Расчёт динамических характеристик автомобильно-транспортного средства

Целью курсовой работы является закрепление полученных в теоретическом курсе знаний, использование их в расчетах, применяя необходимые параметры и зависимости, а также в определении показателей тягово-скоростных свойств и возможностей автомобиля.

Тягово-скоростные свойства имеют важное значение при эксплуатации автомобиля, так как от них во многом зависит его средняя скорость движения и производительность. При благоприятных тягово-скоростных свойствах возрастает средняя скорость, уменьшаются затраты времени на перевозку грузов, а также повышается производительность автомобиля.

Основные задачи расчета связаны с определением возможных значений скорости движения автомобиля в заданных дорожных условиях, максимального преодолеваемого сопротивления движению, запаса сил по тяге, показателей приемистости автомобиля (ускорение, время и путь разгона).

1. Определение полной массы АТС

Для грузового автомобиля полная масса определяется из выражения:

автомобиль качение двигатель скорость МА = МО + МГ + МП = КГ • МГ + МГ + 75n, (1)

где Мо — собственная масса автомобиля, кг;

Мг — номинальная грузоподъемность, кг;

Мп — масса пассажиров, включая водителя, кг;

Кг — коэффициент снаряженной массы автомобиля.

МА = 2 • 500 + 500 + 75 • 2 = 1650 кг.

Выбор фактора обтекаемости Фактор обтекаемости определяется по формуле:

W = K • F, (2)

где К — коэффициент сопротивления воздуха;

F — наибольшая площадь поперечного сечения автомобиля, м2.

К = 0,6 Н•с2/м4.

Площадь поперечного сечения грузовых автомобилей определяется по формуле:

F = В • Н, (3)

где В — колея автомобиля, м; Н — габаритная высота автомобиля, м.

F = 1,76 • 1,247 = 2,19 м².

Тогда W = 0,6 • 2,19 = 1,31 Н • с2/м2.

Выбор КПД трансмиссии Коэффициент полезного действия трансмиссии определяет потерю мощности при передаче ее от двигателя к ведущим колесам автомобиля. Величина КПД зависит от типа главной передачи, от колесной формулы автомобиля и согласно экспериментальным данным может быть принята для грузовых двухосных автомобилей с главной двойной передачей /4×2/ - зМ = 0,9.

2. Определение максимальной мощности двигателя и коэффициента сопротивления качению

С достаточной точностью можно принять, что максимальная мощность двигателя равна потребной мощности Nn, затрачиваемой на преодоление сопротивлений движению автомобиля по горизонтальной асфальтобетонной поверхности с заданной максимальной скоростью Vа maх и мощности, теряемой в трансмиссии:

(4)

где Nnпотребная мощность двигателя, кВт; Nfпотеря мощности на сопротивление качению, кВт; Nw — потери мощности на сопротивление воздуха, кВт; зmКПД трансмиссии.

(5)

(6)

где Raсуммарная нормальная реакция всех колес автомобиля, Н;

f — коэффициент сопротивления качению при Va max;

Va max — максимальная скорость движения автомобиля, км/ч;

kFфактор обтекаемости, Н•с2/м2.

Максимальная мощность автомобиля определяется по формуле:

=+. (7)

Коэффициент сопротивления качению определяется по формуле:

(8)

где f0 — коэффициент сопротивления качению при близкой к нулю скорости. Для дороги с бетонным покрытием f0 = 0,012.

Тогда при V = 110 км/ч

При V=115 км/ч

3. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

Скоростная характеристика представляет собой зависимость эффективной мощности Ne и крутящего момента Мe от угловой скорости ще вала двигателя.

Для построения скоростной характеристики используем эмпирическую зависимость, предложенную профессором Р. С. Лейдерманом:

(9)

где Nе — текущее значение мощности двигателя, кВт;

Nе max-максимальная мощность двигателя, кВт;

щeтекущее значение угловой скорости вращения коленчатого вала, рад/с; щN — угловая скорость при максимальной мощности, рад/с;

a, b, cпостоянные коэффициенты, зависящие от типа двигателя;

Для карбюраторного двигателя, а=1; b=1;c=1. Минимальное устойчивое значение угловой скорости вала двигателя ще min примем равным 100 рад/с, а максимальное значение угловой скорости ще max =600 рад/с.

