданной передачи в принятом масштабе наносятся крутящие моменты двигателя  М_{кр max} и М_{кр н} соответственно касательным силам тяги Р_{кр max} и Р_{кр н}.

Затем по оси ординат вниз наносятся масштабные шкалы эффективной мощности, часового расхода топлива и частоты  вращения коленчатого вала двигателя  с таким расчетом, чтобы графики  в регуляторной зоне не пересекались.

Далее с  учетом количества передач и соответствующих  крутящих моментов строится график показателей  работы двигателя.

N_e, G_т, n = f(M_кр).

При этом образуются пучки кривых N_e с общим центром в точке О', кривые G_т с общим центром в точке G_тx и пучок кривых n с общим центром в точке n_х - соответствующие холостому ходу двигателя. Точки перегиба, (вершины) кривых всех показателей регуляторной характеристики двигателя должны находиться на горизонтальной прямой и по вертикали соответствовать номинальным моментам двигателя.

Кривые, расположенные в нерегуляторной зоне в пределах от М_{кр н} до M_{кр max} для каждой передачи, строятся по расчетным точкам регуляторной характеристики (см. табл. 2, с. 11), Нанесенные кривые на график регуляторной характеристики для каждой передачи должны заканчиваться при максимальных значениях крутящих моментов, M_{кр max}.

Примером  построения нагрузочной характеристики двигателя в функции от крутящего  момента может служить нижняя часть теоретической тяговой  характеристики трактора (рис. 3). Следует  учесть, что в зоне перегрузок от М_{кр н} до M_{кр max} кривые N_e, G_т, n строятся по точкам регуляторной характеристики, а в зоне действия регуляторов эти показатели изображаются прямыми линиями.

После построения нагрузочной характеристики определяют силу сопротивления качению по формуле:

P_f = f×G,

где f - коэффициент сопротивления качению; G - сила тяжести трактора.

Величина  силы сопротивления качению P_f откладывается по оси абсцисс вправо от точки О' до точки О. Полученная точка О будет являться началом координат непосредственно тяговой характеристики трактора. По оси абсцисс в масштабе касательной силы от точки О отсчитывается сила тяги на крюке трактора, определяемая по формуле Р_кр = Р_к - P_f, а по оси ординат вверх изображаются в своих масштабах тяговые показатели трактора - буксование движителей, скорости движения, тяговые мощности на крюке, удельный расход топлива по передачам и тяговый КПД.

Величина  коэффициента буксования может быть подсчитана по эмпирической формуле

d=ар+bp^c,

где р - относительная сила тяги трактора, определяемая по формуле

.

Для гусеничных тракторов и колесных со всеми  ведущими колесами l_к=1, поэтому величина относительной силы тяги будет определяться по формуле

.

Безразмерные  коэффициенты а, b, с зависят от типа трактора и почвенных условий. Для колесных тракторов принимают: а=0,13; b = 0,013; с=8. Для гусеничных тракторов: а = 0,04; b = 4,0; с=8. Для ориентировочных расчетов величина буксования в пределах до максимальной мощности двигателя имеет линейную величину прямо пропорциональную тяговой нагрузке трактора.

Далее для  каждой заданной передачи определяют теоретическую скорость на холостом ходу (р_кр=0) по формуле

,

где r_к - радиус качения ведущего колеса (звездочки); n_д - частота вращения коленчатого

вала  двигателя в минуту.

Зная  величину буксования d и теоретическую скорость движения, подсчитывают для каждой передачи рабочие скорости по формуле

V_p=V_т(1-d)=

(1-d).

По формуле  для каждой передачи определяют мощность на крюке трактора (кВт).

Для оценки топливной экономичности трактора определяется удельный расход топлива по формуле

,

где G_тi - соответствующий часовой расход топлива по нижней части графика

регуляторной  характеристики двигателя, кг/ч.

Условный  тяговый КПД трактора подсчитывается по формуле

,

где N_кр и N_e - определяются по графику рис. 3.

Проверку h_ту производят по формуле

h_ту=h_тр×h_f×h_б.

Если  расчет по двум формулам произведен правильно, то результаты расчетов должны совпадать  или быть близкими.

Для построения теоретической тяговой характеристики трактора полученные расчетные тяговые  показатели для каждой передачи заносятся  в таблицу по следующей форме:

Таблица 3

Передача

Расчетная точка

Ne, кВт

nд, мин-1

Gт, кг/ч

Рн, кН

Ркр, кН

Vi, км/ч

Nкр, кВт

gкр, г/кВт×ч

d, %

hту

hтр×hf×hб

I

1

2

3

и т.д.

II

1

2

3

и т.д.

 

После построения графика тяговой характеристики трактора составляется баланс мощности трактора для установившегося движения.

Мощность  на крюке трактора и значения d, V, G, Р_к берутся из графика теоретической тяговой характеристики трактора (рис. 3).

В заключение 1-й части курсовой работы следует проанализировать расчетные показатели трактора в целом и сделать краткие выводы сравнительно с прототипом.

 

Раздел II

1. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО

ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Мощность  N_e двигателя, необходимую для движения полностью нагруженного автомобиля с установившейся максимальной скоростью V_max в заданных дорожных условиях, определяют по формуле

,

где G - сила тяжести автомобиля с грузом, Н; V_max - максимальная скорость движения автомобиля на прямой передаче в заданных дорожных условиях, км/ч;

y - приведенный коэффициент дорожного сопротивления; К - коэффициент обтекаемости автомобиля. Для грузовых машин принимают 0,6...0,75, кг/м³;

F - площадь лобового сопротивления автомобиля, которая подсчитывается по

формуле

F=H×B, м²;

Н - габаритная высота автомобиля, м; В - колея, м; h_тр - механический КПД

трансмиссии принимают для режима максимальной скорости равным 0,85...0,90.

При проектировании для обеспечения необходимого динамического  фактора в области средних  эксплуатационных скоростей движения определяют максимальную мощность двигателя  по формуле:

N_{e max}=(1,05-1,10)N_e.

Частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая максимальной мощности, определяется коэффициентом оборотности  двигателя h_n, равным отношению частоты вращения коленчатого вала двигателя к соответствующей скорости движения автомобиля.

, отсюда n_max=h_п×V_max.

Для грузовых автомобилей коэффициент оборотности h_п принимают равным в пределах 30 - 40 в соответствии с прототипом автомобиля и расчетной максимальной мощностью двигателя.

2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ  ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ

 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

С некоторой  долей погрешности внешняя скоростная характеристика может быть определена и построена для карбюраторных четырехтактных двигателей на основании следующих данных: