Курсовой проект

К параметрам двигателя определяемым в данном подразделе относятся минимальная и максимальная частоты вращения коленчатого вала, вращающий момент и мощность двигателя, развиваемая во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала. Указанные параметры определяются по эмпирическим формулам, полученным на основе анализа существующих конструкций двигателей.

Для определения мощности двигателя проектируемого автомобиля необходимо оценить его предполагаемый собственный и полный вес [1]

                                                      (1.1)

 где  -собственная масса автомобиля;

  - масса человека, принимается равной 75 кг;

   - масса багажа (в легковых – 10 кг).

 кг.

Мощность двигателя (кВт) необходимая для движения с максимальной скоростью определяется по формуле:

Где  - максимальная скорость автомобиля по заданию на проектирования

            = 36.1 м/c;

 k - коэффициент обтекаемости автомобиля для легковых автомобилей      k = 0,15…0,35 . Принимаю k = 0,35

        F - лобовая площадь автомобиля (  на этапе проектирования можно принимать ориентировочные значения лобовой площади автомобиля.

При известных габаритных размерах автомобиля или его аналога лобовая площадь автомобиля может быть определена по формуле^[1]

                                                                             (1.3)

 где c - коэффициент заполнения площади: для легковых автомобилей;

В и H - габаритная ширина и высота автомобиля.

F = 0,80 · 1,420 · 1,400 = 1,59 м².

В общем случае номинальная мощность двигателя  мощность  не совпадают. Так как при максимальной скорости движения двигатель работает с максимальной частотой вращения, то в случае установки на автомобиле дизеля . У карбюраторного двигателя частота вращения при максимальной скорости  и частота вращения при номинальной мощности , как правило, не совпадают. В этом случае номинальную мощность находят из соотношения^[1]

где A , B и C - эмпирические коэффициенты, для дизелей A = 0,53; В = 1,56^[1];

С =1,09 ; для карбюраторных двигателей А= В = С = 1,0^[1];

1.2 Расчет и построение внешней скоростной характеристики                           автомобильного двигателя

Внешняя скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость мощности и вращающего момента на выходном конце коленвала двигателя от частоты вращения коленвала при полностью открытой дроссельной заслонке или полностью выдвинутой рейке топливного насоса высокого давления.

Зависимость между мощностью, развиваемой двигателем, и частотой вращения коленчатого вала двигателя описывается с помощью уравнения Лейдермана-4, имеющего следующий вид^[1]:

где  - текущая частота вращения коленвала двигателя.

Остальные расчеты показаны в табл.1

Крутящий момент M_e, Н м, соответствующий принятой частоте вращения коленчатого вала, подсчитывают по формуле ^[1].

= 9550 · (13.8/1170) = 112.67 Н·м;

 = 9550 · (23.77/1950) = 116.39 Н·м;

 = 95503 · (32.21/2730) = 112.67 Н·м;

 = 9550 · (35.29/3120) = 108.01 Н·м;

 = 9550 · (37.3/3510) = 101.49 Н·м;

 = 9550 · (38.03/3900) = 93.11 Н·м;

 = 9550 · (34.68/4680) = 70.77 Н·м.

Удельный расход топлива рассчитывается по формуле^[1]

где - эффективный удельный расход топлива на номинальном режиме        

              работы двигателя, .

= 340·[1,22-1.22·0.3+ ]= 320,96

= 340·[1,22-1.22·0.5+ ]= 292,4

= 340·[1,22-1.22·0.7+ ]= 291,04

= 340·[1,22-1.22·0.8+ ]= 300,56

= 340·[1,22-1.22·0.9· ]= 316,88

= 340·[1,22-1.22·1+ ]= 340

= 340·[1,22-1.22·1.2+ ]= 406,64

Часовой расход топлива ,  , определяется по формуле^[1]

                                           (1.8)

= 4,69;

= 8,08;

= 10,95;

= 12;

= 12,68;

= 12,93;

= 11,79.

Результаты расчетов по формулам (1.5) – (1.8) заносятся в табл.1 и по ее значениям строится внешняя скоростная характеристика двигателя.

