Тяговый расчет автобуса

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Эксплуатационные свойства автобуса характеризуют возможность его эффективного использования в определенных условиях и дают возможность оценить степень соответствия конструкции требованиям эксплуатации.

В данной работе я анализирую тягово-скоростные свойства,  которые определяют возможный диапазон скоростей движения, интенсивность и путь разгона в тяговом режиме, предельные дорожные условия, при которых автомобиль способен двигаться с заданными конструктивными параметрами. Чем лучше тягово-скоростные свойства, тем меньшие затраты времени на перевозку. Что положительно сказывается на его продуктивности.

В данной работе я буду производить  расчетно-графический анализ для автобуса ПАЗ 3205 , движущегося по дороге с коэффициентом суммарного дорожного сопротивления y = 0,018.  

Для заданной модели в этой работе выполняю необходимые расчеты на основании конкретных технических данных автобуса. Строю графики и по ним анализирую тягово-скоростные свойства.

Произведенные расчеты свожу в  таблицы, текст сопровождаю расчетными зависимостями с расшифровкой параметров.

 

 

1. Задание для расчетно-графического анализа и выбор ^{исходных данных}

 

Издокументации на автобус выбираю для заданной модели автобуса исходные данные для расчета и реальные значения основных параметров автобуса для сравнения их с полученными расчётными.

а) Исходные данные для расчета

Вид автобуса автобус

Полная масса m, кг 7825

Марка и тип двигателя ЗМЗ-672, карб.

 

Максимальная мощность N_emax, кВт 85,6

Частота вращения коленчатого вала двигателя при 

максимальной мощности n_N , об/мин 3200

Наличие ограничителя частоты вращения вала двигателя есть

Передаточные числа:

- коробки передач U_k1 6,55

  U_k2  3,09

  U_k3  1,71

  U_k4 1,00

- раздаточной коробки U_kр1 1,00

U_kр2  1,963

- главной передачи U₀ 6,83

Шины 240-508 (8,25-20)

Статический радиус колеса r_ст., м 0,453

Габаритные размеры:

- ширина В_Г, м 2,44

- высота Н_Г, м 2,952

КПД трансмиссии h 0,85

Коэффициент сопротивления воздуха К, Н×с²/м⁴ 0,4

б) Реальные значения основных параметров автобуса для сравнения их с полученными расчетными

Максимальный крутящий момент двигателя М_еmах, Н×м 284,4

Частота вращения вала двигателя при  максимальном крутящем

моменте n_м, об/мин 2000

Максимальная скорость V_max, км/ч 80

 

 

2.  Построение внешней скоростной характеристики двигателя

 

 

Для построения внешней  скоростной характеристики поршневого двигателя внутреннего сгорания используют эмпирическую формулу, позволяющую по известным координатам одной точки скоростной характеристики (N_emax и n_N) воспроизвести всю кривую мощности:

 

, (1)

 

где N_e, кВт – текущее значение мощности двигателя, соответствующее  частоте вращения вала двигателя n_N, об/мин;

 N_emax, кВт – максимальная мощность двигателя при частоте вращения n_N , об/мин;

 А₁, А_2, А₃ – эмпирические коэффициенты характеризующие тип двигателя внутреннего сгорания.

Значение эмпирических коэффициентов для карбюраторных двигателей принимаю: А₁ = 1, А₂ = 1, ,А₃=1

Для выбора текущего значения n диапазон частоты вращения вала двигателя от минимально устойчивых оборотов n_min до n_N разбиваю на 8 произвольных участков с постоянным интервалом Dn. Минимальную частоту вращения коленчатого вала n_min принимаем равной 600

 

 об/мин. (2)

 

Определив N_e для принятых значений n, вычисляем соответствующие значения крутящего момента двигателя

 

.Н/м (3)

 

Результаты расчетов по формулам (1), (2), (3) свожу в таблицу 1.2 и строю внешнюю скоростную характеристику двигателя N_e=f(n) и M_e=f(n) (рисунок 1.2).

 

Таблица 1.2 – Внешняя скоростная характеристика ДВС

Параметр	Числовое значение
n, об/мин	600	925	1250	1575	1900	2225	2550	2875	3200
A1· n/nN	0,188	0,289	0,391	0,492	0,594	0,695	0,797	0,898	1,000
A2· (n/nN)2	0,035	0,084	0,153	0,242	0,353	0,483	0,635	0,807	1,000
A3· (n/nN)3	0,007	0,024	0,060	0,119	0,209	0,336	0,506	0,725	1,000
A1·(n/nN)+A2·(n/nN)2–A3· (n/nN)3	0,216	0,348	0,484	0,615	0,737	0,843	0,926	0,980	1,000
Ne, кВт	18,495	29,829	41,397	52,661	63,085	72,128	79,254	83,924	85,600
Me, Н·м	294,381	307,961	316,272	319,313	317,083	309,583	296,813	278,773	255,463

 

Рисунок 1.2 – Внешняя скоростная характеристика ДВС 

3. Построение графиков силового баланса и динамической характеристики

 

 

Для различных передач и скоростей  движения автобуса рассчитываю значения составляющих уравнение силового баланса

 

. (4)

 

Тяговое усилие на ведущих колесах  определяю из выражения, Н

 

, (5)

 

где r_д – динамический радиус колеса, который в нормальных условиях движения принимают равным r_ст, м.

Вторую составляющую силового баланса – силу суммарного дорожного сопротивления – определяю по формуле, Н

 

, (6)

 

где G = g×m – полный вес автобуса, Н;

 g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения.

В расчетах не учитываю влияние  скорости движения на коэффициент сопротивления качению, в связи с этим y = const.

Для ПАЗ-3205 G=9,81×7825=76763,25 Н, а при заданном y=0,019, Р_y=0,019×76763,25=1458,50175 Н.

Сила сопротивления воздуха, Н

, (7)

 

где F –  лобовая площадь автобуса, м²;

V – скорость автобуса, км/ч.

Лобовую площадь автобуса определяю приближенно по формуле

 

, (8)

 

где a – коэффициент заполнения площади; для своей модели автобуса я принимаю a = 0,85.

 

F = 0,85×2,44×2,952 = 6,122 м².

 

 Сила сопротивления  разгону, Н

 

, (9)

 

где d – коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся масс автобуса;

j – ускорение автобуса в поступательном движении, м/с² .

При построении и анализе графиков силового баланса величина P_j не рассчитывается, а определяется как разность тягового усилия Р_k и суммы сопротивлений движению P_y+P_w.

График силового баланса и все  последующие строят в функции  скорости автобуса V, км/ч, которая связана с частотой вращения вала двигателя n зависимостью

, (10)

 

где r_k – радиус качения колеса, м, равный, при отсутствии проскальзывания, статическому радиусу r_ст.

Динамический фактор автобуса D определяю для различных передач и скоростей движения по формуле

 

. (11)

 

Переменные по скорости величины Р_k, P_w и D рассчитываю по формулам (5), (7), (11) и свожу в таблицу 1.3. По рассчитанным величинам строю график силового баланса автобуса и график динамической характеристики. Постоянные величины в формулах целесообразно для упрощения расчетов привести к общим коэффициентам. Так, для тягового усилия на первой передаче

 

 Н.

 

Аналогично получаем Р_k2 = 39,6004305×М_е, Р_k3 = 21,9148013×М_е, Р_k4 = 12,8156733×М_е.

Для расчета скорости V на первой передаче

 

 км/ч.

 

Аналогично для остальных  передач

V₂ = 0,00809×n, V₃ = 0,01462 ×n, V₄ = 0,025×n.

Для силы сопротивления воздуха

 Н.

 

Для построения графика силового баланса рассчитываю сумму P_y+P_w, которая зависит от скорости и не зависит от передаточного числа коробки передач. Поэтому расчет в данной курсовой работе выполнен применительно к скоростям, соответствующим высшей передаче.