Момент двигателя определим по формуле:

(10)

где Мe — текущее значение момента двигателя, Н • м.

Удельный эффективный расход топлива определим по формуле:

.

Результаты вычислений приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя

По расчетным данным, приведенным в таблице 1 строим внешнюю скоростную характеристику двигателя (рисунок 1).

4. Подбор шин

Для выбора шин необходимо определить нормальные реакции, приходящиеся на шины соответственно передней и задней осей Rш1и Rш2:

Rш1= m1R½,

Rш2= m2R2/2, (11)

где R1, R2-нормальные реакции, приходящиеся на передний и задний мосты;

m1=0,8 — коэффициент изменения нормальных реакций на передних колесах;

m2=1,2- коэффициент изменения нормальных реакций на задних колесах.

R1= MaL2/L, R2= MaL1/L, (12)

где L-база автомобиля, м;

L1, L2- расстояние от передней и задней осей до центра масс автомобиля.

Зададим соотношение L1/L и L2/L: L1/L = 0,6; L2/L = 0,4.

Рисунок 1 — Схема распределения нормальных реакций, приходящихся на колеса автомобиля Тогда

R1= 16 187· 0,4 =6475 Н,

R2 =16 187· 0,6=9712 Н,

Rш1= 0,8· 6475/2=2590 Н,

Rш2=1,1· 9712/4=5827 Н.

Выбираем следующую модель шин: 165/70 R13

5. Определение параметров силовой передачи

Определение радиуса качения колеса Для определения параметров силовой передачи необходимо определить радиус качения колеса. Радиус качения rk принимается близким по значению радиусу качения в ведомом режиме, который определяется по формуле:

rk=0,5(d+Kш· H), (13)

где rk — радиус качения, м;

d — диаметр обода, м;

Hвысота профиля шины, м;

КШ = 1,8 — коэффициент деформации шин.

Тогда rk=0,5(0,33+1,8· 0,115)=0,27 м.

Определение передаточного числа главной передачи Передаточное число главной передачи i0 определяется из условия движения автомобиля по хорошей горизонтальной дороге со скоростью Vamax на прямой передаче при полной нагрузке:

(14)

где iКВ — передаточное число высшей передачи;

iД — передаточное число дополнительной коробки передач, iД = 1.

Определение передаточных чисел коробки передач Передаточное число первой передачи iкi выбираем из условия возможности движения при заданном сопротивлении и отсутствии буксования колес:

Pц? Pk? Pш, (15)

где Pцмаксимальная касательная реакция на ведущих колесах, реализуемая по условиям сцепления;

Pк — полная окружная сила, передаваемая от двигателя на ведущие колеса;

Pш — сила суммарного дорожного сопротивления.

Из условия возможности движения при заданном сопротивлении:

(16)

где Dmaxмаксимальный динамический фактор на первой передаче;

Me maxмаксимальный крутящий момент двигателя, Нм.

Из условия отсутствия буксования:

(17)

где Rafнормальная реакция на ведущих колесах, Н;

Raf = R2 • mр2, (18)

где R2 — нормальные реакции на ведущих колесах, Н.

mp2- коэффициент распределения массы на ведущую ось. Для заднеприводных автомобилей принимаем mp2=1,2.

Таким образом, Raf =9712· 1,2 = 11 654 Н

.

Принимаем iК1 = 2,8.

Передаточные числа промежуточных передач распределяем по геометрической прогрессии:

(19)

где m — порядковый номер передачи;

n — число ступеней в коробке передач без учета ускоряющей.

iк1=2,8,

iк2= =1,9;

iк3= =1,4;

iк4 ==1;

iк5 = 0,8.

