Тяговий розрахунокМІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ІНСТИТУТ Кафедра “Автомобілі і двигуни” Тяговий розрахунок з дисципліни “Експлуатаційні властивості транспортних засобів”
Виконав ст. групи ОПУТ-10а Зайцева В.В. Шифр 10-011 Перевірив: доц. Вороніна І.Ф.
Страниц 36, таблиц 6, рисунков 10. Цель работы: определить конструктивные параметры АТС, обеспечивающие ему заданные тягово-скоростные свойства в данных дорожных условиях. Выполненный тяговый расчет проектируемого автомобиля с построением графиков сделан с анализом аналогичных отечественных и зарубежных автомобилей. Оценка потенциальных свойств АТС на стадии проектирования с помощью аналитических методов выполненного тягового расчета дает возможность прогнозировать и оптимизировать показатели эксплуатационных свойств для любых эксплуатационных условий и оценить эффективность разработанной конструкции АТС в этих ситуациях. Тяговый расчет является важным элементом инженерной методики проектирования АТС, дает возможность оценить его потенциальные свойства и спрогнозировать и оптимизировать показатели эксплуатационных свойств для различных условий эксплуатации.
АВТОМОБИЛЬ, ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ, ГРАФИК, СИЛОВОЙ БАЛАНС, ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ, ПЕРЕДАТОЧНОЕ ЧИСЛО.
СОДЕРЖАНИЕ
ЗАДАНИЕ…………………………………………………………………………4 ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..5 1. ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ И РАСЧЕТ ТОПЛИВНО – ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА………………………………………….…….………………………6 1.1 Выбор прототипа и компоновочной схемы АТС…………………….6 1.2 Построение внешней скоростной характеристики двигателя проектируемого АТС……………………………………………………..………7 1.2.1 Выбор шин……………………………………….………………...............13 1.3 Построение графика силового (тягового) баланса проектируемого автомобиля……………………………………………………13 1.4 Построение графика динамической характеристики…………..…..19 1.5 Построение графика ускорений ……………………………....…….19 1.6 Построение графика величин, обратных ускорениям……….…….21 1.7 Построение графиков времени и пути разгона АТС ………..……..24 1.8 Построение графика мощностного баланса …………………..…....27 1.9 Построение графика топливно-экономической характеристики АТС ………………………………………………...………………….………...29 Заключение……………………………………………………………….……...35 ЛИТЕРАТУРА…………………………………..……………………………….36
ЗАДАНИЕ
На курсовую работу студента
Зайцевой В.В.
Исходные данные
Вариант (2, 5, 6, 31, 51, 72,86)
2-грузовой
5-дизельный
6-обычной проходимости
31- грузоподъемность 20 кН
51-максимальная скорость движения 29 м/с
72-коэффициент максимального суммарного сопротивления дороге
86-коэффициент суммарного сопротивления дороге на максимальной скорости
ВВЕДЕНИЕ
Автомобильный транспорт приобретает все большее значение. Автомобили, широко используемые во всех областях народного хозяйства Украины, выполняют значительный объем транспортных перевозок. При этом перед автомобилестроителями стоят такие задачи, как повышение технического уровня, качественных и эксплуатационных показателей автомобилей. А также повышение надежности и увеличение ресурса автомобилей, снижение трудоемкости их обслуживания. Этого можно достигнуть путем значительной модернизации выпускаемых моделей автомобилей, а также переходом к выпуску новых, более совершенных моделей, созданных с использованием последних достижений мировой автомобильной техники. Эксплуатационные свойства автомобиля включают следующие более мелкие групповые свойства, обеспечивающие движение: тягово-скоростные и тормозные свойства, топливную экономичность, управляемость, устойчивость, маневренность, плавность хода и проходимость. Автомобиль является частью системы «автомобиль – водитель – дорога – среда», и его свойства проявляются во взаимодействии с элементами этой системы.