 

Таблица 1.3 – Результаты расчётов силового баланса и динамической характеристики автобуса

Параметр		Числовое значение
n, об/мин		600	925	1250	1575	1900	2225	2550	2875	3200
Me, Н· м		294,381	307,961	316,272	319,313	317,083	309,583	296,813	278,773	255,463
1-я передача Uk1=6,55	V, км/час	2,290	3,531	4,772	6,013	7,253	8,494	9,735	10,975	12,216
	Pk, Н	24711,092	25851,100	26548,718	26803,943	26616,778	25987,221	24915,273	23400,933	21444,202
	Pw, Н	0,991	2,356	4,303	6,831	9,941	13,633	17,907	22,762	28,199
	Pk-Pw, Н	24710,101	25848,744	26544,415	26797,112	26606,837	25973,588	24897,366	23378,171	21416,003
	D	0,322	0,337	0,346	0,349	0,347	0,338	0,324	0,305	0,279
2-я передача Uk2=3,09	V, км/час	4,855	7,485	10,115	12,745	15,375	18,005	20,635	23,265	25,895
	Pk, Н	11657,599	12195,405	12524,510	12644,914	12556,617	12259,620	11753,922	11039,524	10116,425
	Pw, Н	4,455	10,587	19,334	30,695	44,669	61,258	80,460	102,277	126,707
	Pk-Pw, Н	11653,145	12184,817	12505,176	12614,219	12511,948	12198,362	11673,462	10937,247	9989,718
	D	0,152	0,159	0,163	0,164	0,163	0,159	0,152	0,142	0,130
3-я передача Uk3=1,71	V, км/час	8,774	13,526	18,278	23,030	27,783	32,535	37,287	42,040	46,792
	Pk, Н	6451,293	6748,913	6931,039	6997,671	6948,808	6784,450	6504,598	6109,251	5598,410
	Pw, Н	14,545	34,571	63,131	100,227	145,859	200,026	262,728	333,965	413,738
	Pk-Pw, Н	6436,747	6714,342	6867,908	6897,443	6802,949	6584,424	6241,870	5775,286	5184,672
	D	0,084	0,087	0,089	0,090	0,089	0,086	0,081	0,075	0,068
4-я передача Uk4=1,00	V, км/час	15,003	23,129	31,256	39,382	47,509	55,635	63,762	71,888	80,015
	Pk, Н	3772,686	3946,733	4053,239	4092,205	4063,630	3967,515	3803,858	3572,662	3273,924
	Pw, Н	42,532	101,088	184,603	293,075	426,506	584,895	768,242	976,548	1209,812
	Pk-Pw, Н	3730,153	3845,645	3868,637	3799,130	3637,124	3382,620	3035,616	2596,114	2064,112
	D	0,049	0,050	0,050	0,049	0,047	0,044	0,040	0,034	0,027
Py+Pw, Н		1501,034	1559,590	1643,104	1751,577	1885,008	2043,397	2226,744	2435,050	2668,313
Py, H		1458,502	1458,502	1458,502	1458,502	1458,502	1458,502	1458,502	1458,502	1458,502
y		0,019	0,019	0,019	0,019	0,019	0,019	0,019	0,019	0,019

 

Рисунок 1.3 – Силовой баланс автобуса 

Рисунок 1.4 – Динамическая характеристика автобуса 

4. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАЗГОНА АВТОБУСА

 

 

Показатели разгона автобуса представляют собой графики ускорений, времени и пути разгона в функции скорости.

Ускорение j для разных передач и скоростей определяю по значениям D из таблицы 1.3, использую формулу

 

, (12)

 

где d_i=1.04+0.04×U²_ki×U²_рв – коэффициент влияния вращающихся масс, предварительно рассчитывается для каждой передачи

d₁ = 2,756; d₂ = 1,422; d₃ = 1,157; d₄ = 1,080.

Расчетные данные для построения графика  ускорений свожу в таблицу 1.4, где также приводятся значения величин, обратных ускорениям 1/j, которые будут использованы при определении времени разгона автобуса ПАЗ-672.

По данным таблицы 1.4 строю график ускорений и график величин, обратных ускорениям. При максимальной скорости для автобуса ПАЗ-3205 с ограничителем частоты вращения вала двигателя ускорение j=0,072 м/с², а обратная величина 1/j=13,955 с²/м, построение графика 1/j = f(V) ограничиваю последней точкой, примерно соответствующей V_max = 80,015 км/ч.

