Тяговый расчет двигателя

ВВЕДЕНИЕ 
 

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

     В курсовой 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-672, движущегося по дороге с коэффициентом суммарного дорожного сопротивления y = 0,019.  

     Для заданной модели в курсовой 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
 

     Из  справочника НИИАТ и документации 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 Nemax, кВт 85,6

     Частота вращения коленчатого вала двигателя при

     максимальной мощности nN , об/мин 3200

     Наличие ограничителя частоты вращения вала двигателя есть

     Передаточные  числа:

      - коробки передач Uk1 6,55

       Uk2  3,09

       Uk3  1,71

       Uk4 1,00

     - раздаточной коробки Ukр1 1,00

       Ukр2  1,963

     - главной передачи U0 6,83

     Шины 240-508 (8,25-20)

     Статический радиус колеса rст., м 0,453

     Габаритные  размеры:

      - ширина ВГ, м 2,44

      - высота НГ, 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 Меmах, Н×м 284,4

     Частота вращения вала двигателя при максимальном крутящем

     моменте nм, об/мин 2000

     Максимальная  скорость Vmax, км/ч 80 
 

    1.   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 (Nemax и nN) воспроизвести всю кривую мощности: 

       , (1) 

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

          Nemax, кВт – максимальная мощность двигателя при частоте вращения nN , об/мин;

          А1, А2 – эмпирические коэффициенты характеризующие тип двигателя внутреннего сгорания.

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

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

        об/мин. (2) 

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

       . (3) 

    Результаты  расчетов по формулам (1), (2), (3) свожу в таблицу 1.2 и строю внешнюю скоростную характеристику двигателя Ne=f(n) и Me=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 

    1. 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 rд – динамический радиус колеса, который в нормальных условиях движения принимают равным rст, 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-672 G=9,81×7825=76763,25 Н, а при заданном y=0,019, Рy=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 Pj не рассчитывается, а определяется как разность тягового усилия Рk и суммы сопротивлений движению Py+Pw.

     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 rk – радиус качения колеса, м, равный, при отсутствии проскальзывания, статическому радиусу rст.

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

       . (11) 

     Переменные по скорости величины Рk, Pw 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 Рk2 = 39,6004305×Ме, Рk3 = 21,9148013×Ме, Рk4 = 12,8156733×Ме.

     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 Py+Pw, 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 

    1. 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 di=1.04+0.04×U2ki×U2рв – 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-672 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 Vmax = 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 Vmin до Vmax 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 ti (с) от скорости Vi до Vi+1 определяю как площадь Fti на масштабы по оси абсцисс и ординат 

       , (14)

     где m1/j [с2 /(м×мм)] и mV [м/(с×мм)] – масштабы соответственно для величин обратных ускорениям и скорости; Fti – площадь i-того участка на графике величин, обратных ускорениям, мм2.

     Так как на графике скорость представлена в км/ч (в масштабе mv), то масштаб mV определяем как mV/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-672.

     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 Vmin до Vmax 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 Si (м) от скорости Vi, до Vi+1 определяю как площадь Fti на масштабы по оси абсцисс и ординат

 

       , (16)

     где mt [с/мм] – масштаб времени;

       FSi - 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 

    1.   Построение графика мощностного баланса автобуса

     Уравнения баланса мощности двигателя могут  быть выражены через мощность двигателя Ne

 

       , (17) 

     или через мощность на колесах Nk 

       , (18) 

     где Nr - мощность, теряемая в трансмиссии;

       Ny, Nw - мощность, расходуемая на преодоление соответственно суммарных дорожных сопротивлений и сопротивления воздуха;

       Nj - мощность, используемая для разгона.

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

       . (19) 

     Значения  мощностей Ny и Nw рассчитываю с использованием величин Рy, и Pw, взятых из таблицы 1.3 для высшей передачи с целью обеспечения всего диапазона скоростей движения автобуса ПАЗ-672 

       , (20)

       . (21) 

      Полученные значения величин Ny и Nw 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-672.

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

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

     Nk = f(V) – для всех передач;