Тяговый и топливно-экономический расчёт автомобиля ВАЗ-2110

 

Министерство  образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Тамбовский  Государственный технический университет

 

 

 

Кафедра: «Автомобильная

 и аграрная  техника»

 

 

 

Курсовая  работа

по  дисциплине: ”Основы теории автомобиля”

на  тему: “Тяговый и топливно-экономический  расчёт автомобиля ВАЗ-2110”

 

 

Выполнил:

 студент  группы АХ-31

Горбачёв А. Ю.

 

Проверил:

преподаватель

Мелисаров В. М.

 

 

 

Тамбов – 2010

 

 

 

Содержание

 

 

Исходные  данные……………………………………………………3

1. Расчет мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля……………………………………………....3

1.1. Расчет и  построение внешней скоростной  характеристики двигателя………………………………………………………………5

1.2. Определение  передаточного числа главной  передачи………...7

1.3. Подбор передаточных чисел коробки передач………………...8

2. Тяговый  расчет автомобиля……………………………………11

2.1. Тяговый баланс  автомобиля…………………………………….11

2.2. Расчет и  построение динамической характеристики  автомобиля……………………………………………………………15

2.3. Приемистость автомобиля............................................................19

2.4. Время и  путь разгона автомобиля………………………………23

3. Топливно-экономическая  характеристика...............................28

Литература…………………………………………………………...32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные:

 

Вариант № 3;

Тип автомобиля: ВАЗ-2110 (4×2);

Тип двигателя: Карбюратор;

Число передач (вперёд): 5;

Габаритные  размеры автомобиля, мм: 4262×1676×1425;

Полная масса  автомобиля, кг: 1650;

Масса снаряженного автомобиля, кг: 1040;

Масса перевозимого груза, кг: 475;

Диаметр обода  колеса в дюймах: 13;

Высота профиля  покрышки в дюймах: 7;

Колёсная база, мм: 2490;

Ширина колеи  передних колёс, мм: 1400;

Ширина колеи  задних колёс, мм: 1400;

Максимальная скорость, км/ч: 170.

 

1. Расчет мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля.

 

Одной из основных задач тягового расчета является выбор мощности двигателя рассчитываемого  автомобиля. Она должна быть достаточной  для обеспечения движения с заданной максимальной скоростью v_max при полном использовании грузоподъемности автомобиля. Автомобили, работающие в сельском хозяйстве, должны иметь запас динамического фактора в пределах 1…1,5% для преодоления дополнительных дорожных сопротивлений.

Мощность двигателя, необходимая для движения автомобиля с полной нагрузкой в заданных дорожных условиях с установившейся максимальной скоростью v_max , определяется по формуле:

, (1)

где v_max – максимальная скорость движения автомобиля на прямой передаче в заданных дорожных условиях, км/ч; ψ – приведенный коэффициент дорожного сопротивления (ψ = 0,04); К_в – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости) (К_в = 0,3); η_тр – механический к.п.д. трансмиссии для максимальной скорости принимаем равным 0,85…0,90.

Площадь лобового сопротивления определяем по формуле:

, м²,

где Н – габаритная высота автомобиля, м; В – ширина колеи автомобиля, м.

F = 1,425*1,4 = 1,995 м².

Силу тяжести  автомобиля с грузом определяем по формуле:

, Н,

где G₀ – собственный вес автомобиля, Н; G_Г – грузоподъемность автомобиля.

G_a = 1040 + 475 = 1515кг = 15150 Н.

Полученные  данные подставляем в формулу (1) и находим N_e:

 кВт.

Для обеспечения  динамического фактора в области  средних эксплуатационных скоростей определяем максимальную мощность двигателя по формуле:

N_{e max} = (1,05…1,1)N_e;

N_{e max} = 1,1*102,635 = 113 кВт.

Обороты коленчатого  вала при заданной максимальной скорости v_max, км/ч:

n_v = (35…40)v_max, мин^-1;

n_v = 40*170 = 6800 мин^-1.

Обороты коленчатого вала при заданной максимальной мощности двигателя (Ne_max ) определим из выражения:

nN_{e max} = 0,9n_v;

nN_{e max} = 0,9*6800 = 6120 мин^-1.

 

 

1. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя.

