Тяговый расчет автомобиля

 

Исходные данные для расчёта:

- полная масса автомобиля

- масса, приходящаяся на передний мост автомобиля

- масса, приходящаяся на задний мост автомобиля

L – расстояние между осями мостов автомобиля

b – расстояние от центра тяжести автомобиля до оси заднего моста

r – радиус колеса автомобиля

δ – коэффициент учёта вращающихся масс автомобиля

- коэффициент полезного действия трансмиссии

р – количество передач

- площадь лобового сопротивления автомобиля ветровой нагрузке

к_в - удельная ветровая нагрузка на автомобиль

К, Д – тип двигателя (карбюраторный, дизель)

N_e^max - максимальное значение эффективной мощности двигателя

- устойчивая минимальная частота вращения коленчатого вала двигателя

n_N^max - частота вращения коленчатого вала двигателя, при которой достигается максимальное значение мощности

g – удельный расход топлива

- коэффициент сцепления колеса с дорогой

- значения коэффициента сопротивления дороги передвижению автомобиля

Кинематическая схема автомобиля с приводом на передние колеса приведена на рис 1

 

Рис.1

1 – двигатель (Д). Предназначен для преобразования тепловой энергии в механическую.

2 – сцепление. Для кратковременного разъединения двигателя от трансмиссии.

3 – коробка перемены передач (КПП). Для изменения крутящего момента (М), для разъединения Д от трансмиссии на длительный период и изменения направления движения автомобиля.

4 – главная передача. Изменение М по величине и направлению.

5 – дифференциал. Распределение М по полуосям.

6 – ведущие колёса.

7 – полуоси.

Трансмиссия – служит для передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колёсам и для его изменения в соответствии с условиями движения, а также для отключения двигателя от ведущих колёс (рис. 2).

Рис.2

Крутящий момент на ведущих колёсах:

Частота вращения ведущих колёс:

Мощность на ведущих колёсах:

, где

- КПД трансмиссии

i_КП – передаточное отношение коробки передач

i_КП – передаточное отношение главной передачи

 

Целями тягового расчёта являются предварительный выбор тягово-скоростных свойств автомобиля с принятыми параметрами.

 

 

1. Выбор основных параметров автомобиля

1.1 Определение полной массы автомобиля и распределение ее по осям:

, где

m_o - масса снаряженного автомобиля (прототип);

m_гр - номинальная грузоподъемность автомобиля;

q_o - расчетная масса пассажира;

q_бг - расчетная масса багажа;

N_сум- кол-во перевозимых пассажиров (суммарно) с учетом водителя;

Распределение массы по осям автомобиля:

m_a1 – масса приходящаяся на переднюю ось:

m_a2 – масса приходящаяся на заднюю ось:

1.2 Расчет координат центра тяжести автомобиля:

- расстояние от передней балки до центра тяжести автомобиля (см. Рис.3)

- расстояние от заднего моста до центра тяжести автомобиля;

h=0, 25· L – высота центра тяжести (где L - колесная база автомобиля)

Рис.3

 

 

1.3 Выбор шин:

Определение осевой нагрузки, действующей на шину:

- нагрузка на шину переднего моста

- нагрузка на шину заднего моста

где:

- количество шин установленных на переднем мосту;

-количество шин установленных на заднем мосту;

 

2. Внешняя скоростная характеристика двигателя

 

Обычно внешнюю скоростную характеристику двигателя получают путём испытания двигателя на специальном стенде по стандартной методике. Внешнюю скоростную характеристику можно построить воспользовавшись формулой:

, где

, - текущие значения мощности и угловой скорости,

- максимальное значение мощности двигателя и значение угловой скорости коленчатого вала при максимальной мощности,

k, a, b, c – коэффициенты (табл.1)

Табл.1

Коэффициент	Карбюраторный ДВС	Дизельный ДВС
a		0, 87	0, 6	0, 7
b		1, 13	1, 4	1, 3
c

 

 