 

Таблица 1.4 – Результаты расчетов ускорений и величин, обратных ускорениям

 

 

Параметры		Числовое значение
n, об/мин		600	925	1250	1575	1900	2225	2550	2875	3200
Me, Н· м		294,381	307,961	316,272	319,313	317,083	309,583	296,813	278,773	255,463
1-я передача Uk1=6,55	V, км/час	2,290	3,531	4,772	6,013	7,253	8,494	9,735	10,975	12,216
	D	0,322	0,337	0,346	0,349	0,347	0,338	0,324	0,305	0,279
	D -y	0,303	0,318	0,327	0,330	0,328	0,319	0,305	0,286	0,260
	j, м/с2	1,078	1,131	1,163	1,175	1,166	1,137	1,087	1,016	0,925
	1/j, с2/м	0,928	0,884	0,860	0,851	0,858	0,880	0,920	0,984	1,081
2-я передача Uk2=3,09	V, км/час	4,855	7,485	10,115	12,745	15,375	18,005	20,635	23,265	25,895
	D	0,152	0,159	0,163	0,164	0,163	0,159	0,152	0,142	0,130
	D -y	0,133	0,140	0,144	0,145	0,144	0,140	0,133	0,123	0,111
	j, м/с2	0,916	0,964	0,993	1,003	0,993	0,965	0,918	0,852	0,767
	1/j, с2/м	1,091	1,037	1,007	0,997	1,007	1,036	1,089	1,174	1,304
3-я передача Uk3=1,71	V, км/час	8,774	13,526	18,278	23,030	27,783	32,535	37,287	42,040	46,792
	D	0,084	0,087	0,089	0,090	0,089	0,086	0,081	0,075	0,068
	D -y	0,065	0,068	0,070	0,071	0,070	0,067	0,062	0,056	0,049
	j, м/с2	0,550	0,581	0,598	0,601	0,590	0,566	0,528	0,477	0,412
	1/j, с2/м	1,819	1,723	1,674	1,665	1,694	1,766	1,893	2,097	2,430
4-я передача Uk4=1,00	V, км/час	15,003	23,129	31,256	39,382	47,509	55,635	63,762	71,888	80,015
	D	0,049	0,050	0,050	0,049	0,047	0,044	0,040	0,034	0,027
	D -y	0,030	0,031	0,031	0,030	0,028	0,025	0,021	0,015	0,008
	j, м/с2	0,269	0,282	0,285	0,277	0,258	0,228	0,187	0,135	0,072
	1/j, с2/м	3,720	3,540	3,506	3,611	3,879	4,392	5,359	7,429	13,955

 

Рисунок 1.5  – График ускорений автобуса 

Рисунок 1.6 – График величин, обратных ускорениям  

Время разгона определяем как интеграл функции

, (13)

графическим интегрированием функции 1/j=f(V), используя график величин, обратных ускорениям. Для этого площадь под кривыми 1/j=f(V) в интервале от V_min до V_max разбиваю на 8 произвольных участков. Переход с одной передачи на другую выбираю при наиболее близких значениях j и 1/j. При этом каждый участок ограничен частью оси абсцисс (V), частью кривой зависимости 1/j=f(V) и ординатами точек этой кривой, соответствующих начальной и конечной скоростям выбранного интервала. Площади этих участков представляют собой в определенном масштабе время разгона в соответствующем интервале скоростей на данной дороге. Время разгона автобуса на i-м участке t_i (с) от скорости V_i до V_i+1 определяю как площадь F_ti на масштабы по оси абсцисс и ординат

 

, (14)

где m_1/j [с² /(м×мм)] и m_V [м/(с×мм)] – масштабы соответственно для величин обратных ускорениям и скорости; F_ti – площадь i-того участка на графике величин, обратных ускорениям, мм².

Так как на графике скорость представлена в км/ч (в масштабе m_v), то масштаб m_V определяем как m_V/3,6.