 

Для дизельных  автомобильных четырехтактных двигателей с ограничителем зависимость эффективной мощности и частоты вращения коленчатого вала в процентах принимаем по табл. 1.

 

Таблица 1. Внешние скоростные характеристики дизельного двигателя.

n, %	20	40	60	80	100	120
n, мин-1	1224	2448	3672	4896	6120	7344
Ne, %	20	50	73	92	100	92
Ne, кВт	23	45,2	67,74	90,32	113	136

 

Таким образом, получив в результате расчета Ne_max и n_max и приняв их за 100%, можем рассчитать и построить графически внешнюю скоростную характеристику двигателя.

При различных  частотах вращения вала двигателя подсчитываем и откладываем на графике не менее пяти точек значений мощности двигателя. Далее соединяем точки плавной огибающей линией, получая зависимость Ne=f(n).

На график также  наносим кривую крутящего момента  двигателя, каждая точка которого определяется по формуле:

, Нм; (2)

 Нм;

 Нм;

 Нм;

 Нм;

 Нм;

 Нм.

Точки, соответствующие М_кр, наносим на график и соединяем огибающей линией.

Кривую удельного  расхода топлива в зависимости  от оборотов двигателя g_e = f(n) рассчитываем и строим на основании данных табл. 2.

 

Таблица 2. Удельный расход топлива в зависимости от оборотов двигателя.

n, %	20	40	60	80	100	120
n, мин-1	1224	2448	3672	4896	6120	7344
ge, %	110	100	95	95	100	115
ge, г/кВт*ч	341	310	294,5	294,5	310	356,5

 

За 100% удельного  расхода топлива при 100% n следует принять для карбюраторного двигателей n = 305…325 г/кВт·ч.

Часовой расход топлива для  каждого значения частоты вращения коленчатого вала двигателя подсчитываем по формуле:

G_T = g_e N_e10^-3, кг/ч; (3)

G_T1 =341*23*10^-3 = 7,8 кг/ч;

G_T2 =310*45,2*10^-3 = 14 кг/ч;

G_T3 =294,5*67,74*10^-3 = 20 кг/ч;

G_T4 =294,5*90,32*10^-3 = 26,6 кг/ч;

G_T5 =310*113*10^-3 = 35 кг/ч;

G_T6 =356,5*136*10^-3 = 48,5 кг/ч.

Для удобства пользования  полученные результаты сводим в табл. 3, по данным которой строим графики внешней скоростной характеристики двигателя.

 

Таблица 3. Данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя.

n, мин-1	1224	2448	3672	4896	6120	7344
Ne, кВт	23	45,2	67,74	90,32	113	136
Мкр, Нм	179,45	176,33	176,2	176,2	176,33	177
ge, г/кВт*ч	341	310	294,5	294,5	310	356,5
GT, кг/ч	7,8	14	20	26,6	35	48,5

 

2. Определение передаточного числа главной передачи.

 

Пользуясь выражением для определения теоретической  скорости движения автомобиля

,

можно найти  передаточное число его главной  передачи. При движении автомобиля на прямой передаче передаточное число  коробки передач i_k = 1, а скорость движения v будет максимальной, тогда:

,

где n_v – частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальной скорости движения автомобиля на прямой передаче; r_k – радиус ведущих колес автомобиля, м.

При выполнении расчетов среднюю величину динамического  радиуса принимаем постоянной и  выражаем ее в зависимости от радиуса  шины в свободном состоянии:

r_K = λr₀,

где λ – коэффициент деформации шины, для легковых автомобилей его принимают равным 0,93…0,935.

Радиус шины в свободном состоянии подсчитываем по формуле:

r₀ = 0,0254(0,5d + b), м,

где d – диаметр обода колеса в дюймах; b – высота профиля покрышки в дюймах.

r₀ = 0,0254(0,5*13 + 7,0) = 0,34 м;

r_K = 0,93*0,34 = 0,32 м;

.

 

3. Подбор передаточных чисел коробки передач.

 

Передаточные  числа в коробке передач определяем из условия обеспечения наибольшей интенсивности разгона и плавности переключения шестерен, а также для обеспечения движения на первой передаче без буксования по заданной дороге.