1 ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ И РАСЧЕТ ТОПЛИВНО – ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
1.1 Выбор прототипа и компоновочной схемы АТС В связи с тем, что проектировочный тяговый расчёт выполняется, когда ещё не осуществлена конструкторская проработка проектируемого АТС, возникает необходимость в предварительном выборе отдельных конструктивных параметров. К ним относятся: габаритные размеры кузова, компоновочная схема трансмиссии, радиус колеса и др. Для выбора этих параметров проектировщик ориентируется на существующие конструкции, аналогичные по грузоподъёмности или пассажировместимости и выбирает «прототип». При этом «прототип» понимается не как одна, фиксированная для тягового расчёта модель,а возможно и несколько разных моделей, отдельные параметры которых близки к аналогичным параметрам проектируемого АТС. В дальнейшем конструктивные параметры «прототипа» используются проектировщиком в тяговом расчёте. Следует отметить, что конструктивные параметры прототипа, как правило, изменяются с учётом задач совершенствования конструкции проектируемого АТС. Другими словами, габаритные размеры, собственная масса, весовое состояние и др. параметры проектируемого АТС могут обоснованно отличаться от аналогичных параметров «прототипа». В результате анализа существующих конструкций, с позиций, полученных исходных данных разрабатывается компоновочная схема проектируемого АТС (рис.1.1), где обозначаются основные параметры, указываются параметры профильной проходимости. В текстовой части этого раздела приводятся сведения о предполагаемом устройстве трансмиссии и других элементов шасси, где обязательно указывается место расположения двигателя и ведущих колёс. В качестве прототипа выбираем автомобиль ГАЗ-52-03, вес которого составляет 2815 кг. С учетом того, что выбранный прототип не подходит к требуемым параметрам задания, то мы корректируем его грузоподъемность за счет снижения собственной массы на 500 кг. Также наш автомобиль имеет карбюраторный тип двигателя, поэтому при расчете массы воспользуемся коэффициентом. Это все может быть достигнуто путем применения более легких материалов, а также избавлением от ненужного железа кабины: mк.д.=275 кг, mд.д.=1,1*275 кг,
1.2 Построение внешней скоростной характеристики двигателя проектируемого АТС
На основе исходных данных определяется мощность двигателя при максимальной скорости движения по уравнению баланса мощности АТС [2]
где Nev - мощность двигателя проектируемого АТС при максимальной скорости движения, кВт; Ga - полная масса АТС, кг; g - ускорение силы тяжести, м/с2; ΨV - коэффициент суммарного сопротивления дороги при максимальной скорости движения АТС; Vmax - максимальная скорость движения АТС, м/с; Kв - коэффициент сопротивления воздушной среды, Нс2/м4; F - лобовая площадь АТС, м2;
Рисунок 1.1 – Компоновочная схема автомобиля ГАЗ-52-03 ŋтр - коэффициент полезного действия трансмиссии АТС.
Полную массу определяем по зависимости из [2]
где, m0 – собственная масса проектируемого АТС; mв – приведенная грузоподъемность проектированного АТС; mек – масса одного пассажира, кг. (принимаем 75 кг.).
При проектировании АТС выбираем значения К п и Сх из [2], [3]: принимаем для автомобиля К п = 0,50. Коэффициенты К п и Сх связаны между собой зависимостью К п = 0,61 Сх. Размерность коэффициента Кв – Нс2/м4. Лобовая площадь проектируемого АТС подсчитывается по следующей эмпирической формуле для грузовых АТС [2]:
где, В - база передних колес проектируемого АТС, м (принимаем В =1,65 м в соответствии с прототипом); Нг - габаритная высота проектируемого АТС, м (принимаем Нг = 2,19 м, см. рис.1.1).