	к
0, 2	0, 232	0, 152	0, 184	0, 168
0, 3	0, 363	0, 258	0, 3	0, 279
0, 4	0, 496	0, 376	0, 424	0, 4
0, 5	0, 625	0, 5	0, 55	0, 525
0, 6	0, 744	0, 624	0, 672	0, 646
0, 7	0, 847	0, 742	0, 784	0, 763
0, 8	0, 928	0, 848	0, 88	0, 864
0, 9	0, 981	0, 936	0, 954	0, 945
1, 0	1, 0	1, 0	1, 0	1, 0
1, 1	0, 98	--	--	--

где 1 – двигатель с неразделённой камерой сгорания

2 – двигатель с предварительной камерой сгорания

3 – двигатель с вихревой камерой сгорания

* - заданные параметры

Внешняя скоростная характеристика может быть задана таблично в относительных единицах:

Карбюраторные двигатели Табл.2

	ω min						ω N	ω N	ω max
n/nmax	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7	0, 8	0, 9	1, 0
Ne / Nmax	0, 214	0, 478	0, 648	0, 76	0, 891	0, 942	1, 0	0, 985	0, 956

 

Дизельные двигатели Табл.3

n/nmax	0, 2	0, 3	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7	0, 8	0, 9	1, 0
Ne / Nmax	0, 19	0, 32	0, 48	0, 6	0, 73	0, 85	0, 93	0, 98	1, 0

 

Порядок построения внешней скоростной характеристики:

В соответствии с заданием разность ω _N – ω _min делится на 10 интервалов и определяются текущие значения ω _i, . Затем определяются значения крутящего момента на коленчатом валу двигателя

,

Результаты расчётов заносятся в таблицу 4:

 

Табл.4

n, об/мин
ω i, рад/с
, квт
, Н· м

Внешний вид скоростной характеристики представлен на рис. 4

 

 

 

Рис. 4

Примечания:

- Обычно на практике используют зависимости:

- Внешняя скоростная характеристика может быть построена в координатах:

,

где n – частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин

3. Максимальная скорость равномерного движения автомобиля

 

Максимальная скорость движения автомобиля Vmax определяется на основе графо-аналитического решения уравнений тягового или мощностного балансов (рис. 5):

Рис. 5

прямая 1 – значение мощности на ведущем мосту автомобиля

( – КПД трансмиссии)

прямая 2 – затрата мощности на передвижение автомобиля

, где

- мощность, необходимая на преодоление сопротивления дороги;

, где

G=M· g – вес автомобиля (g – ускорение свободного падения)

Ψ - коэффициент сопротивления дороги;

- мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха передвижению.

, где

– коэффициент обтекаемости автомобиля;

- площадь лобового сопротивления автомобиля;

где - габаритная ширина автомобиля;

- габаритная высота автомобиля;

Значения скорости V для расчёта выбираем в интервале Vmax - Vmin;

Результаты расчётов сводим в таблицу 5: Табл. 5

V, км/ч
V, м/с
Nд, квт
Nw, квт
N, кВт

4. Передаточное отношение главной передачи

, где

- угловая скорость ведущих колёс

- передаточное отношение коробки передач

- передаточное отношение главной передачи

Полагая, что на высшей передаче =1, определяем :

 

5. Передаточное отношение на первой передаче

Для определения передаточного отношения на первой передаче коробки передач используются соотношения:

Первое условие – возможность преодоления заданного максимального дорожного сопротивления (ψ):

, где

- сцепной вес автомобиля

- максимальное значение крутящего момента на коленчатом валу двигателя

Второе условие – возможность реализовать максимальное тяговое усилие по условиям сцепления с дорогой.

где G=m_jg – сцепная сила тяжести, Н, т.е. сила тяжести, приходящаяся на ведущую ось или оси; m_j - сцепная масса, кг.

Тогда для переднеприводных автомобилей m_j=a₁ m₁,

а для заднеприводных m_j=a₁ m₂,

где a₁ – коэффициент перераспределения нагрузки; m₁ и m₂ – соответственно масса, приходящаяся на переднюю и заднюю ведущие оси, кг; j=0, 6..0, 8 – коэффициент сцепления для сухого шоссе; g=9, 81 м/с².