Таблица 1.5 – Результаты расчета времени разгона

Параметр	Значения параметра
V, км/ч	2,290	7,253	15,375	20,635	27,783	37,287	55,635	63,762	71,888
1/j, м/с2	0,928	0,858	1,007	1,089	1,694	1,893	4,392	5,359	7,429
Fti, мм2	0	4,429	7,570	5,512	9,947	17,045	57,656	39,619	51,958
S·Ft, мм2	0	4,429	11,99969	17,512	27,459	44,503	102,159	141,778	193,736
t, с	0	1,230	3,333	4,864	7,627	12,362	28,378	39,383	53,816

Подсчитав площади участков и нарастающую сумму площадей по формуле (14), определяю время разгона, результаты расчетов свожу в таблицу 1.5 и строю график времени разгона автобуса ПАЗ-3205.

Рисунок 1.7 – График времени разгона 

Путь разгона  определяю методом графического интегрирования функции t=f(V), то есть подсчетом соответствующих площадей графика времени разгона, поскольку V=dS/dt; dS=Vdt;

. (15)

Для этого  площадь над кривой t=f(V) в интервале от V_min до V_max разбиваю на 8 произвольных участков. Каждый участок ограничен частью оси ординат (t), частью кривой t=f(V) и абсциссами точек этой кривой, соответствующих начальной и конечной скоростям выбранного интервала. Площади этих участков представляют собой в определенном масштабе путь разгона в соответствующем интервале скоростей на данной дороге. Путь разгона автобуса на i-м участке S_i (м) от скорости V_i, до V_i+1 определяю как площадь F_ti на масштабы по оси абсцисс и ординат

 

, (16)

где m_t [с/мм] – масштаб времени;

 F_Si - площадь i-того участка на графике t = f(V), мм².

Подсчитав площади  участков и нарастающую сумму  площадей, по формуле (16), рассчитываю  путь разгона S, результаты расчетов свожу в таблицу 1.6 и строю график пути разгона автобуса ПАЗ-672.

 

Таблица 1.6 – Результаты расчетов пути разгона автобуса

 

 

Параметр	Значения параметра
V, км/ч	2,290	7,253	15,375	20,635	27,783	37,287	55,635	63,762	71,888
t, с	0	1,230	3,333	4,864	7,627	12,362	28,378	39,383	53,816
Fsi, мм2	0	3,053	18,532	21,559	44,646	94,997	373,737	275,326	378,687
S·Fs, мм2	0	3,053	21,586	43,145	87,790	182,787	556,524	831,851	1210,538
S, м	0	0,848	5,996	11,985	24,386	50,774	154,590	231,070	336,261

 

Рисунок 1.8 – График пути разгона 

5.  Построение графика мощностного баланса автобуса

Уравнения баланса  мощности двигателя могут быть выражены через мощность двигателя N_e

 

, (17)

 

или через мощность на колесах N_k

 

, (18)

 

где N_r - мощность, теряемая в трансмиссии;

 N_y, N_w - мощность, расходуемая на преодоление соответственно суммарных дорожных сопротивлений и сопротивления воздуха;

 N_j - мощность, используемая для разгона.

Сначала вычисляю мощность на ведущих колесах N_k. Эту величину определяют через мощность N_e, развиваемую на коленчатом валу двигателя, с учетом потерь в трансмиссии

 

. (19)

 

Значения мощностей N_y и N_w рассчитываю с использованием величин Р_y, и P_w, взятых из таблицы 1.3 для высшей передачи с целью обеспечения всего диапазона скоростей движения автобуса ПАЗ-3205

 

, (20)

. (21) 

Полученные значения величин N_y и N_w суммирую.

Из таблицы 1.4 беру также значения скоростей движения автобуса на всех передачах, соответствующие принятым ранее величинам частоты вращения коленчатого вала двигателя. Данные расчетов свожу в таблицу 1.7 и по ним строю график мощностного баланса автобуса ПАЗ-3205.

На графике мощностного баланса  строю следующие зависимости мощностей от скорости движения автобуса

N_e = f(V) – только для высшей передачи;

N_k = f(V) – для всех передач;

N_V = f(V) и N_y+N_w = f(V).