Выбираем значения КПД трансмиссии проектируемого АТС [2]: для грузовых автомобилей рекомендуется принимать ŋтр = 0,9. Максимальную мощность Nemax двигателя проектируемого АТС находим по величине мощности Nеv, необходимой для движения проектируемого АТС с заданной максимальной скоростью. Рассчитаем данные для построения ВСХ для выбранного автомобиля. Общее уравнение кривой Ne = f (nк) ВСХ cдостаточной степенью точности описывается формулой Р.С. Лейдермана:
где, Ne, nк - соответственно мощность двигателя, кВт и частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1, в произвольной точке кривой; nN - частота вращения коленчатого вала соответствующая максимальной мощности двигателя, кВт; а, в, с - коэффициенты формулы Лейдермана (выбираем, используя источник [3]).
Величиной nN задаемся, обосновав её исходя из тенденции развития современных двигателей внутреннего сгорания. Выбираем частоту вращения коленчатого вала двигателя проектируемого АТС в следующих пределах [4]: для грузовых АТС nN = 2000...3200 мин1(принимаем nN = 2500). Максимальную мощность Ne max можно определить, если в уравнение (1.5) вместо Ne и nк подставить соответственно значения Nev и nv.
где, nкогр - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1, соответствующая максимальной скорости движения АТС.
По уравнению (1.4) определяем координаты шести точек внешней скоростной характеристики двигателя Ne = f(nк) и находим соответствующие значения крутящего момента двигателя по уравнению:
Рассмотрим пример расчета одной из точек ВСХ: 1. Разбиваем максимальное значение nк на семь равных значений. 2. Вычисляем значение соотношения nк /nN = 900/2500 =0,36. 3. Возводим полученное во вторую и третью степени: (nv /nN)2 = 0,130, (nv /nN)3 = 0,047 4. Поскольку для дизельных АТС коэффициенты a, b, c равняются 0,87; 1,13; 1, то считаем значение суммы:
5. Рассчитываем мощность соответствующую максимальным оборотам по формуле (1.1):
6. Рассчитываем максимальную мощность по формуле (1.5):
7. Рассчитываем мощность согласно общему уравнению кривой (1.4) для nk=900 кВт:
8. Рассчитываем крутящий момент, соответствующий оборотам по формуле (1.6): Аналогично производятся остальные расчеты. Данные произведенных расчётов заносят в таблицу 1.1. Таблица 1.1 – Результаты расчёта ВСХ
Рисунок 1.2 – Внешняя скоростная характеристика 1.2.1 Выбор шин
Для выбора шин надо определить нагрузку, приходящуюся на одно колесо автомобиля. У грузовых автомобилей типа 4x2 на переднюю ось при полном использовании грузоподъемности приходится около 25—30% нагрузки. На задней оси этих автомобилей обычно монтируются четыре шины, каждая из которых испытывает большую весовую нагрузку, чем шина переднего колеса, поэтому выбор производится по весовой нагрузке, приходящейся на одно заднее колесо. Передние и задние колеса каждого автомобиля по конструкции почти всегда одинаковы и взаимозаменяемы. Разница состоит лишь во внутреннем давлении воздуха в шинах.
По приложению подбирают тип и размеры автомобильных шин, удовлетворяющих нагрузке, приходящейся на колесо 220-508P (7.50R-20). Определяют статический радиус колеса, который в дальнейшем условно считают равным радиусу качения 0,44 м.
1.3 Построение графика силового (тягового) баланса Уравнение силового баланса имеет вид [2]:
где, Рт - тяговая сила на ведущих колёсах проектируемого АТС, Н; Рд - сила суммарного сопротивления дороги, Н; Рв - сила сопротивления воздушной среды, Н; Ри - сила сопротивления разгону, Н.
где, Мк - крутящий момент двигателя, Нм; Uк - передаточное число коробки передач проектируемого АТС; Uг - передаточное число главной передачи проектируемого АТС; Uд - передаточное число дополнительной (раздаточной) коробки проектируемого АТС; rд - динамический радиус колеса, м (в расчётах принимают, что rд = rст = rк).