Таблица 1.1

	Относительное значение	Частота вращения   n,	Эффективная мощность    кВт	Эффективный крутящий момент	Удельный расход топлива	Часовой расход топлива
	С ограничителем
	0,3		13,80	112,67	320,96	4,7
	0,5		23,77	116,39	292,40	8,1
	0,7		32,21	112,67	291,04	10,95
	0,8		35,29	108,01	300,56	12,00
	0,9		37,30	101,49	316,88	12,68
			38,03	93,11	340,00	12,93
	1,2		34,68	70,77	406,64	11,79

Рисунок 1.1 – Внешняя скоростная характеристика двигателя

где  M_e – крутящий момент, Н·м;

G_T – часовой расход топлива,

- эффективный удельный расход топлива на номинальном режиме        

    работы двигателя, ;

N_e – эффективная мощность, кВт.

1.3 Определение передаточных чисел главной передачи и коробки передач

Шины автомобиля выбирают, исходя из нагрузки, приходящейся на колесо. Нагрузку, приходящуюся на ведущие колеса, определим по формуле^[1]

,                                    (1.9)

где  - сцепной вес автомобиля, Н;

      Р - число ведущих колес.

     Для автомобилей с передним ведущим мостом^[1]

,                                 (1.10)

где  - коэффициент перераспределения нагрузки при тяговом режиме, принимается = 0,8…0,9^[1];

       - коэффициент нагрузки передней и задней осей в статическом состоянии, принимаются по характеристике прототипа, ^[1]

 Н.

Передаточное число главной передачи  определяется из условия достижения максимальной скорости движения автомобиля по формуле^[1]

где  - передаточное число коробки перемены передач на высшей передаче; ( ,9) ^[1]

 Н;

Одинарные главные передачи, состоящие из одной пары конических или гипоидных зубчатых колес, имеют минимальные размеры и массу, невысокую стоимость. Они используются в легковых и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности. Для получения достаточного дорожного просвета передаточное число такой передачи у легковых автомобилей не должно превышать

Передаточное число коробки перемены передач на первой передаче ( ) выбирается из двух условий:

а) преодоление автомобилем максимального дорожного сопротивления ( ) на первой передаче;

б) отсутствие буксования ведущих колес.

Данные условия выполняются при соблюдении неравенства^[1]

С другой стороны, передаточное число  должно обеспечивать минимально устойчивую скорость движения, необходимую для маневрирования в стесненных условиях^[1]

где  - минимально устойчивые обороты коленчатого вала двигателя (по внешней скоростной характеристике), .

     Для легковых автомобилей =2,2…3,5^[1]

Выбор передаточных чисел промежуточных передач^[1]

2. Тягово-скоростные свойства автомобиля

2.1 Динамический фактор и динамическая характеристика автомобиля

Динамический фактор – величина безразмерная. Поэтому он является обобщающим показателем, позволяющим не только оценить тяговые качества данного автомобиля, но и сравнить тяговые свойства автомобилей различных конструкций, независимо от их массы.

 Порядок расчета динамического фактора следующий.

1) Используя данные внешней скоростной характеристики ( , ), а также установленные ранее значения  определяют величину тягового усилия на ведущих колесах для всех передач^[1]

.                  (2.1)

2) Скорость движения автомобиля определяют по формуле^[1]

3) Величина силы сопротивления встречного потока воздуха^[1]

4) Рассчитывают значения динамического фактора груженого автомобиля^[1]

Данные расчетов по формулам (2.1) – (2.4) заносят в таблицу 2.

Динамический фактор автомобиля

Таблица 2.1

,
, Н·м	112,67	116,39	112,67	108,01	101,49	93,11	70,77
I передача
,	4,33	7,22	10,11	11,55		14,44	17,33
, кН	2875,58	2970,64	2875,58	2756,76	2590,4	2376,51	1806,15
, кН	10,44	29,01	56,86	74,26	93,99	116,04	167,09
D	0,29	0,3	0,29	0,28	0,26	0,23	0,17

II передача
,	5.88	9.8	13.72	15.68	17.64	19.6	23.52
, кН	2118.75	2188.79	2118.75	2031.19	1908.6		1330.78
, кН	19.24	53.44	104.73	136.8	173.13	213.74	307.79
D	0.22	0.22	0.21	0.19	0.18	0.16	0.1

III передача
,	7.98	13.3		18.62	21.28		23.94	26.6	31.92
, кН	1561.11	1612.71		1561.11	1496.6		1409.29	1290.17	980.53
, кН	35.43	98.43		192.92	521.98		318.91	393.72	566.96
D	0.16	0.16		0.14	0.13		0.11	0.09	0.04
IV передача
,	10.83	18.05	25.27		28.88	32.49		36.1	43.32
, кН	1150.23	1188.26	1150.23		1102.7	1036.16		950.61	722.46
, кН	65.27	181.31	355.37		464.15	587.44		725.24	1044.34
D	0.11	0.1	0.08		0.07	0.05		0.02

Максимальные значения тяговых сил могут ограничиваться прочностью контакта колес с дорогой. Поэтому на динамической характеристике наносят линии, соответствующие максимальным по сцеплению значениям динамического фактора . Значения рассчитывают для трех заданных дорожных условий по формуле^[1]

 где z - порядковый номер дорожного условия;

- коэффициент сцепления колес с дорогой при z-ом дорожном условии .

