Курсовая работа

Определение оценочных показателей тягово-скоростных свойств автомобиля ВАЗ-2121

1. Выбор исходных данных, используемых в работе

Общий вид автомобиля ВАЗ-2121 представлен на рис. 1.

двигатель автомобиль трансмиссия

Таблица 1 Техническая характеристика автомобиля ВАЗ-2121

2. Построение внешней скоростной характеристики двигателя ВАЗ-2121

Внешней скоростной характеристикой двигателя называют зависимость основных параметров двигателя от частоты вращения коленчатого вала при максимальной подаче топлива.

За объект расчета принимается двигатель модели ВАЗ-2121. Исходные данные, необходимые для выполнения расчетной части, приведены в табл. 2.

Таблица 2 Исходные данные

Крутящий момент на режиме максимальной мощности M_еN можно определить по формуле:

Запас крутящего момента М_З определяется по формуле:

Для расчета показателей тягово-скоростных свойств, особенно с применением ЭВМ, удобно пользоваться не графическими, а аналитическими зависимостями и .

Текущие значения мощности и крутящего момента N_e и M_е можно найти по зависимостям:

(1)

(2)

где N_e — текущее значение мощности двигателя, кВт,

n — текущее значение частот вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1,

a, b и с — коэффициенты, постоянные для данного двигателя,

M_е — текущее значение крутящего момента, Нм.

Для двигателей, не снабженных ограничителем максимальной частоты вращения коленчатого вала, коэффициенты a, b и с можно найти по зависимостям:

Проверка: Условие выполняется.

По формулам (1) и (2) определяем текущие значения мощности и крутящего момента для частот вращения коленчатого вала двигателя из диапазона частот от n_min=1000 мин^-1 до n_max=1,1· n_N=1,1·5400 = 5940 мин^-1. Результаты вычислений представлены в приложении 1.

По данным таблицы приложения 1 строится внешняя скоростная характеристика двигателя ВАЗ-2121 (рис. 2).

Рис. 2. Внешняя скоростная характеристика двигателя: ;

3. Оценка потерь в трансмиссии автомобиля

КПД трансмиссии автомобиля _Т на различных режимах работы можно определить по зависимости:

(3)

где — КПД соответственно коробки передач, карданной передачи, раздаточной коробки, главной передачи.

Так как автомобиль работает на разных передачах, то следует учитывать число и тип зубчатых пар передач, через которые подается мощность. Можно считать, что КПД одной зубчатой пары внешнего зацепления равен 0,98, конической — 0,97, гипоидной — 0,96, одного карданного шарнира — 0,995. КПД планетарной передачи при остановленной коронной шестерне равен 0,97…0,99. Если коробка передач или раздаточная коробка имеют прямую передачу, то при работе на ней КПД равен 0,99.

Для оценки потерь составляем упрощенную схему трансмиссии заданного автомобиля (рис. 3), с помощью которой можно анализировать как и через какие агрегаты и механизмы происходит передача мощности от двигателя к ведущим колесам.

Рис. 3. Кинематическая схема трансмиссии

Для данного автомобиля значение _т для разных передач в коробке переключения передач и наиболее удаленного колеса следующие:

на 1, 2 и 3 передачах:

;

на 4 — прямой — передаче:

.

4. Подготовка исходных данных для определения скоростных и тягово-динамических характеристик

Для шины свободный радиус, статический радиус .

На дороге с твердым покрытием можно считать, что статический радиус равен динамическому: .

Кинематический радиус качения колеса .

Принимаются следующие значения коэффициентов и параметров:

— коэффициент коррекции ;

— коэффициент, учитывающий влияние скорости движения, ;

— коэффициент обтекаемости Н•с² /м⁴;

— лобовая площадь автомобиля м²;

— фактор обтекаемости Н•с² /м²;

— коэффициент сопротивления качению шины при небольшой скорости движения ;

— продольный уклон дороги ;

— коэффициент суммарного сопротивления дороги

; (5)

— сила сопротивления дороги

; (6)

Свободная сила тяги определяется выражением:

(7)

Динамический фактор D определяется по формуле:

(8)

где — вес автомобиля, Н;

g — ускорение силы тяжести, 9,81 м/с²;

Н.