6. Построение графика мощностного баланса

Мощностной баланс показывает распределение мощности двигателя на всех передачах по отдельным видам сопротивлений:

Ne=Nш+ Nw+ Nз +Nj, (20)

где Nз — потери мощности в трансмиссии, кВт.

Составляющие мощностного баланса нанесем на график мощностного баланса (рисунок 2) в зависимости от скорости движения автомобиля:

Ne=f (Va), Nш=f (Va), Nw= f (Va), Nз= f (Va).

Мощность наносим с учетом скоростной внешней характеристики и параметров силовой передачи, предварительно определив связь между угловой скоростью вала двигателя и скоростью движения автомобиля на всех передачах:

(21)

где щ е — текущая угловая скорость вала двигателя, рад/с;

iкпередаточное число коробки передач на соответствующей передаче.

Мощность на ведущих колесах находим по формуле:

Nk=Ne· зm, (22)

Разность между мощностью двигателя и мощностью на ведущих колесах представляет собой мощность механических потерь Nз.

Потери мощности суммарного дорожного сопротивления определяются потерями мощности Nf, идущей на преодоление сопротивления качению, и мощности Ni, затрачиваемой на преодоление сопротивлений подъему.

Тягово-динамический расчет автомобиля производим, полагая, что автомобиль движется по горизонтальной дороге, тогда Nш=Nf.

Значения мощности, затрачиваемой на преодоление суммарного дорожного сопротивления и мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления воздуха, определим по формулам:

(23)

(24)

где шкоэффициент суммарного дорожного сопротивления;

fкоэффициент сопротивления качению.

Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Данные для построения графика мощностного баланса

По данным таблицы 2 строим график мощностного баланса (рисунок 2).

7. Построение графика силового баланса

Силовой баланс показывает распределение полной касательной силы на ведущих колесах РК по отдельным видам сопротивлений:

РК = Рш + Рw, (25)

где Рш — сила суммарного дорожного сопротивления, Н;

Рw — сила сопротивления воздуха, Н.

Ранее было принято, что автомобиль движется по горизонтальной дороге, следовательно Рш = Рf.

Полная касательная сила на всех передачах определяется по формуле:

(26)

где Мe — текущее значение момента двигателя, Н • м.

Сила сопротивления качению и сопротивления воздуха определяется по формулам:

;, (27)

где Рf — сила сопротивления качению, Н.

Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Данные для построения графика силового баланса

По данным таблицы 3 строим график силового баланса (рисунок 3).

8. Построение динамического паспорта автомобиля

Динамический паспорт автомобиля представляет собой совокупность динамической характеристики, номограммы нагрузок и графика контроля буксования. Динамический паспорт автомобиля позволяет решать уравнения движения с учетом конструктивных параметров автомобиля, основных характеристик дороги (коэффициентов ш и ц) и нагрузки на автомобиль.

Динамическая характеристика автомобиля представляет собой зависимость динамического фактора от скорости движения и строится для автомобиля с полной нагрузкой.

Исходными данными для построения динамической характеристики автомобиля служат величины силового баланса, по которым определяются величины динамического фактора на всех передачах при разной угловой скорости коленчатого вала двигателя, т. е.

(28)

На основании силового баланса можно записать

(29)

откуда (30)

где д — коэффициент учета вращающихся масс;

j — ускорение автомобиля, м/с2;

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

При равномерном движении по горизонтальной дороге D = f. В этом случае динамический фактор определяет сопротивление качению, которое может преодолеть автомобиль на соответствующей передаче при определенной скорости.

При Va = 5 км/ч и iК1 = 2,8 имеем Результаты расчетов значений динамического фактора на всех передачах при полной нагрузке автомобиля приведены в таблице 4.

Динамическую характеристику строим по данным таблицы 4 для автомобиля с полной нагрузкой. С изменением массы автомобиля от Ма до Ма? динамический фактор изменится и его можно определить по формуле:

(31)

где D? и Ма?- новые значения динамического фактора и массы автомобиля;

D — динамический фактор при нормальной массе автомобиля.