Для области под кривой D_φ автомобиль может двигаться без буксования при данном  и его тяговые свойства могут полностью использоваться.

Принимаем коэффициенты сопротивления для заданных условий

Для сухого асфальта =0,015;

Для сухого грунта =0,025;

Для сухого песка =0,20.

Рисунок 2.1 – Графики динамической характеристики

2.2 Динамический паспорт автомобиля

Динамическая характеристика построена для случая полной нагрузки автомобиля. Чтобы сделать ее пригодной для анализа тягово-скоростных свойств автомобиля при различных вариантах весовой нагрузки, ее дополняют номограммой нагрузок.

Номограмма нагрузок от 0 до 100 % строится обычно слева от динамической характеристики автомобиля.

Построение динамического паспорта начинают с построения динамической характеристики автомобиля. Значения динамического фактора при полной нагрузке (100 % грузоподъемности) откладываются по двум вертикалям, которые ограничивают график динамической характеристики.

По оси абсцисс влево от начала координат (соответствующего 100 % нагрузки) вновь построенной динамической характеристики, откладывают уменьшающийся до нуля процент нагрузки автомобиля.

Масштаб а₀, в котором откладываются значения D₀, определяется в зависимости от масштаба а₁₀₀, принятого для D. Отрезок а₀ (мм), выражающий какое-то значение динамического фактора на шкале D₀ связан с отрезком а₁₀₀ (мм), выражающим то же значение на шкале D зависимостью^[1]

.                                      (2.6)

Одинаковые значения величин D₀ и D соединяют прямыми линиями.

Каждая из этих линий представляет собой совокупность значений динамического фактора для всех возможных нагрузок автомобиля. Вертикаль, проведенная через некоторое значение процента нагрузки автомобиля, в точках пересечения с этими линиями образует масштабную шкалу для соответствующей степени загрузки автомобиля.

Круг решаемых задач расширяется, если динамическую характеристику
с номограммой нагрузок дополнить графиком контроля буксования – штриховые линии. Номограмма контроля буксования строится обычно в пределах нагрузок от 0 до 100 %, для значений коэффициента сцепления φ=0,1…0,8^[1] с шагом 0,1.

В общем случае, динамический фактор по сцеплению ведущих колес с дорогой определяется по формуле^[1]

                                ,                                       (2.7)

где G_х – вес автомобиля при х % его загрузки;

G_сцх - часть веса G_х, приходящиеся на ведущие колеса.

Определяют граничные значения динамического фактора по сцеплению (ненагруженного  и полностью груженого  автомобиля):

                             ;                                     (2.8)

                              ,                                      (2.9)

где  – сцепной вес порожнего автомобиля, Н.

Сцепной вес порожнего автомобиля  для переднеприводного автомобиля равна:

Масштабы b₀ и b₁₀₀ определяются в зависимости от масштабов а0 и а₁₀₀ по формулам:

                             ;                                   (2.11)

                                .                                      (2.12)

где а₁₀₀ - масштаб динамического фактора при полной нагрузке, мм/(Н/Н);

а₀ - масштаб динамического фактора при полной нагрузке, мм/(Н/Н);

Определив масштабы b₁₀₀ и b₀, откладывают эти отрезки на соответствующих шкалах и соединяют одинаковые значения пунктирными прямыми, указывая у каждой из них значения коэффициента сцепления.

Для автомобилей повышенной проходимости в случае, когда включены все ведущие мосты, сцепной вес принимается равным весу автомобиля. Таким образом, динамический фактор по сцеплению численно равен коэффициенту сцепления и линии номограммы контроля буксования будут совпадать с линиями номограммы нагрузок, если шаг изменения коэффициента φ принять равным шагу изменения динамического фактора l.

Динамическую характеристику с номограммой нагрузок и графиком контроля буксования называют динамическим паспортом автомобиля.

Динамический паспорт автомобиля позволяет комплексно решать важные практические задачи по определению тягово-скоростных свойств автомобиля в конкретных условиях его эксплуатации.

