ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ

Методические указания

к выполнению курсовой работы

для студентов специальностей и направлений подготовки

190109.65, 190100.62, 190600.62

Курган 2013

Кафедра: «Автомобили»

Дисциплины «Теория автомобиля и трактора»,

«Конструирование и расчет автомобиля и трактора»,

«Конструкция и эксплуатационные свойства Т и ТТМО».

Составил: канд. техн. наук, проф. Г.Н. Шпитко

Составлены на основе переработанных и дополненных методических указаний «Тяговый расчет автомобиля» / Г. Н. Шпитко – Курган: КМИ, 1999.

Утверждены на заседании кафедры 9 октября 2013 г.

Рекомендованы редакционно-издательским советом университета

22 октября 2013 г.

1 СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Расчетно-пояснительная записка должна занимать 20...25 рукописных страниц с необходимыми таблицами и графиками, а также содержать следующие графики, выполненные на миллиметровке формата А4:

1) внешнюю скоростную характеристику двигателя;

2) тяговый баланс автомобиля;

3) динамическую характеристику автомобиля или динамический паспорт автомобиля (по усмотрению руководителя);

4) мощностной баланс автомобиля;

5) график ускорений автомобиля;

6) график времени и пути разгона автомобиля.

Примеры выполнения графиков приведены в приложении.

2 ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ С МЕХАНИЧЕСКОЙ

ТРАНСМИССИЕЙ

При проектировании студент имеет дело с тремя видами параметров:

1) заданными;

2) выбираемыми;

3) расчетными.

Параметры, заданные для расчета, записаны в индивидуальном задании.

К заданным параметрам относятся: тип автомобиля, тип двигателя, максимальная скорость (), грузоподъемность или пассажировместимость, максимальное сопротивление дороги, преодолеваемое на 1 передаче (), тип покрытия на котором достигается максимальная скорость (обычно асфальт).

2.1 Выбираемые параметры

2.1.1 При выполнении курсового проекта эти величины студент выбирает на основании сопоставления заданных параметров проектируемого автомобиля с существующими автомобилями (прототипами) по грузоподъемности, типу двигателя и т.д.

К выбираемым параметрам относятся следующие:

а) масса снаряженного автомобиля - .

В связи с тем, что при проектировании нового автомобиля трудно определить его массу в снаряженном состоянии, то ее выбирают по статистическим данным или по данным существующих конструкций автомобилей, т.е. по прототипам с учетом тенденции развития автомобильной техники. Следует брать 2...3 автомобиля за прототип: по грузоподъемности или пассажировместимости, по и по типу двигателя. Выбор прототипов проектируемого автомобиля студент делает самостоятельно, пользуясь литературой /1/ или интернетом.

Для анализа и более точного выбора снаряженной массы проектируемого автомобиля можно использовать коэффициент снаряженной массы . Коэффициент снаряженной массы характеризует совершенство конструкции автомобиля и является одним из важнейших эксплуатационных качеств.

Для грузовых автомобилей:

для городских автобусов:

Коэффициент снаряженной массы может быть выбран из графиков (рисунки 2.1 и 2.2) в зависимости от грузоподъемности или пассажиро-вместимости.

Рисунок 2.1 – Зависимость коэффициента снаряженной массы от грузоподъемности автомобиля

Рисунок 2.2. – Зависимость показателя использования снаряженной массы от пассажировместимости автобуса

Полная масса автомобиля определяется следующим способом:

для легкового автомобиля:

для грузовых автомобилей:

для автобусов:

где − масса снаряженного автомобиля, кг;

− масса одного пассажира или водителя, равная 75 кг;

− масса багажа, равная 25...50 кг;

− пассажировместимость;

− грузоподъемность автомобиля, кг;

б) коэффициент сопротивления воздуха (К) и лобовая площадь (F).

Приближенно лобовая площадь может быть определена по следующим выражениям:

− для легковых автомобилей;

− для грузовых автомобилей,

где Н − габаритная высота, м; − габаритная ширина, м; В − колея передних колес автомобиля.

Все значения этих параметров берут из технической характеристики прототипа по справочнику.

В среднем лобовая площадь и коэффициент сопротивления воздуха колеблются в следующих пределах (таблица 1):

Таблица 1 − Показатели лобовой площади и коэффициента сопротивления воздуха

Автомобили	F, м²	К, Нс²/м⁴
Гоночные	1,0÷1,3	0,13÷0,15
Легковые:
- малолитражные	1,4÷2,	0,2÷0,35
- среднего и большого литража	2,0÷2,8
Грузовые	3,0÷5,0	0,5÷0,7
Автобусы с кузовом вагонного типа	4,0÷6,5	0,25÷0,4

в) коэффициент полезного действия трансмиссии ().

Могут быть приняты следующие значения коэффициента полезного действия трансмиссии в зависимости от типа автомобиля и типа главной передачи (таблица 2):

Таблица 2 − Значения коэффициентов полезного действия трансмиссии

Автомобили
Легковые
Грузовые и автобусы:
- с одинарной главной передачей	0,85÷0,90
- с двойной главной передачей	0,82÷0,85
Полноприводные	0,78÷0,84

Меньшие значения относятся к автомобилям большей грузоподъемности.

г) распределение массы автомобиля по осям в груженом и порожнем состоянии − и ; и .

У легковых автомобилей масса распределяется между передними и задними осями примерно поровну. У грузовых − на переднюю ось при полном использовании грузоподъемности приходится около 25...30% нагрузки, остальная − на заднюю ось или тележку.