Определим максимальную величину динамического фактора на первой передаче:

D_{1 max} = φλ_K,

 

где φ – коэффициент сцепления; λ_к – коэффициент нагрузки задних колес. При расчете φ = 0,5…0,7. У автомобилей типа 4 × 2 на задние колеса приходится 70…75% веса автомобиля, т.е. λ_к = 0,7…0,75.

D_{1 max} = 0,7*0,75 = 0,53.

 

Исходя из условия  получения заданной максимальной величины D_1max , воспользуемся зависимостью:

, (4)

где М_{кр max} – максимальный крутящий момент двигателя, Нм.

Определив передаточное число первой ступени коробки  передач, переходим к определению передаточных чисел на промежуточных передачах, выбираемых из условий обеспечения оптимальных показателей, как тягово-скоростных, так и топливно-экономических свойств. Они подбираются таким образом, чтобы разгон на каждой передаче начинался при одних и тех же частотах вращения двигателя n₁ и заканчивался при одних и тех же частотах n₂ . Это дает возможность использовать для разгона на всех передачах одну и ту же среднюю мощность двигателя.

 (5)

где n₁ – частота вращения коленчатого вала двигателя, с которой начинается разгон на передаче х; n₂ – частота вращения коленчатого вала в конце разгона на предыдущей (х – 1)- й передаче.

Из предыдущего  уравнения следует, что

                                                                                (6)

Это предполагает построение ряда передач по принципу геометрической прогрессии откуда Знаменатель прогрессии определяем по формуле:

                   (7)

где z – число ступеней коробки передач; i_K1, i_Kz – передаточные числа коробки на первой и высшей передачах, соответственно.

Первая передача: i_K1 = 2,2;

Вторая передача:

Третья передача:

Четвертая передача:

Пятая передача: i_K5 = 1.

Зная передаточные числа коробки передач и главной  передачи, определим передаточные числа трансмиссии:

i_тр = i_Ki₀;

i_тр1 = 2,2*5 = 11;

i_тр2 = 1,8*5 = 9;

i_тр3 = 1.48*5 = 7,4;

i_тр4 = 1,22*5 = 6,1;

i_тр5 = 1*5 = 5.

 

 

 

2. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ.

 

Тяговый расчет автомобиля включает в себя определение  тягового баланса, динамического фактора, а также ускорение автомобиля на разных передачах.

 

2.1. ТЯГОВЫЙ БАЛАНС АВТОМОБИЛЯ.

 

Тяговый баланс автомобиля рассматриваем на основании  уравнения движения и решаем графоаналитическими  методами.

В случае установившегося  передвижения уравнение тягового баланса  будет иметь вид:

P_K = P_ψ + P_ω,

где Р_к – касательная сила тяги автомобиля, Н; Р_ψ – общее сопротивление движению, оказываемое дорогой, Н; Р_ω – сопротивление воздуха, Н.

Для построения динамической характеристики зададим  ряд значений частот вращения коленчатого  вала двигателя: 20, 40, 60, 80, 100, 120% от    nN_{e max}.

Величину касательной  силы тяги определим из выражения:

, Н. (8)

Общее сопротивление  движению, оказываемое дорогой:

P_ψ = ψG_a. (9)

Значение силы сопротивления воздуха для разных скоростей движения автомобиля рассчитываем по формуле:

, Н. (10)

Величины скоростей  на каждой передаче определяем по формуле:

, км/ч, (11)

где n_i – текущее значение оборотов двигателя, об/мин (из табл. 3).

 

Первая передача:

км/ч;

 км/ч;

 км/ч;

 км/ч;

 км/ч.

 км/ч.

 

 Н; 

 Н;

 Н;

 Н;

 Н.

 Н.

 

 Н;

 Н;

 Н;

 Н;

 Н.

 Н.

P_ψ = 0,04*15150 = 606 Н.

 

Результаты  подсчетов сводим в табл. 4.

 

Таблица 4. Тяговый баланс автомобиля.