Таблица 4 — Данные для построения динамической характеристики АТС

Проводим прямую, параллельную оси D и на ней наносим шкалу динамического фактора D0 для автомобиля без нагрузки. Масштаб для этой шкалы определяем по формуле:

(32)

(33)

где а0 -масштаб шкалы динамического фактора для автомобиля без нагрузки, мм;

а0? — масштаб шкалы динамического фактора для автомобиля с перегрузкой, мм;

а — масштаб шкалы динамического фактора для автомобиля с полной нагрузкой, мм;

Ма? — масса автомобиля с учетом перегрузки, кг;

Ма — собственная масса автомобиля в снаряженном состоянии, кг.

Равнозначные деления шкал соединяем прямыми линиями. Таким образом, строится номограмма недогрузки автомобиля. График контроля буксования представляет собой зависимость динамического фактора по сцеплению от нагрузки и позволяет определить предельную возможность движения по условиям сцепления. Этот график строим следующим образом: определяем динамический фактор по сцеплению для проектируемого автомобиля с полной нагрузкой Dц и без нее D0ц для различных коэффициентов сцепления ц = 0,1; 0,2;…; 0,8 по формулам:

;, (34)

где Raf и R0af — нормальные сцепные реакции на ведущих колесах, учитывающие перераспределение масса автомобиля при полной нагрузке и без нее соответственно, Н;

Ra и R0 — суммарные нормальные реакции всех колес автомобиля при полной нагрузке и без нее соответственно, Н;

ц — коэффициент сцепления.

Raf = R2 • mр2 = 11 654 Н; R0 = 9810 Н; R0af = R02 •0,6 = 5886 Н.

При ц = 0,1 ,

Результаты вычислений Dц и D0ц при различных значениях коэффициента сцепления ц представлены в таблице 5.

Значения Dц откладываем по оси D номограммы нагрузок, а значения D0ц по оси D0. Полученные точки соединяем прямыми штриховыми линиями.

Таблица 5 — Результаты вычислений Dц и D0ц

Динамический паспорт проектируемого грузового автомобиля представлен на рисунке 4.

9. Построение графиков ускорений автомобиля и величин обратных ускорениям

Величину ускорения автомобиля на каждой передаче рассчитываем из условия разгона его с полной нагрузкой, на горизонтальном участке в заданных дорожных условиях по формуле:

(35)

где д — коэффициент учета вращающихся масс двигателя, трансмиссии и всех колес автомобиля. Определяется по формуле:

(36)

где, а = 0,05.

Результаты расчетов величин ускорений приведены в таблице 6.

Таблица 6 — Данные для построения графиков ускорений и величин, обратных ускорениям

По данным таблицы 6 строим график ускорений автомобиля (рисунок 5) и график величин обратных ускорений (рисунок 6).

10. Построение графиков пути и времени разгона автомобиля

Автомобиль начинает разгоняться со скоростью Va min. Для определения времени разгона строится график величин, обратных ускорениям, а затем, строим график времени разгона. График разбиваем на ряд интервалов скоростей, в каждом из которых определяем площадь, заключенную между осью абсцисс и кривой величин, обратных ускорениям, эта площадь пропорциональна времени движения в соответствующем интервале.

Время движения в каждом интервале определяются по формуле:

(37)

где ?t i — время разгона в i-том интервале скоростей;

Fi — площадь, заключенная между кривой и осью абсцисс, мм2;

А — масштабный коэффициент скорости, показывающий количество мм на графике в 1 м/с, a=4;

в — масштабный коэффициент величин, обратных ускорениям показывающих количество мм на графике в 1 с2/м, b=9.

Результаты расчетов приведены в таблице 7.

Таблица 7 — Данные для построения графика времени разгона

По данным таблицы 7 строим график времени разгона (рисунок 7).

Падение скорости за время переключения передач определяется по формуле:

(38)

где д' - коэффициент учета вращающихся масс АТС, когда двигатель отсоединен от трансмиссии, принимаем д' = 1,04;

?Тn — время переключения передач. Для коробок передач с синхронизаторами? Тn = 1 с.