где, Ψ - коэффициент суммарного сопротивления дороги. В настоящем расчёте принимается, что Ψ; = Ψv и величина его не зависит от скорости движения АТС.
Р п = 0,5. 3,6135. (29)2 = 1519,477.
Значения этой силы суммируются с соответствующими значениями Рд.
где, δвр - коэффициент учёта влияния вращающихся масс,[2] δвр = 1,04 + 0,06 (Uкп)2; ja - ускорение АТС, м/с2. График силового баланса АТС представляет собой зависимость сил, входящих в уравнение (1.7), от скорости движения АТС. Радиус колеса определяется размером шин. Выбор шин производится по наиболее нагруженным колёсам с учётом заданной максимальной скорости по таблицам источника [5]. На заднюю ось приходится 72 % массы, на переднюю ось – 28 % массы автомобиля. Определяем максимально нагруженные колеса с учетом распределения нагрузки на ось:
Нагрузка на шину определяется из условия выбранной компоновки проектируемого АТС. Распределение полной массы между осями необходимо знать: для подбора шин и определения по размеру шин расчётного радиуса колеса; для нахождения максимально возможной по сцеплению тяговой силы, значение которой используется при выборе передаточного числа коробки передач на низшей передаче. Шину необходимо подбирать так, что бы соблюдались условия: допустимая нагрузка на шину должна быть больше или равна нагрузке, приходящейся на наиболее нагруженное колесо, допустимая скорость шины должна быть больше или равна максимально возможной для проектируемого АТС. Передаточное число главной передачи Uг определяется из условия движения АТС с максимальной скоростью по зависимости из [2]:
где, Uкпв - передаточное число высшей передачи коробки передач проектируемого АТС. Передаточное число Uкпв высшей передачи коробки передач зависит от некоторых конструктивных особенностей коробки передач, всей трансмиссии в целом и находится в пределах 0.6... 1. Задаем передаточное отношение высшей передачи Uкпв = 1
Из соображения получения достаточного дорожного просвета и простой конструкции главной передачи передаточное число главной передачи, полученное при расчёте, не должно превышать значения: Uг = 7,0. Передаточное число коробки передач на первой (низшей) передаче АТС обычной проходимости определяется из условия преодоления заданного максимального суммарного сопротивления дороги и проверяется на отсутствие буксования ведущих колёс по условию сцепления шин с хорошей дорогой
Передаточные числа промежуточных передач коробки передач распределяются по закону геометрической прогрессии
где, Uкп - передаточное число промежуточной передачи коробки передач проектируемого АТС; m - номер передачи в коробке передач; n - число ступеней в коробке передач. Берём равным пяти.
Теоретически выбранные передаточные числа затем корректируются при компоновке и проектировании коробок передач. У большинства АТС передаточные числа передач, ближайших к высшим, выполнены с отклонением от геометрического ряда в сторону уменьшения. Сила тяги Рт на ведущих колёсах проектируемого АТС определяется по уравнению (1.8) для каждой передачи и каждого принятого значения частоты вращения коленчатого вала двигателя и соответствующих им значений крутящего момента.
Скорость АТС определяется для каждой передачи и каждого, принятого ранее, значения частоты вращения коленчатого вала двигателя по выражению
Результаты расчёта графика силового баланса заносят в таблицу 1.2. Таблица 1.2 – Результаты расчёта тягово-скоростных свойств АТС
Рисунок 1.3 – График силового баланса для АТС, которое имеет двигатель с ограничением оборотов 1.4 Построение графика динамической характеристики.
Динамический фактор АТС находят по зависимости
Зависимость динамического фактора D от скорости Va движения АТС называется динамической характеристикой. Результаты расчёта динамического фактора сводят в таблицу 1.2 и строят динамическую характеристику АТС в системе координат D = f (Va). Динамическая характеристика позволяет находить некоторые оценочные показатели тягово-скоростных свойств: предельные подъёмы, преодолеваемые АТС на любой передаче и при любой скорости в установившемся режиме; максимальные скорости движения АТС в заданных дорожных условиях; зоны устойчивой работы двигателя на каждой передаче и др.