5. Построение тяговой и динамической характеристик автомобиля

Тяговой характеристикой автомобиля называется зависимость свободной силы тяги от скорости движения автомобиля при заданных дорожных условиях.

Тяговая характеристика определяет тяговые возможности автомобиля на всех передачах и позволяет оценивать его тягово-скоростные свойства.

Динамическая характеристика автомобиля — это зависимость динамического фактора от скорости движения автомобиля при заданных дорожных условиях. Динамический фактор — это свободная сила тяги, приходящая на единицу веса автомобиля.

Динамическая характеристика по величине максимального динамического фактора позволяет оценивать величину наибольшего дорожного сопротивления, преодолеваемого автомобилем, а максимальный динамический фактор на высшей передаче определяет диапазон дорожных сопротивлений, преодолеваемых без перехода на низшие передачи.

После включения в коробке передач первой передачи задаются значениями частоты вращения коленчатого вала двигателя, которые выбирают из интервала. Для заданного автомобиля он будет равен. Пусть об/мин и при этой частоте вращения автомобиль будет двигаться со скоростью

(9)

где — общее передаточное число трансмиссии при работе коробки передач на первой передаче и включенной понижающей передаче в раздаточной коробке.

Определим общее передаточное число трансмиссии на всех передачах:

;

;

;

;

;

;

;

.

м/с.

Определяют тяговую силу, используя значение момента М_е из приложения 1

Н.

Находят силу сопротивления воздуха:

Н.

Свободная сила тяги

Н.

Динамический фактор

.

Затем для значения об/мин определяют величины, ,, и. Таким образом, перебирая все значения вплоть до об/мин, получают данные для построения зависимостей и при движении автомобиля на первой передаче при включенной понижающей передаче в раздаточной коробке. Такие же вычисления выполняются при работе коробки передач на первой передаче с включенной повышающей передачей в раздаточной коробке, а также второй, третьей, четвертой и пятой передачах коробки передач при включенной повышающей передаче в раздаточной коробке.

Полученный массив данных позволяет построить зависимости и на всех передачах. Результаты расчетов по формулам (5) — (8) приводятся в приложении 2.

6. Построение зависимости j=f (V)

Определяем ускорение:

(10)

где: — коэффициент учета вращающихся масс автомобиля:

(11)

где: — коэффициент учета вращающихся масс трансмиссии автомобиля приведенных к маховику двигателя;

— коэффициент учета вращающихся масс приведенных к колесам.

С учетом определяем для первой передачи в коробке передач и включенной понижающей передаче в раздаточной коробке:

;

для всех передач коробки передач и повышающей передачи в раздаточной коробке:

;

;

;

;

Результаты вычисления для всех передач заносим в приложение 2.

По данным приложения 2. строим графики тяговой (рис. 4), динамической (рис. 5) характеристик, а также зависимость ускорения от скорости (рис. 6).

Рис. 4. Тяговая характеристика автомобиля

1 — на 1-ой передаче КПП при включении понижающей передачи в РК; 2−5 — на 1−4-ой передачах КПП; 6 — Р_д = f (v).

Рис. 5. Динамическая характеристика автомобиля

1 — на 1-ой передаче КПП при включении понижающей передачи в РК; 2−5 — на 1−4-ой передачах КПП; 6 — = f (v); 7 — i = 3%.

Рис. 5. Зависимость ускорения от скорости движения:

1 — на 1-ой передаче КПП при включении понижающей передачи в РК; 2−5 — на 1−4-ой передачах КПП.

7. Моделирование процесса разгона

Разгон начинают с места на первой передаче. Переключение передач с низшей на высшую производят при частоте вращения коленчатого вала двигателя, равной. При трогании с места и при переключении передач пренебрегают процессом пробуксовывания сцепления и считают, что после включения передачи к колесам подводится мощность двигателя, соответствующая полной подаче топлива.

Процесс разгона автомобиля состоит из движения с ускорением от начальной до конечной скорости на каждой передаче и движения в режиме выбега. При разгоне на каждой передаче по формуле (27) определяется время разгона, а по формуле (29) путь разгона .