Рисунок 2.2 – Динамический паспорт

2.3 Определение параметров разгона автомобиля

2.3.1 Ускорение при разгоне автомобиля

Максимально возможные ускорения автомобиля при движении в заданных дорожных условиях наиболее удобно вычислять на основании имеющейся динамической характеристики, используя уравнение

где y - коэффициент суммарного сопротивления дороги;

 - коэффициент учета вращающихся масс.        

Коэффициент учета вращающихся масс  учитывает сопротивление разгону, создаваемого силами инерции вращающихся элементов двигателя, трансмиссии и колес автомобиля. Для одиночного автомобиля его значение определяется выражением

где  - передаточное число трансмиссии на некоторой j -ой передаче;

å  - сумма моментов инерции всех колес автомобиля, Н×м× ;

 - момент инерции вращающихся масс двигателя, Н×м× .

Если точные значения  и  неизвестны, то их определяют по эмпирическим формулам:

Н×м×

Если постоянные величины в уравнении (2.13) обозначить

тогда

где  и  - коэффициенты учета вращающихся масс, связанных с ходовой частью и двигателем, соответственно;

 - передаточное число раздаточной коробки, при ее отсутствии = 1,0^[1].

При выполнении приближенных расчетов  можно вычислять по формуле (2.14). Для одиночных автомобилей при номинальной нагрузке можно считать = 0,03…0,05 ; = 0,04…0,06^[1] (меньшие значения относятся к автомобилям большей грузоподъемности).

Расчет для низшей ступени раздаточной коробки

= 1.28.

Остальные расчеты показаны в табл. 2.2

Расчет для высшей ступени раздаточной коробки

= 1.43.

Остальные расчеты показаны в табл. 2.2

Таблица 2.2

Коэффициент учета вращающихся масс

Рассчитываем ускорения автомобилей по формуле (2.13)

Остальные расчеты показаны в табл. 2.3

Таблица 2.3

Ускорения при разгоне автомобиля

Показатель	Частота вращение коленчатого вала двигателя
I передача
,	4.33	7.22	10.11	11.55	13.0	14.14
a,	2.24	2.30	2.20	2.09	1.95	1.760
II передача
,	5,88	9,8	13,72	15,68	17,64	19,6
a,	1,63	1,66	1,56	1,46	1,34	1,18
III передача
,	7.98	13.3	18.62	21.28	23.94	26.6
a,	1.17	1.16	1.040	0.940	0.820	0.66

IV передача
,	10.83	18.05	25.27	28.88	32.49	36.1
a,	0.81	0.75	0.58	0.46	0.3	0.13

2.3.2 Время и путь разгона автомобиля

Время и путь разгона автомобиля ввиду сложности аналитической связи между ускорением и скоростью автомобиля определяют графо-аналитически. Для теоретического определения времени и пути разгона воспользуемся методом, предложенным Н.А. Яковлевым. Последний состоит в том, что интервал скоростей от  до  разбивается на мелкие участки.

Исходя из этого предположения время (с) необходимое для разгона автомобиля от скорости  до скорости  определяется по закону равноускоренного движения^[1]

Суммарное время разгона автомобиля T от минимальной скорости  до некоторого промежуточного значения скорости  определяется суммой времени разгона  в интервалах^[1]

где m - номер интервала, к которому принадлежит промежуточная скорость ;

k - номер передачи, на которой достигается промежуточная скорость  ;

- время переключения передачи, с. ( =1 c) ^[1]

Остальные расчеты показаны в табл. 2.4

Во время переключения передача мощности к колесам прекращается, скорость автомобиля снижается. При переключении сопротивление движению можно принимать постоянным и равным y.

y=0,007(См.приложение:8)^[1]. Величина уменьшения скорости в процессе переключения передач приблизительно составляет

После переключения с низшей передачи на высшую, разгон на высшей продолжается от скорости

Остальные расчеты показаны в табл. 2.4

Величина пути, , м, на котором происходит увеличение скорости движения автомобиля от  до  , на основании ранее принятых допущений определяется выражением^[1]

где  - средняя скорость в i-ом интервале частот вращения коленчатого вала двигателя на j-ой передаче, . ^[1]

Остальные расчеты показаны в табл. 2.4

Путь разгона автомобиля от скорости  до некоторой промежуточной скорости  определяется как сумма^[1]

где  - путь, проходящий автомобилем за время переключения передачи, м.

 Путь, пройденный автомобилем за время переключения  с j-ой передачи на более высокую ( j + 1 ) передачу определяется по формуле^[1]