Третье условие – возможность движения с минимальной устойчивой скоростью.

,

где n_e, мин^-1 – минимально устойчивая частота вращения коленчатого вала двигателя при движении машины; V_{a min}, м/с – минимально устойчивая скорость движения.

Затем проводится сравнение полученных передаточных чисел. Они должны удовлетворять следующему условию: i_kn1^y £ i_kn1^j, если наоборот, то целесообразно увеличить сцепную массу автомобиля, а если это невозможно, то принимается i_kn1^j, но при этом автомобиль не сможет преодолеть заданное дорожное сопротивление. Если i_kn1^j и i_kn1^j£ i_kn1^Vmin, то принимается i_kn1^Vmin.

 

6. Выбор передаточных чисел коробки передач

Определим минимальную устойчивую скорость движения:

Скоростной диапазон движения:

Выбор передаточных чисел коробки передач осуществляется по формулам:

где p – количество передач

В большинстве случаев значение q принимается равным 1, 6÷ 1, 7. Для получения такого значения можно варьировать максимальной и минимальной скоростями движения автомобиля.

7. Тяговая характеристика автомобиля

Тяговой характеристикой называется зависимость тяговой силы на ведущих колёсах от скорости движения:

Результаты расчётов сводятся в таблицу 6:

 

 

Табл. 6

n, об/мин
, Н· м
V1, м/с
V2, м/с
V3, м/с
V4, м/с
, н
, н
, н
, н

 

Внешний вид тяговой характеристики автомобиля представлен на рис. 6:

 

Рис. 6

 

Число кривых на тяговой характеристике соответствует числу ступеней в коробке передач. При постоянном числе оборотов двигателя n_е значение скорости на различных передачах обратно пропорционально передаточным числам коробки передач: и т.д.

При всех преимуществах тяговая характеристика обладает и рядом недостатков: она недостаточно удобна для сравнительной оценки тяговых свойств автомобилей, обладающих различной массой, т.к. при одинаковых значениях они будут иметь на одной и той же дороге различные максимальные скорости, различные ускорения, преодолевать неодинаковые предельные подъёмы и др. Более удобно пользоваться безразмерной величиной D – динамическим фактором:

,

где G – сила тяжести не загруженного автомобиля;

- сила сопротивления воздуха,

где с – безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления; ρ – плотность воздуха, равная 1, 25 кг/м³; F – лобовая площадь автомобиля; V – скорость автомобиля. Графическую зависимость D=f(v) называют динамической характеристикой автомобиля.

 

Результаты расчётов сводятся в таблицу 7:

 

Табл. 7

n, об/мин
, Н· м
V1, м/с
V2, м/с
V3, м/с
V4, м/с
, н
, н
, н
, н
, н
, н
, н
, н
D1
D2
D3
D4

 

Внешний вид динамической характеристики автомобиля представлен на рис. 7:

 

Рис. 7

Для автомобиля, снаряженного карбюраторным двигателем без ограничителя оборотов, правые ветви кривых динамической характеристики для всех передач, кроме высшей, доводятся до пересечения с кривой следующей высшей передачи. Для автомобиля, снабжённого двигателем с ограничителем оборотов или регулятором, ограничиваются скоростью, соответствующей на данной передаче оборотам двигателя по ограничителю или регулятору. Крайняя правая точка кривой высшей передачи при отсутствии ограничителя оборотов доводится до оси абсцисс. Крайние левые точки кривых динамической характеристики соответствуют скорости, получаемой на каждой передаче при устойчивой минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя при полной подаче топлива.