км/ч,

км/ч, км/ч, км/ч.

Путь разгона определяем, подсчитывая площадь, заключенную между кривой Т и осью ординат.

Путь разгона в каждом интервале определяется по формуле

(39)

где ?Si — путь разгона в i-том интервале скоростей, м;

с — масштабный коэффициент времени, равный количеству мм на графике в 1 с., c=8; а — масштабный коэффициент скорости, показывающий количество мм на графике в 1 м/с, a=4.

Результаты расчетов для построения графика представлены в таблице 8.

Таблица 8 — Данные для построения графика пути разгона

По данным таблицы 8 строим график пути разгона (рисунок 8).

11. Определение минимального пути торможения

График минимального пути торможения АТС строится при различных значениях коэффициента сцепления с дорогой. При этом минимальный тормозной путь определяется по формуле:

(40)

где Va — скорость, при которой началось торможение;

д — коэффициент условного увеличения массы АТС, при полностью заторможенных колесах, д= 1;

ц — коэффициент сцепления колес с дорогой.

Результаты расчетов для построения графика тормозного пути представлены в таблице 9.

Таблица 9 — Данные построения графиков тормозного пути

По данным таблицы 9 строим график пути торможения (рисунок 9).

Заключение

1) Из графика, внешней скоростной характеристики следует, что максимальная мощность двигателя 55 кВт достигается при угловой скорости вращения коленчатого вала 600 рад/с (?5700 об/мин); максимум крутящего момента 115 Н•м достигается при 300 рад/с (?2800 об/мин); минимальный удельный расход топлива 253 г/кВтч достигается при 400 рад/с (?380 об/мин).

2) Из графика мощностного баланса следует, что максимальная мощность двигателя равна 55 кВт из них затрачиваемая на потери в трансмиссии, составляет 5 кВт; Мощность с учетом потерь в трансмиссии составляет 50 кВт. Из них 9 кВт затрачивается на преодоление сопротивления дороги, 41 кВт на преодоление сопротивления воздуха, при условии движения автомобиля на пятой передаче со скоростью 113 км/ч.

3) Из графика силового баланса следует, что максимальное суммарное значение силы сопротивления воздуха и силы сопротивления качения 1580 Н. Сила сопротивления качения равна 293 Н, сила сопротивления воздуха 1287 Н. При движении автомобиля со скоростью 113 км/ч на пятой передаче силе. При этом автомобиль движется равномерно.

4) Из динамического паспорта видно, что при данных дорожных условиях (бетонное покрытие) автомобиль может двигаться на всех передачах без буксования и развивать максимальную скорость 113 км/ч.

5) Из графика ускорения АТС видно, что при движении на пятой передаче со скоростью 113 км/ч ускорение равно нулю, автомобиль движется равномерно.

6) Из графиков времени разгона и пути разгона следует, что автомобиль разгоняется до 100 км/ч за 27 секунд, при этом проехав путь длиной 424 м. Время, затрачиваемое на переключение передач равно 1 с.

7) Из графика минимального пути торможения автомобиля следует, что путь торможения уменьшается пропорционально коэффициенту сцепления и квадрату скорости и достигает минимального значения 63 м при ц=0,8.

Список использованных источников

1. Павлюк А. С., Величко А. В. «Расчет тяговой динамичности автотранспортных средств: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Автотранспортные средства» для студентов специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» «/ Алт. политехн. ин-т им. И. И. Ползунова. — Барнаул: Б.и. — 1988. — 35 с.

2. Гаспарянц Г. А. Конструкция, основы теории и расчета автомобиля: Учебник для машиностроительных техникумов по специальности «Автомобилестроение». — М.: Машиностроение, 1978. — 351 с.

3. Краткий автомобильный справочник НИИАТ.-М. Транспорт, 1984. — 224 с.

4. Иларионов В. А., Морин М. М., Сергеев Н. М., Фаробин Я. Е., Шупляков В. С., Юрчевский А. А. «Теория и конструкция автомобиля» 1984.