Передача	n, мин-1	v, км/ч	Мкр, Нм	РК, Н	Рψ, Н	Рω, Н
первая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	13,5 27 40,3   54 67,12   81	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	5552 5455,2 5451,2 5451,2 5455,2 5476	606 606 606 606 606 606	8,4 37 75 134 207,4 302,1
вторая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	16,41 33 49,2 66 82 98,2	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	4542 4463 4460 3221,2 3224 3236	606 606 606 606 606 606	12,4 50,14 111,4 200,5 309,6 445,8
третья	1224 2448 3672 4896 6120 7344	20 40 60 80 100 120	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	3735 3670 3667,2 3667,2 3670 3684	606 606 606 606 606 606	18,42 74 166 295 460,4 663
четвертая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	24,3 48,4 73 97 121 145	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	3079 3025,2 3023 3023 3025,2 3037	606 606 606 606 606 606	27,2 108 245,34 433,2 674,1 968
пятая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	29,6 59,1 88,6 118,2                147,6 177,2	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	2524 2480 2478 2478 2480 2489,1	606 606 606 606 606 606	40,34 161 361,4 643,2 1004 1445,6

 

По данным табл. 4 строим график тягового баланса автомобиля.

 

2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЯ

 

Динамическим  фактором автомобиля называется отношение  сил (Р_к–Р_ω) к весу автомобиля.

Динамической  характеристикой автомобиля называется графическое изображение зависимости  динамического фактора от скорости движения при различных передачах  и полной нагрузке на автомобиль.

Величину динамического  фактора на каждой скорости для всех передач определим по формуле:

  (12)

 

Необходимо  учитывать, что на низких передачах  динамический фактор больше, чем на высших. Это обуславливается увеличением силы Р_к и уменьшением силы Р_ω.

 

Первая передача:

;

;

;

;

.

.

 

Рассчитав величину динамического фактора, результаты заносим в табл.5.

 

 

Таблица 5. Динамический фактор

Передача	n, мин-1	Mкр, Нм	PK, Н	Pω, Н	D	v, км/ч
первая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	5552 5455,2 5451,2 5451,2 5455,2 5476	8,4 37 75 134 207,4 302,1	0,36 0,36 0,35 0,35 0,346 0,34	13,5 27 40,3 54 67,12 81
вторая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	179,45 179,33 176,2 176,2 176,33 177	4542 4463 4460 3221,2 3224 3236	12,4 50,14 111,4 200,5 309,6 445,8	0,3 0,3 0,28 0,2 0,19 0,18	16,41 33 49,2 66 82 98,4
третья	1224 2448 3672 4896 6120 7344	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	3735 3670 3667,2 3667,2 3670 3684	18,42 74 166 295 460,4 663	0,25 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2	20 40 60 80 100 120
четвертая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	3079 3025,2 3023 3023 3025,2 3037	27,2 108 247,34 433,2 674,1 968	0,2 0,2 0.18 0,17 0,16 0,14	24,3 48,3 73 97 121 145
пятая	1224 2448 3672 4896 6120 7344	179,45 176,33 176,2 176,2 176,33 177	2524 2480 2478 2478 2480 2489,1	40,34 161 361,4 643,2 1004 1445,6	0,16 0,15 0,14 0,12 0,09 0,07	29,6 59,1 88,6 118,2 147,66 177,2

 

 

Используя значения динамического фактора, по расчетным  данным строим кривые динамического  фактора для каждой передачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПРИЕМИСТОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

 

Приемистость (разгон автомобиля) – это способность  автомобиля быстро увеличивать скорость движения. Оценочными параметрами являются: максимально возможное ускорение, время разгона, путь разгона.

Максимальное  возможное ускорение при работе двигателя с полной подачей топлива определим по формуле:

где δ_вр – коэффициент вращающихся масс; g – ускорение свободного падения.

Для каждой передачи подсчитываем коэффициент учета  вращающихся масс:

 δ_вр = 1,04 + 0,05i_кп²,

где i_кп – передаточное число коробки передач на данной передаче.

δ_вр1 = 1,04 + 0,05*2,2² = 1,282;

δ_вр2 = 1,04 + 0,05*1,8² = 1,202;

δ_вр3 = 1,04 + 0,05*1,48² = 1,15;

δ_вр4 = 1,04 + 0,05*1,22² = 1,1;

δ_вр5 = 1,04 + 0,05*1² = 1,09.

 

 

 

 

 

Первая передача:

 м/с²;

 м/с²;

 м/с²;

м/с²;

 м/с².

 м/с².

Результаты  расчетов сводим в табл. 6.

Таблица 6. Приемистость автомобиля.

