Тяговый расчет автомобиля ГАЗ-3221

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ»  

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

Курсовая работа

 

На тему: ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ «ГАЗ-3221»

 

Двигатель ЗМЗ-402

Вариант-17

 

По специальности

190601 «Автомобили и автомобильное  хозяйство» 

 

 

  

 

 

   

 

 

 

 

 

 

  

 

 

  

 

 

                                        Составитель: Красиков А.Н.

Проверил: Быков А.В. 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

Улан-Удэ

2014

Содержание:

 

 

Введение

2

1.

Построение внешней скоростной характеристики автомобильного двигателя

3

2.

Тяговый баланс автомобиля

8

3.

Динамический фактор автомобиля

19

4.

Характеристика ускорений автомобиля

26

5.

Характеристика времени и пути разгона автомобиля

30

6.

Мощностной баланс автомобиля

38

7.

Топливно-экономическая характеристика автомобиля

41


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целью курсовой работы является закрепление знаний по основным разделам курса “Теория автомобиля”, а также привитие навыков самостоятельного исследования эксплуатационных свойств автотранспортных средств. В процессе выполнения курсовой работы студенты знакомятся с характеристиками и параметрами автомобилей, анализируют характер изменения эксплуатационных качеств в зависимости от дорожных, нагрузочных и конструктивных условий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант-17

Исходные данные для расчета

Двигатель ЗМЗ-402

  

Номинальная мощность

Nmax

79,5

номинальные обороты

nnom

4500

максимальный момент

Mmax

201

обороты при макс. Моменте

nm

2400

минимальный удельный расход топлива на номинальных оборотах

gemin

307

коэффициенты учитывающие тип двигателя

a

1

b

1


 

1.Построение внешней скоростной характеристики автомобильного двигателя

Наиболее полные сведения о параметрах двигателя дает его внешняя скоростная характеристика. Она представляющая собой зависимость эффективной мощности - Ne , [кВт]; эффективного крутящего момента - Me, [Н×м]; удельного расхода топлива - ge ,  [г/кВт×ч]; часового расхода топлива - GT, [кг/ч],  от частоты вращения коленчатого вала ne, [об/мин], при установившемся режиме работы двигателя и максимальной подаче топлива.

Определение текущего значения эффективной мощности от частоты вращения коленчатого вала двигателя, производится по эмпирической зависимости, предложенной С.Р. Лейдерманом:

, [кВт]                     (1.1)

 

где: Ne max - максимальная эффективная мощность двигателя, [кВт];

ne -  текущая частота вращения, [об/мин];

nN  - частота вращения при максимальной мощности, [об/мин].

 

Коэффициенты а, b, с зависящие от типа и конструкции двигателя приведены в таблице 1.1

 

Таблица 1.1

Тип двигателя

Коэффициент

а

b

с

Бензиновый

1

1

1

Дизельный

0,5

1,5

1


 

Таблица 1.2. - Обороты двигателя

Расчет минимальных оборотов

nemin

500

Расчет максимальных оборотов

nemax

5400


 

Чтобы воспользоваться формулой Лейдермана, необходимо определить значения наименьшей устойчивой - ne min , и максимальной - ne max, частот вращения коленчатого вала двигателя. Наименьшую, устойчивую частоту вращения коленчатого вала бензинового двигателя следует принять равной - ne min = 0,13× nN , а у дизеля - ne min = 0,2× nN , [об/мин].

Максимальную частоту вращения коленчатого вала бензинового двигателя следует принять равной - ne max = 1,2× nN , а для  дизеля - ne max = 1,05× nN , [об/мин].

С целью облегчения расчетов, полученные значения ne min и ne max следует округлить до ближайшей сотни об/мин.

Для получения зависимости Ne = f(ne), весь диапазон частот вращения коленчатого вала двигателя от ne min  до  ne max следует разбить примерно на 10 значений (обычно через 200, 300, 400 или 500 об/мин). Для каждого значения ne , с использованием уравнения Лейдермана, необходимо определить значения эффективной мощности двигателя Ne по формуле (1.1) и занести результаты расчетов в первую строку таблицы 1.3.