В процессе выбега происходит разрыв потока мощности к ведущим колесам, уменьшается скорость движения автомобиля на величину, и он проходит путь. Ускорения, соответствующие троганию автомобиля с места при пробуксовке сцепления, занимают незначительное время. Поэтому расчет разгона начинается с минимальной скорости .

Движение на первой передаче

На первой передаче в интервале скоростей от v_н до v_к кривую разбивают на 10 участков, предполагая, что движение автомобиля в пределах выделенных участков равноускоренное, находят для каждого из них средние значения ускорений

(12)

где — ускорения в начале и конце участка, м/с?;

v₁, v₂ — скорости движения автомобиля в начале и конце участка, м/с;

— время прохождения участка, с.

Рис. 6. Моделирование процесса разгона на первой передаче:

j = f (v) на 1-ой передаче КПП

Время прохождения выделенного участка:

. (13)

Общее время прохождения всех участков в интервале скоростей при разгоне на 1-й передаче равно сумме

(14)

где n — число участков.

Путь, м, проходимый автомобилем за время, определяют по формуле:

(15)

где — средняя скорость прохождения участка, м/с.

Путь, м, проходимый при движении автомобиля на 1 передаче в интервале скоростей от до, равен сумме

. (16)

После включения первой передачи в коробке передач разгон начинается при частоте вращения вала двигателя = 1000 об/мин и начальная скорость разгона определяется выражением

где — общее передаточное число трансмиссии при включении первой передачи в коробке передач и прямой передачи в раздаточной коробке.

Конечная скорость разгона на первой передаче равна

.

Расчет скоростей движения, ускорений, времени и пути прохождения каждого элементарного участка на первой передаче представлен в приложении 4.

Общее время прохождения всех участков в интервале скоростей при разгоне на 1-й передаче равно:

Путь, м, проходимый при движении автомобиля на 1 передаче в интервале скоростей от до, равен:

.

Переключение передач

При переключении с первой передачи на вторую автомобиль начинает двигаться в режиме выбега и при этом считается, что конечная скорость разгона равна начальной скорости выбега, т. е., а уменьшение скорости движения при выбеге находится по формуле

где — время, затраченное на переключение с первой передачи на вторую, с (с для автомобилей с бензиновыми двигателями).

Конечная скорость выбега определяется разностью:

а пройденный путь:

.

Движение на второй передаче

На второй передаче начальная скорость разгона принимается равной конечной скорости выбега, т. е. .

Конечная скорость разгона на второй передаче равна

где — общее передаточное число трансмиссии при включении второй передачи в коробке передач.

Расчет скоростей движения, ускорений, времени и пути прохождения каждого элементарного участка на второй передаче представлен в приложении 4.

Общее время прохождения всех участков в интервале скоростей при разгоне на 2-й передаче равно:

Путь, м, проходимый при движении автомобиля на 2 передаче в интервале скоростей от до, равен:

.

Переключение передач

При переключении со второй на третью передачу автомобиль начинает двигаться в режиме выбега. Конечная скорость разгона принимается равной начальной скорости выбега, т. е., а снижение скорости движения находится по формуле

(17)

где — скорость начала выбега, м/с;

— сила трения в трансмиссии при скорости движения автомобиля, близкой к нулю, Н. Для автомобиля ВАЗ-2121 Р_тр0=15 Н.

Конечная скорость выбега автомобиля определяется разностью

а пройденный путь

.

При переходе со второй на третью и далее на остальные высшие передачи все процедуры расчетов повторяются, как при определении параметров режима выбега на второй передаче.

После определения значений и и параметров режима выбега на всех передачах строят график времени и пути разгона (рис. 7 и 8).

Рис. 7 График зависимости времени разгона от скорости движения автомобиля

Рис. 8 График зависимости пути разгона от скорости движения автомобиля

8. Определение эксплуатационных свойств автомобиля ВАЗ-2121

— Максимальная скорость движения автомобиля по возможностям двигателя, трансмиссии и шин определяется по формуле

где — общее высшее передаточное число трансмиссии.

.

Максимальная скорость движения на заданной дороге по формуле (20) [8]:

где — крутящий момент двигателя, соответствующий, Н•м; - КПД трансмиссии на высшей передаче.