Основными параметрами динамической характеристики, по которым можно судить о тяговых свойствах автомобиля, являются:

- максимальный динамический фактор Dа_тах, на высшей передаче, величина которого определяет диапазон дорожных сопротивлений, преодолеваемых без переключения передач;

- критическая скорость Vа_к, соответствующая Dа_тах, определяет диапазон устойчивого движения на высшей передаче при работе двигателя при полной подаче топлива. При скоростях движения от Vа_тах до Vа_к двигатель работает на устойчивой ветви внешней скоростной характеристики и любое, сколь угодно малое увеличение дорожного сопротивления приведёт к падению скорости движения, сопровождаемое увеличением момента двигателя, а следовательно, и динамического фактора. Равновесие сил будет восстановлено при меньшей скорости. После уменьшения скорости ниже критической двигатель заглохнет, если не перейти на нижнюю передачу коробки перемены передач;

- максимальный динамический фактор D_max на низшей передаче, величина которого определяет максимальное дорожное сопротивление, преодолеваемое автомобилем. Величина D_max является важнейшим параметром, характеризующим проходимость автомобиля.

Динамическая характеристика позволяет решать различные задачи:

- определять максимальные скорости движения автомобиля на дорогах с различным суммарным коэффициентом дорожного сопротивления ψ;

- максимальные подъёмы, предъявляемые АТС при движении с различными постоянными скоростями на различных передачах;

- находить максимальные ускорения при разгоне автомобиля;

- сравнивать динамические свойства автомобилей различных типов.

При анализе эксплуатационных свойств автомобиля удобно дополнять динамическую характеристику номограммой нагрузок. Такая совокупность графиков называется динамическим паспортом автомобиля (рис.8). Он позволяет решать уравнения движения с учётом большого числа факторов: нагрузки на автомобиль, коэффициента сцепления колёс с дорогой и т.д.

Динамическую характеристику строят для автомобиля с полной нагрузкой. С изменением массы автомобиля от m₀ до m_а динамический фактор изменяется и его можно определить по формуле:

,

где D₀ – динамический фактор порожнего автомобиля с водителем.

m₀ – собственная масса порожнего автомобиля с водителем.

Построение номограмм нагрузок производят следующим образом. На продолжении оси абсцисс слева от динамической характеристики откладывается равномерная шкала нагрузок таким образом, чтобы нагрузка полностью гружёного Н=100% автомобиля совпадала с началом координат, а нагрузка Н=0% являлась крайней левой точкой шкалы нагрузок. Через нулевую точку шкалы нагрузок проводят прямую, параллельную оси D_а и на неё наносят шкалу динамического фактора D₀. величину масштаба а₀, для шкалы D₀ определяют по формуле ,

где а_а – масштаб шкалы динамического фактора автомобиля с полной нагрузкой. Равнозначные деления шкал D_а и D₀ соединяют между собой прямыми линиями. Промежуточные значения динамического фактора определяются интерполированием.

Рис. 8

Приёмистость автомобиля

Под приёмистостью автомобиля понимают его способность быстро увеличивать скорость движения. Время равномерного движения автомобиля обычно невелико по сравнению с общим временем его работы. Так, например, при эксплуатации в городах автомобили движутся равномерно всего лишь 15-25% времени. От 30 до 45% времени приходится на ускоренное движение и 30-40% на движение накатом и торможением. Оценочными параметрами динамичности автомобиля при разгоне являются: максимально возможное ускорение; время разгона; путь разгона.

 

Максимально возможное ускорение

Ускорение автомобиля j определяется по формуле:

,

где δ – коэффициент учёта вращающихся масс.

При неизвестных конструктивных параметрах двигателя и трансмиссии коэффициент δ определяется по формуле:

g– ускорение свободного падения

ψ – суммарный коэффициент сопротивления дороги

 

Результаты расчётов сводятся в таблицу 8: Табл. 8

V1, м/с
V2, м/с
V3, м/с
V4, м/с
J1
J2
J3
J4

 

Внешний вид графика ускорений автомобиля представлен на рис. 9:

Рис. 9

 

Время и путь разгона автомобиля

Для определения пути и времени разгона кривую ускорений на каждой передаче разбивают на интервалы и считают, что в каждом интервале скоростей автомобиль разгоняется с постоянным ускорением ,

где и - ускорение соответственно в начале и конце интервала скоростей, м/с².