 

Следует помнить, что часть мощности двигателя затрачивается на привод вспомогательного оборудования (генератор, насос системы охлаждения двигателя, компрессор, насос гидроусилителя руля и др.), и лишь оставшаяся мощность Ne¢ - так называемая мощность нетто, используется для движения автомобиля.  Поскольку вышеназванные потери мощности обычно составляют 10 – 15%, для определения мощности нетто воспользуемся выражением:

Ne¢ = 0,9×Ne,   [кВт].                                          (1.2)

 

Еще одним неотъемлемым графиком внешней скоростной характеристики двигателя является график зависимости  эффективного крутящего момента двигателя Мe = f(ne). Для расчета графика эффективного крутящего момента используем выражение вида:

,   [Н×м].                                 (1.3)

Аналогично с мощностью, часть эффективного крутящего момента двигателя - Me затрачивается на привод навесного вспомогательного оборудования, и лишь оставшаяся его часть, так называемый крутящий момент нетто - Мe¢, используется для движения автомобиля. Для определения момента нетто воспользуемся выражением:

 

Мe¢ = 0,9 × Мe ,   [Н×м]                                    (1.4)

 

Еще одним графиком внешней скоростной характеристики двигателя является график зависимости удельного расхода топлива двигателя ge = f(ne). Для расчета удельного расхода топлива бензиновых двигателей используют эмпирическую зависимость вида:

,   [г / кВт×ч]                       (1.5)

где: ge min – минимальный удельный расход топлива [г / кВт×ч].

Последним из графиков внешней скоростной характеристики двигателя является график часового расхода топлива. Для его построения используют полученные значения удельного часового расхода топлива и выражение вида:

 

,   [кг/ч]                                  (1.6)

Полученные результаты расчета заносим в таблицу 1.3.

Таблица 1.3.

1

Обороты двигателя, об/мин

ne

500

880

1260

1640

2020

2

Эффективная мощность, кВт

Ne

9,7

18,0

26,7

35,7

44,5

3

Мощность Нетто, кВт

Ne'

8,7

16,2

24,1

32,1

40,1

4

Эффективный момент, Н*м

Me

185

195

203

208

210

5

Момент Нетто, Н*м

Me'

167

176

182

187

189

6

Удельный расход топлива, г/(кВт*ч)

ge

331

308

289

275

265

7

Часовой расход топлива, кг/ч

Gt

3,2

5,5

7,7

9,8

11,8


 

Продолжение таблицы 1.3.

1

2400

2780

3160

3540

3920

4300

4680

5060

5400

2

53,0

60,7

67,5

73,0

77,0

79,2

79,2

76,9

72,5

3

47,7

54,6

60,8

65,7

69,3

71,3

71,3

69,2

65,3

4

211

209

204

197

188

176

162

145

128

5

190

188

184

177

169

158

146

131

115

6

259

258

261

269

280

297

317

342

368

7

13,7

15,7

17,6

19,6

21,6

23,5

25,1

26,3

26,7


 

Далее, на основе результатов расчетов таблицы 1.3, строят графики внешней скоростной характеристики двигателя, аналогичные, представленным на рис. 1.1.

 

 

 

Рисунок 1.1. - График внешней скоростной характеристики

 

 

где: максимальная мощность нетто  -  Ne¢,   [кВт];

максимальный крутящий момент  нетто  - Me¢,  [Н×м];

минимальный удельный расход топлива  - ge min,  [г / кВт×ч];

частоты ne вращения коленчатого вала двигателя, соответствующие:

- максимальной мощности двигателя     nN ,           [об/мин];

- максимальному крутящему моменту    nM ,           [об/мин];

- минимальному удельному расходу  топлива ng ,   [об/мин].