Мощности Nr и Nj определяются на графике как разности N_r=N_e–N_k,   N_j=N_k– (N_y+N_w).

Параметр		Числовое значение
n, об/мин		600	925	1250	1575	1900	2225	2550	2875	3200
Ne, кВт		18,495	29,829	41,397	52,661	63,085	72,128	79,254	83,924	85,600
Nk, кВт		15,721	25,354	35,187	44,762	53,622	61,309	67,366	71,335	72,760
V , км/ч	Uk1=6,55	2,290	3,531	4,772	6,013	7,253	8,494	9,735	10,975	12,216
	Uk2=3,09	4,855	7,485	10,115	12,745	15,375	18,005	20,635	23,265	25,895
	Uk3=1,71	8,774	13,526	18,278	23,030	27,783	32,535	37,287	42,040	46,792
	Uk4=1,00	15,003	23,129	31,256	39,382	47,509	55,635	63,762	71,888	80,015
Nψ , кВт		6,078	9,371	12,663	15,955	19,248	22,540	25,832	29,125	32,417
Nw , кВт		0,177	0,649	1,603	3,206	5,629	9,039	13,607	19,501	26,890
Nψ+Nw , кВт		6,255	10,020	14,266	19,161	24,876	31,579	39,439	48,625	59,307

Таблица 1.7 – Результаты расчетов составляющих баланс мощности

 

Рисунок 1.9 – График мощностного  баланса автобуса 

6.  Анализ тягово-скоростных свойств автобуса

 

 

Согласно внешней скоростной характеристики двигателя   М_mах=319,313 Н×м, рассчитанное значение немного больше реального значения, а n_м=1575 об/мин – меньше реального значения, что объясняется приближенностью исходной формулы (1). По значениям М_еmax и M_N (которое равно 255,463 Н×м) определяю коэффициент приспособляемости двигателя

 

. (22)

 

По графику силового баланса определяю максимально возможную скорость движения автобуса V_max для заданных дорожных условий (y). Ее можно определить также по динамической характеристике, графику ускорений и мощностному балансу автобуса. При правильном построении указанных зависимостей максимальные значения скорости будут для всех графиков одинаковы. По динамической характеристике автобуса для каждой передачи определяю максимальное дорожное сопротивление y_maxi, которое может преодолеть автомобиль, критическую скорость V_kpi и максимальный преодолеваемый продольный уклон дороги i_maxi при коэффициенте сопротивления качению f = 0,10 (грунтовая дорога после дождя).

Определяю максимальный преодолеваемый продольный уклон дороги

 

. (23)

 

Для большей наглядности  полученное значение уклона представляем в процентах.

По графику ускорений  определяю максимальное ускорение j_max для каждой передачи и оптимальные скорости перехода V_nep с одной передачи на другую на данной дороге.

С помощью графиков времени  и пути разгона для принятого  дорожного сопротивления определяю соответственно время и путь разгона автобуса до скорости 60 км/ч.

Для автобуса ПАЗ-3205 перечисленные параметры свожу в таблицу 1.8.

 

Таблица 1.8 – Конечные результаты расчетов автобуса

 

Параметр	Числовое значение
	I	II	III	IV
Vmax, км/ч	12,216	25,895	46,792	80,015
Vкр, км/ч	6,013	12,745	23,030	39,382
Vпер, км/ч	12,216	25,895	46,792	----
Dmax	0,349	0,164	0,090	0,050
ψmax	0,349	0,164	0,090	0,050
jmax, м/с2	1,175	1,003	0,601	0,285
imax, %	24,909	6,433	-1,015	-4,960
tV60, с	33,0
SV60, м	185,0

 

 

ВЫВОД

 

 

В данной работе был проведен анализ тягово-скоростных свойств автобуса ПАЗ-3205 для дороги с коэффициентом суммарного дорожного сопротивления y = 0,018. Были построены графики внешней скоростной характеристики, силового баланса, ускорений, мощностного баланса, а также графики времени и пути разгона.