Для повышения точности расчёта, интервал скоростей берут равным 0, 5-1 м/с на первой передаче, 2-3 м/с на промежуточных и 3-5 м/с на высшей. При изменении скорости от V₁ до V₂ среднее ускорение . Следовательно, время разгона в том же интервале скоростей

Общее время разгона от минимальной устойчивой скорости V_min до конечной

По значениям t, определённым для различных скоростей, строят кривую времени разгона как на какой-либо одной передаче, так и при движении с переходом от любой низшей передачи к любой высшей. В последнем случае необходимо учитывать, при каких скоростях происходит переключение с более низкой передачи на более высокую. В реальных условиях момент перехода определяется водителем и может быть различным. Время разгона будет минимальным, если переключение передач происходит при скоростях, соответствующих пересечению кривых J=f(V). Если при наличии ограничителя (регулятора) в пределах ограничиваемых им частот вращения, такое переключение невозможно, то переключение должно происходить при скоростях, соответствующих номинальным частотам вращения. При отсутствии регулятора, расчёт времени разгона проводят до скорости V=0, 95V_max, а при наличии – до скорости, соответствующей началу работы регулятора. В момент переключения передач происходит разрыв потока мощности от двигателя к ведущим колёсам, в результате чего в течение некоторого времени происходит замедление скорости движения за счёт действия на автомобиль сил сопротивления. Время t_П переключения передач зависит от конструктивных особенностей автомобиля и от квалификации водителя. Обычно t_П = 0, 5 сек.

Величину ∆ V_П уменьшения скорости автомобиля во время переключения передач можно определить по формуле:

При расчёте пути разгона считают, что в каждом интервале скоростей автомобиль движется равномерно со средней скоростью V_ср = 0, 5· (V₁ + V₂). Приращение пути в каждом интервале скоростей .

Складывая полученные значения получают суммарный путь разгона S_P, начиная с той же скорости, с которой рассчитывали время разгона. Путь S_П пройденный автомобилем за время переключения передач, определяют по формуле:

,

где V_П – средняя скорость автомобиля за время переключения передач, м/с;

V_Н – начальная скорость при переключении передач, м/с.

Обычно расчёт времени и пути разгона легкового автомобиля производят до скорости 100км/ч. По результатам расчётов строятся графики зависимости времени и пути разгона от скорости автомобиля t=f(V), и S=f(V) по точкам, соответствующим концам интервалов скоростей. Расчёты по определению значений представлены в таблице 9:

 

Табл.9

№ пер.

V1

V2

∆ Vai

Vср

J1

J2

Jср

∆ ti

τ

∆ Si

S

 

Согласно с общими техническими требованиями путь разгона до V_тах не должен превышать 2500м и время разгона 150с. Из расчёта мы можем видеть, что время и путь разгона соответствуют нормам.

График времени разгона автомобиля представлен на рис. 10:

Рис. 10

График пути разгона автомобиля представлен на рис. 11:

Рис. 11

 

Путевой расход топлива автомобиля

Комплексным измерителем топливной экономичности автомобиля является топливно-экономическая характеристика, представляющая собой график зависимости путевого расхода топлива Q_П от скорости V установившегося движения автомобиля с полной загрузкой по дорогам с различными коэффициентами дорожного сопротивления ψ. Она может быть построена либо по результатам стендовых или ходовых испытаний автомобиля, либо расчётным путём.

Путевой расхода топлива Q_П с точностью, достаточной для приближённой оценки топливной экономичности автомобиля, может быть определён из выражения:

,

где ρ _Т – плотность топлива, кг/л.

Для построения топливно-экономической характеристики необходимо задаться несколькими значениями п и для принятых передачи КП и дорожного сопротивления ψ найти силы сопротивления движению, а по экономической характеристике – значение q_e. В случае, когда экономическая характеристика двигателя отсутствует, удельные расходы топлива находят по приближённой методике с использованием коэффициентов К_п и К_N по формуле:

,

где К_п – коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала двигателя;

К_N – коэффициент, учитывающий зависимость удельного расхода