 

2. Тяговый баланс автомобиля

Тяговый баланс автомобиля - это совокупность графиков зависимостей силы тяги на ведущих колесах Fк,  [Н]  (на различных передачах), а также суммы сил сопротивления качению Ff, [Н] и воздуха Fw, [Н], от скорости движения автомобиля Va, [км/ ч].

Графики сил тяги на колесах автомобиля - Fк i = f (Va) строят для всех ступеней - i в основной коробке передач. Для автомобилей, имеющих раздаточную коробку, строят  также дополнительный график для случая одновременного включения первой передачи (i = 1) в основной коробке передач и низшей - в раздаточной. При наличии делителя, кривые Fк i строят для всех возможных передаточных чисел в КПП, раздаточной коробке и делителе.

 

Расчет сил тяги на колесах для каждой передачи – Fк i производится по формуле:

,   [Н]                                    (2.1)

где: hТР - коэффициент полезного действия трансмиссии;

UТР - передаточное число трансмиссии;

rк - радиус качения колеса,  [м].

 

Передаточное число трансмиссии автомобиля определяется как произведение:

UТР = UКПП × UРК × UГП                                      (2.2)

 

где : UКПП - передаточное число коробки перемены передач;

UРК - передаточное число раздаточной коробки или делителя;

UГП - передаточное число главной передачи.

 

Таблица 2.1. - Передаточные числа трансмиссии

1

Передаточное число коробки

Uкп

3,5

2,26

1,45

1

0,78

2

Передаточное число раздаточной коробки

Uрк

1

1

1

1

1

3

Передаточное число главной передачи

Uгп

4,25

4,25

4,25

4,25

4,25

4

Передаточное число трансмиссии

Uтр

14,875

9,605

6,163

4,250

3,315


 

При расчетах радиусов качения колес, в качестве исходных данных, используют статический радиус - rстат.

При этом следует учитывать, что радиус качения rк обычно несколько больше статического и определяется индивидуально для диагональных и радиальных шин.

Радиус качения колеса с диагональной шиной: rк = 1,02 × rстат,  [м];

Радиус качения колеса с радиальной шиной:     rк = 1,04 × rстат,  [м].

 

 

 

 

 

Таблица 2.2. - Качения радиус колеса

статический радиус, м

rстат

0,31

радиус качения, м

rк

0,322


 

КПД  трансмиссии автомобиля определяется на основании потерь мощности на трение:

,                                           (2.3)

Часть мощности при этом затрачивается на преодоление сил трения в зацеплениях зубчатых шестерен коробки передач, главных передачах ведущих мостов, в карданных шарнирах и шлицах,  подшипниках и сальниках, расходуется на взбалтывание масла и на его разбрызгивание. Поэтому мощность Nк - подводимая к ведущим колесам автомобиля, меньше мощности развиваемой двигателем - Ne’ на величину вышеперечисленных потерь - NТP.  Таким образом, величина NТP - учитывает два вида потерь мощности: потери, вызванные наличием трения в зубчатых зацеплениях, шарнирах, подшипниках, а также гидравлические потери. Причем, потери мощности на преодоление трения в зубчатых зацеплениях, шарнирах и подшипниках пропорциональны моменту, передаваемому трансмиссией.

Для упрощения расчетов определим КПД трансмиссии с учетом потерь на трение:

hтр = 0,98К ×0,97L× 0,99M                                 (2.4)

 

где:  K - число пар цилиндрических шестерен в трансмиссии автомобиля, через которые передается крутящий момент на i-той передаче;

L - число пар конических или гипоидных шестерен;

M - число карданных шарниров.

Следует помнить, что КПД трансмиссии - hтр следует определять для каждой i - той передачи коробки перемены передач, а также раздаточной коробки или делителя.