1.5 Построение графика ускорений
График ускорений строится для всех передач проектированного АТС в системе координат ja = f (Va). Численные значения ускорений АТС находят по зависимости:
где, g - ускорение свободного падения, м/с3; δвр - коэффициент учёта влияния вращающихся масс.
Рисунок 1.4 - Динамические характеристики АТС Его значение может быть найдено по упрощённой зависимости. δвр = 1.04 + 0.06(Uкп)2 (1.18) δвр = 1.04 + 0,068(4,93)2 = 2,498
Результаты расчёта ускорений АТС сводят в таблицу 1.2 и строят график ускорений.
1.6 Построение графика величин, обратных ускорениям
График величин, обратных ускорениям, необходим для расчёта и построения графиков времени и пути разгона. Он строится в системе координат 1/ja = f (Va) по данным таблицы 1.2. Для каждого значения ja находится обратная величина 1/ja и заносится отдельной строкой в таблицу 1.2. По результатам расчётов строится искомый график.
Рисунок 1.5 – График ускорений
Рисунок 1.6 – График величин, обратных ускорениям 1.7 Построение графиков времени и пути разгона АТС Графики строятся в системе координат tp = f(Va), Sp = f(Va) методом графического интегрирования. График времени разгона АТС tp = f(Va) строится путём суммирования площадей под кривой 1/ja = f (Va), которые в масштабе определяют время tp разгона АТС
где, μ1/ja - масштаб величин, обратных ускорениям, с2/мм в мм; μv - масштаб скорости автомобиля, м/с в мм; F - площадь в мм2 под кривой.
Для удобства вычисления всю площадь под кривой 1/ja = f(Va) разбивают на отдельные площадки F1, F2 ... Fi так, чтобы они представляли собой геометрические фигуры (трапецию или прямоугольник), площадь которых можно легко подсчитать по известным математическим формулам. Чем меньше площади, тем точнее результат расчёта графика времени разгона АТС. Результаты расчёта сводят в таблицу 1.3 и строят график пути.
Рисунок 1.7 – График времени разгона
Рисунок 1.8 – График пути разгона Таблица 1.3-Результаты расчёта графиков времени и пути разгона АТС
График пути разгона АТС Sp = f(Va) строится путём суммирования площадей между кривой tp = f (Va) и осью tp, которые в масштабе определяет путь разгона Sp, м.
где, μt - масштаб времени, с/мм; F - площадь в мм2, расположенная между кривой tp = f (Va) и осью tp.