Передача	D-ψ	D	v, км/ч(м/с)	j, м/с2	1/j, с2/м
первая	0,32 0,32 0,31 0,31 0,306 0,3	0,36 0,36 0,35 0,35 0,346 0,34	13,5(3,8) 27(7,5) 40,3(11,2) 54(15) 67,12(18,7) 81(22,5)	2,5 2,5 2,4 2,4 2,38 2,34	0,4 0,4 0,42 0,42 0,42 0,43
вторая	0,26 0,26 0,24 0,16 0,15 0,14	0,3 0,3 0,28 0,2 0.19 0,18	16,41(4,6) 33(9,2) 49,2(13,7) 66(18,4) 82(22,8) 98,4(27,3)	2,16 2,16 2 1,3 1,25 1,16	0,46 0,46 0,5 0,77 0,8 0,9
третья	0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16	0,25 0,24 0.23 0,22 0,21 0,2	20(5,6) 40(11,12) 60(16,7) 80(22,2) 100(27,8) 120(33,36)	1,83 1,74 1,65 1,56 1,5 1,4	0,55 0,57 0,61 0,64 0,7 0,72
четвёртая	0,16 0,16 0,14 0,13 0,12 0,1	0,2 0,2 0,18 0,17 0,16 0,14	24,3(6.8) 48,3(13,5) 73(20,3) 97(27) 121(33,6) 145(40,3)	1.45 1,45 1,27 1,2 1,1 0,9	0,7 0,7 0,8 0,83 0,91 1,1
пятая	0,12 0,11 0,1 0,08 0,05 0,03	0,16 0,15 0,14 0,12 0.09 0,07	29,6(8,2) 59,1(16,4) 88,6(24,6) 118,2(32,8) 147,6(41,1) 177,2(49,3)	1,2 1,1 1 0,8 0,5 0,3	0,83 0,91 1 1,25 2 3,3

 

Имея динамическую характеристику, а также значения δ_вр для различных значений i_kn и ψ , строим график ускорения автомобиля.

В процессе эксплуатации автомобиль движется равномерно сравнительно небольшое время. Большую часть времени он движется неравномерно. Так, в условиях города он движется с постоянной скоростью 15…20% времени работы, а ускоренное движение (разгон) составляет 30…45%.

Разгон автомобиля во многом зависит от его приемистости, т.е. способности быстро увеличивать скорость движения.

Показателями  разгона автомобиля являются ускорение  при разгоне j (м/с²), время разгона t_p (c) и путь разгона S_p (м).

Показатели  разгона определяются экспериментально при дорожных испытаниях автомобиля. Они также могут быть определены расчетным способом.

Для расчета  ускорений при разгоне выберем  на динамической характеристике автомобиля пять-шесть значений скорости v, определим соответствующие этим скоростям значения динамического фактора D и коэффициента сопротивления дороги ψ. Затем, решив уравнение , найдем значение ускорений при разгоне на различных передачах. По результатам расчетов строим график ускорений при разгоне автомобиля.

Различные автомобили имеют разные значения максимальных ускорений. Так, у легковых автомобилей с механической трансмиссией максимальные ускорения составляют 2…2,5 м/с², у грузовых автомобилей – 1,7…2 м/с² и у автобусов – 1,8…2.3 м/с².

Графики ускорений  позволяют сравнивать приемистость различных автомобилей при движении по дорогам с одинаковым сопротивлением. Однако такое сравнение не совсем точно, так как различные автомобили имеют разные максимальные ускорения на каждой передаче и разное число передач в коробке передач. Поэтому более точное сравнение приемистости обеспечивают графики времени и пути разгона.

 

4. ВРЕМЯ И ПУТЬ РАЗГОНА АВТОМОБИЛЯ.

 

Время и путь разгона автомобиля определяются графоаналитическим способом. С этой целью кривую ускорений разбивают на ряд отрезков, соответствующих определенным интервалам скоростей. Считается, что при каждом интервале скоростей разгон происходит с постоянным ускорением:

где j_Н и j_К – ускорения в начале и в конце интервала скоростей соответственно.

Величину среднего ускорения можно также рассчитать, зная величину скорости в начале и  в конце интервала. Так, например, при изменении скорости от v_Н до v_К среднее ускорение будет