Расчеты зависимостей силы тяги на колесах автомобиля, от его скорости Fк i = f(Va),  выполняют с использованием выражения (2.4). При этом, значения крутящего момента двигателя нетто - Мe’ берутся из таблицы 1.2 внешней скоростной характеристики двигателя для каждого значения частоты вращения ne коленчатого вала. Причем, для тех же значений частот вращения ne, рассчитывают скорость движения автомобиля на всех передачах по формуле:

,     [км/ ч]                   (2.5)

Таблица 2.3 - КПД трансмиссии

1

  

передача

1

2

3

4

5

2

Число пар цилиндрических шестерен, через которые передается момент

K

2

2

2

2

0

3

Число пар конических шестерен, через которые передается момент

L

1

1

1

1

1

4

Число карданных шарниров, через которые передается момент

M

2

2

2

2

2

5

КПД трансмиссии

KPD

0,913

0,913

0,913

0,913

0,951


 

Значения силы тяги на колесах и скорости автомобиля, рассчитанные для каждой передачи заносим в таблицу 3.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.4.

1

  

1 передача

            

2

скорость движения, км/ч

va

4,09

7,19

10,30

13,40

16,51

19,61

3

сила тяги, Н

Fк

7028,5

7403,0

7686,3

7878,3

7979,2

7988,8

4

  

2 передача

            

5

скорость движения, км/ч

va

6,33

11,14

15,94

20,75

25,56

30,37

6

сила тяги, Н

Fк

4538,4

4780,2

4963,1

5087,2

5152,3

5158,5

7

  

3 передача

            

8

скорость движения, км/ч

va

9,86

17,36

24,85

32,35

39,84

47,34

9

сила тяги, Н

Fк

2911,8

3067,0

3184,3

3263,9

3305,7

3309,6

10

  

4 передача

            

11

скорость движения, км/ч

va

14,30

25,17

36,03

46,90

57,77

68,64

12

сила тяги, Н

Fк

2008,1

2115,1

2196,1

2251,0

2279,8

2282,5

13

  

5 передача

            

14

скорость движения, км/ч

va

18,33

32,27

46,20

60,13

74,06

88,00

15

сила тяги, Н

Fк

1630,9

1717,8

1783,6

1828,1

1851,5

1853,8


 

Продолжение таблицы 2.4.

1

                

2

22,72

25,82

28,93

32,03

35,14

38,24

41,35

44,12

3

7907,2

7734,3

7470,2

7114,9

6668,4

6130,6

5501,6

4861,5

4

                

5

35,18

39,99

44,80

49,60

54,41

59,22

64,03

68,33

6

5105,8

4994,1

4823,6

4594,2

4305,9

3958,6

3552,5

3139,1

7

                

8

54,83

62,33

69,82

77,32

84,81

92,31

99,80

106,51

9

3275,8

3204,2

3094,8

2947,6

2762,6

2539,8

2279,2

2014,1

10

                

11

79,50

90,37

101,24

112,11

122,97

133,84

144,71

154,43

12

2259,2

2209,8

2134,3

2032,8

1905,2

1751,6

1571,9

1389,0

13

                

14

101,93

115,86

129,79

143,73

157,66

171,59

185,53

197,99

15

1834,8

1794,7

1733,4

1651,0

1547,4

1422,6

1276,6

1128,1


Далее определяют силы сопротивления качению колес автомобиля по дорожному покрытию используя выражение:

  ,   [Н]                                             (2.6)

где:   ma - для условий данной курсовой работы, это масса полностью загруженного автомобиля,  [кг] (выбирается в соответствии с выданным заданием из таблицы 8.4);

g  = 9,81 -  ускорение свободного падения, [м/с2];

f  -  коэффициент сопротивления качению автомобильного колеса.

Величина коэффициента сопротивления качению колеса – f, зависит от скорости автомобиля. Для его определения используют выражение, предложенное Б.С. Фалькевичем:

  ,                                           (2.7)

где: f 0 = 0,018- коэффициент сопротивления качению колес автомобиля по асфальтобетону;

      f 0 = 0,03 - коэффициент сопротивления качению колес автомобиля по грунтовой дороге.