1.8 Построение графика мощностного баланса График мощностного баланса представляет собой совмещённые графические зависимости Ne = f (Va), Nк = f (Va), Nд = f (Va), Nд + NВ = f (Va). Зависимости Ne = f (Va) и Nк = f(Vа) строятся для всех передач в основной коробке. Уравнение мощностного баланса имеет вид:
где, Nк - мощность, кВт, подведенная к ведущим колёсам АТС (тяговая мощность); Nд - мощность, кВт, затрачиваемая на преодоление дорожного сопротивления; Nв - мощность, кВт, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздушной среды; Nu - мощность, кВт, затрачиваемая на сообщение автомобилю ускорения. Тяговая мощность на ведущих колёсах АТС определяется по зависимости:
Мощность, затрачиваемая на преодоление дорожного сопротивления, рассчитывается по формуле:
При этом следует иметь в виду, что зависимость Nд = f (Va), линейна и проходит через начало координат. Поэтому для построения графика этой зависимости достаточно определить координаты одной точки для любого значения скорости движения АТС. Мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления воздушной среды, находят по зависимости:
Каждое значение этой мощности суммируют с соответствующим значением мощности Nд. Результаты расчёта сводят в таблицу 1.4 и строят график мощностного баланса АТС. При этом значения мощности и скоростей движения АТС на различных передачах могут быть перенесены из табл.1.2 Таблица 1.4-Результаты расчёта графика мощностного баланса АТС
1.9 Построение графика топливно-экономической характеристики Топливно-экономическая характеристика (ТЭХ) [2,3] строится для высшей передачи в коробке передач и того весового состояния автомобиля, для которого рассчитаны и построены графики тягового расчёта. На графике топливно-экономической характеристики рекомендуется показывать три зависимости Qs = f (Va), которые соответствуют трём различным значениям суммарного коэффициента сопротивления дороги Ψ; и огибающую кривую, соответствующую значениям Ψ = D При этом значения Ψ; находят по зависимостям: Ψ1 = Ψv, (1.22)
Рисунок 1.9 – График мощностного баланса Ψ3 = 0.8 Dmax, (1.23) Ψ2 = (Ψ1 + Ψ3)/2. (1.24) Полученные значения Ψ; округляем до ближайших значений динамического фактора, полученных ранее для высшей передачи (см. табл.1.2). Это необходимо для нахождения максимальных скоростей движения АТС при принятых для расчёта ТЭХ значений Ψ;.
Для расчета ТЭХ используют уравнение расхода топлива [ 2, 3]
где, Qs - путевой расход топлива, л/100км; qn - удельный расход топлива при nN, г/кВт ч; ku - коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода топлива от нагрузки на двигатель; ko6 - коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода топлива от оборотов коленчатого вала двигателя; ρт - плотность используемого топлива, кг/л;
Численное значение qn находят по зависимости
где, qemin - минимальный удельный расход топлива, л/кВт ч. Для дизельных автомобилей принимаем равным 210.
Численные значения коэффициента ku для дизелей находят по зависимости
где, U - коэффициент использования мощности двигателя, рассчитываемый по зависимости
В последнем соотношении сопротивление дороги Рд изменяется в зависимости от Ψ и находится по формулам
Для примера рассчитаем коэффициент использования мощности:
При данном коэффициенте соответственно коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода топлива от нагрузки на двигатель, примет значение:
Коэффициент kо6 не зависит от типа двигателя и находится по зависимости:
. Принимаем численное значение плотности топлива. Для дизелей
Точки графических зависимостей ТЭХ строим для тех же скоростей Va и оборотов коленчатого вала nk, что были приняты в тяговом расчёте на высшей передаче. Результаты расчёта сводят в таблицу 1.5. При этом строки nk , Va, Рт, Рв переносим из таблицы 1.2. Точки графических зависимостей ТЭХ, соответствующие Ψ; = D (при полной подаче топлива) строим для принятых ранее значений скоростей. В этом случае двигатель проектируемого АТС работает по ВСХ и уравнение расхода топлива принимает вид
По результатам таблицы 1.5 строим графические зависимости ТЭХ. Таблица 1.5 – Результаты расчёта ТЭХ
|
Горлівка – 2012 р.
РЕФЕРАТ
(1.1)
(1.2)
, (1.3)
.
, (1.4)
, (1.5)
, (1.6)
= 5465*0,60/2= 1639,5 кг.
, (1.7)
, (1.8)
(1.9)
.
, (1.10)
, (1.11)
. Исходя из этой нагрузки выбираем радиус rд = 0,400 м.
, (1.12)
,
, (1.13)
(1.14)
(1.15)
(1.16)
.
, (1.17)
(м/с2).
(с2/м).
, (1.19)
(с).
, (1.20)
(м).
, (1.21)
, (1.22)
, (1.20)
, (1.21)
, (1.25)
, (1.26)
, (1.27)
, (1.28)
(1.29)
(1.30)
(1.31)
.
.
, (1.32)
ρт = 820 кг/м3,
, (1.33)