По графику Р_{св = f(v):}

— максимальная скорость автомобиля на высшей передаче — v_max = 38,5 м/с = 138,6 км/ч;

— при скорости движения автомобиля v = 0,6v_max = 23,1 м/с:

1) дополнительный уклон i при движении по заданной дороге на высшей передаче:

2) ускорение j при движении по заданной дороге на высшей передаче:

По графику D = f(v):

— максимальная скорость автомобиля на высшей передаче — v_max = 38,5 м/с = 138,6 км/ч;

— при скорости движения автомобиля v = 0,6v_max = 23,2 м/с:

1) дополнительный уклон i при движении по заданной дороге на высшей передаче:

2) ускорение j при движении по заданной дороге на высшей передаче:

— максимальная скорость движения на уклоне i = 3% (рис. 5):

v_max = 32 м/с = 115,2 км/ч.

— максимальный подъем, преодолеваемый автомобилем по силе тяги на ведущих колесах, осуществляется на первой передаче. При f_a = 0,03:

— максимальный преодолеваемый подъем по величине сцепления колес с дорогой при f_a = 0,03 и коэффициенте продольного сцепления ц_х = 0,6 определяется на первой передаче. Для одиночного полноприводного двухосного автомобиля:

— при скорости движения автомобиля км/ч масса прицепа, которую он может буксировать по дороге с при запасе динамического фактора равного 0,01.

По графику динамической характеристики (рис. 5) определяем соответствующее значение запаса динамического фактора для высшей передачи и скорости движения 50 км/ч (13,89 м/с) D = 0,08.

Вводим запас динамического фактора, равный 0,01, который рассматривается как резерв тяги на случай возможных колебаний сопротивления движению автомобиля, вызываемых появлением участков дороги с большим коэффициентом сопротивления, по сравнению с заданными его значениями по типу основной части дороги. С учетом запаса величина динамического фактора D' = D — 0,01=0,08−0,01=0,07.

Тогда максимально возможный общий вес прицепа G_п при движении автопоезда с равномерной скоростью V определяется по формуле:

где = 0,025.

Масса прицепа определяется по формуле:

.

— предельный угол подъема автомобиля с прицепом, масса которого равна 50% массы одиночного автомобиля при и :

где — вес прицепа, Н;

G_п = 0,5•15 205,5 = 7602,75 Н.

— путь выбега автомобиля со скорости км/ч до полной остановки на заданной дороге:

Длина пути выбега позволяет оценить совершенство конструкции и техническое состояние шасси автомобиля. При движении автомобиля накатом двигатель отсоединяется от трансмиссии, мощность к ведущим колесам не подводится и он движется с замедлением, которое можно определить из уравнения силового баланса (13) [1]:

;

(18)

где — коэффициент учета вращающихся масс в режиме выбега;

— сила трения в трансмиссии в режиме выбега (нейтральное положение в коробке передач), Н;

— коэффициент, учитывающий влияние скорости на силу трения, Н•с/м, для легкового автомобиля — 4 Н•с/м;

— скорость движения автомобиля, м/с.

Из решения уравнения (20) относительно замедления следует:

(19)

где = 0,014+5•10^-6•v²+0,005 — суммарный коэффициент дорожного сопротивления;

.

Подставляя значения в формулу (19) получается зависимость:

Для диапазона скоростей от 0 до 14 м/с по формуле (19) строится зависимость (рис. 9).

Рис. 9. График замедления автомобиля при движении автомобиля накатом

Разбивают интервал скоростей на 7 участков и, используя формулы (28) и (29) [8], находят длину выбега, м.

9. Сравнение полученных результатов с паспортными данными автомобиля

1) Максимальная скорость движения из технической характеристики автомобиля 132 км/ч, из расчета скорость — v_max = 138,6 км/ч;

2) Максимальный преодолеваемый подъем в соответствии с технической характеристикой должен быть не менее 58% для одиночного автомобиля, в расчетах мы получили для одиночного автомобиля 35,5 — i = 58,1%.

3) Время разгона автомобиля до 100 км/ч из технической характеристики — 23 с, по графику разгонной характеристики — 27 с.