 

Для расчета действующей на автомобиль силы сопротивления воздуха воспользуемся выражением вида:

  ,   [Н]                                      (2.8)

где: Кв – коэффициент обтекаемости формы автомобиля,

Sx - площадь Миделя - площадь проекции автомобиля на плоскость перпендикулярную продольной оси,  [м2].

 

При известном значении безразмерного коэффициента аэродинамического сопротивления Сх можно легко определить значение коэффициента обтекаемости Кв по выражению, предложенному академиком Е.А. Чудаковым:

 

Кв = 0,5 × Сх × r в,   [кг/м3]                                   (2.9)

 

где: r в = 1,225 , [кг/м3] – плотность воздуха.

Для нахождения площади Миделя автомобиля Sx воспользуемся выражениями:

- для легковых автомобилей   -  Sx = 0,78 × Ва × Н,  [м2];

-для автобусов                          -  Sx = Ва × Н,            [м2];

- для грузовых автомобилей   -  Sx = В × Н,                 [м2];

 

где: Ва и Н - соответственно наибольшие ширина и высота автомобиля,  [м];

В - колея передних колес автомобиля, [м] (выбирается в соответствии с выданным заданием из таблицы 8.4).

Графики суммарных сил сопротивления движению, строят для случаев разгона автомобиля с полной нагрузкой для 2-х типов дорог (строки № 6 и 7 таблицы 2.2).

Рассчитанные значения сил сопротивления движению заносят в таблицу 2.4.

Значение максимального значения скорости - Va max выбирают таким, чтобы оно было  примерно на 10% больше наибольшего значения скорости, определенного для высшей передачи и находящегося в строке №1 таблицы 2.1.

График тягового баланса строят на основе данных, таблиц 2.4 и 2.6. На графике тягового баланса должны быть нанесены линии, показывающие предельные величины сил сцепления ведущих колес, полностью загруженного автомобиля с дорогой, при следующих значениях коэффициента сцепления:

  • = 0,8  - сухой асфальтобетон;
  • = 0,6  - сухая грунтовая дорога;
  • = 0,4  - мокрый асфальтобетон;
  • = 0,2  - укатанная снежная дорога.

Значения предельных сил сцепления ведущих колес автомобиля с дорогой определяются по формуле:

 

Fсц  =  mк × g × j , [Н]                                     (2.10)

 

где:  mк - масса автомобиля, приходящаяся на его ведущие колеса.

 

Таблица2.5. - Площадь Миделя автомобиля

Коэфф. Аэродинамического сопротивления

Cx

0,4

плотность воздуха, кг/м3

pв

1,225

ширина автомобиля, м

Ba

1,9

высота автомобиля, м

H

2,22

Коэфф. Обтекаемости формы

Кв

0,245

полная масса автомобиля, кг

ma

3250

площадь Миделя, м2

Sx

3,290


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.6. - Суммарная сила сопротивлению движения

1

Скорость движения автомобиля, км/ч

va

0

20

40

60

80

2

коэфф. Сопротивления качению на асфальте

fасф

0,018

0,01836

0,01944

0,02124

0,02376

3

коэфф. Сопротивления качению на грунте

fгр

0,03

0,0306

0,0324

0,0354

0,0396

4

Сила сопротивления качению на грунте, Н

Ffасф

573,9

585,4

619,8

677,2

757,5

5

Сила сопротивления качению на асфальте, Н

Ffгр

956,5

975,6

1033,0

1128,6

1262,5

6

Сила аэродинамического сопротивления, Н

Fw

0,0

24,9

99,5

223,9

398,1

7

Суммарная сила сопротивления на асфальте, Н

Fw+Ffасф

573,9

610,2

719,3

901,1

1155,6

8

Суммарная сила сопротивления на грунте, Н

Fw+Ffгр

956,5

1000,5

1132,5

1352,5

1660,6