д) теоретический радиус качения колеса − .

Зная размер шин, определяют статический радиус колеса. Шины выбирают в зависимости от наибольшей нагрузки на колесо и максимальной скорости по ГОСТ 4754-97 − для легковых автомобилей; для грузовых автомобилей, автобусов и прицепов − ГОСТ 5513-97.

е) частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности − n_N.

Для современных двигателей могут быть приняты следующие значения максимальной частоты вращения коленчатого вала (таблица 3):

Таблица 3 − Значения максимальной частоты вращения коленчатого вала

Тип двигателей на автомобилях	об/мин
Карбюраторные двигатели:
- легковых автомобилей
- грузовых автомобилей и автобусов
Дизельные двигатели

ж) соотношение между максимальной частотой вращения коленчатого вала двигателя и частотой при максимальной мощности двигателя , т.е. .

Отношение выбирают в пределах: для легковых автомобилей и автобусов с карбюраторным двигателем − ; для грузовых автомобилей с карбюраторным двигателем − ; для автомобилей с дизельным двигателем − 1,0. Сведения о прототипах приводятся в пояснительной записке.

2.1.2 Выбираемые параметры для проверочного тягового расчета

При выполнении проверочного тягового расчета необходимые параметры автомобиля выбираются из справочной литературы или других источников, содержащих технические характеристики автомобилей.

Необходимо выбрать:

1) полную массу автомобиля (кг);

2) собственную массу автомобиля (кг);

3) максимальную скорость (км/ч);

4) максимальную мощность двигателя (кВт);

5) частоту вращения коленчатого вала при максимальной мощности (об/мин);

6) передаточные числа коробки передач, главной передачи, раздаточной коробки;

7) тип шин и радиус колеса (м);

8) лобовую площадь автомобиля (м²).

2.2. Расчетные параметры

При проверочном тяговом расчете пункты 2.2.1; 2.2.3; 2.2.4 выполнять не надо.

К расчетным параметрам относятся: , , , а также величины, характеризующие тяговые качества автомобиля:

2.2.1 Определение

Для определения сначала находят мощность двигателя, соответствующую максимальной скорости движения автомобиля .

Используя уравнение мощностного баланса автомобиля, имеем:

Сила тяжести полностью груженого автомобиля: , Н.

− коэффициент сопротивления дороги при .

, предполагая тем самым, что автомобили развивают максимальную скорость только при движении по горизонтальной дороге .

Для сухого асфальта величина равна , для скорости км/ч.

Для больших скоростей значение f определяют по эмпирической зависимости:

, (2.1)

где − коэффициент сопротивления качению для сухого асфальтового покрытия, при км/ч; − скорость автомобиля, км/ч.

Зная по формуле Лейдермана, подсчитывают максимальную мощность двигателя в зависимости от его типа:

, кВт.

Для карбюраторного двигателя: ; для четырехтактного дизельного двигателя: ; ; .

2.2.2 Построение внешней скоростной характеристики двигателя

Рассчитывают величины эффективной мощности и крутящего момента в зависимости от частоты вращения двигателя , при полном открытии дроссельной заслонки или полной подаче топлива, по уравнениям:

, кВт;

Нм.

Интервалы отношений рекомендуется брать равными: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,1; 1,2 с тем, чтобы получить 6-8 расчетных точек. Данные расчетов сводят в таблицу 4.

По данным таблицы 4. строят внешнюю скоростную характеристику двигателя.

Таблица 4 − Зависимость мощности и крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала двигателя

, об/мин
, кВт
, Нм

Минимально устойчивую частоту вращения двигателя при полной нагрузке можно определить из соотношения:

2.2.3 Определение передаточного числа главной передачи. Передаточное число главной передачи ведущего моста определяют по формуле:

где − передаточное число высшей передачи коробки передач;

− передаточное число дополнительной (раздаточной) коробки на высшей передаче; величиной студент должен задаться, ориентируясь на однотипные модели автомобилей.

Если высшая передача прямая, то передаточное число коробки передач принимается , в случае применения ускоряющей передачи .

2.2.4 Определение передаточных чисел коробки передач

Передаточные числа в коробке должны обеспечивать автомобилю способность преодолевать заданное максимальное сопротивление дороги , а также достаточную динамику разгона при оптимальном использовании мощности двигателя.

Это выполняется при условии:

Из этого условия определяем:

где − максимальное значение момента по внешней скоростной характеристике двигателя;

− передаточное число коробки на 1 передаче из условия преодоления .

Полученное значение проверяют по условию буксования:

где − передаточное число коробки на 1 передаче по сцеплению.

Для автомобилей с колесной формулой:

1) 4 х 2 ,

2) 4 х 4 .

− коэффициент сцепления колес с дорогой принимают:

− реакция на ведущих колесах определяется с учетом перераспределения силы тяжести автомобиля:

− коэффициент перераспределения нагрузки задних колес:

При дальнейших расчетах принимается меньшее из полученных передаточных чисел .

Для легковых автомобилей проверка по буксованию не обязательна.

Максимальное передаточное число коробки передач также должно удовлетворять условию обеспечения минимальной устойчивой скорости движения.

Минимальная устойчивая скорость:

откуда

где − минимальная устойчивая скорость вращения вала двигателя;

− минимальная устойчивая скорость движения;

− передаточное число коробки передач, выбранное исходя из минимальной скорости движения.

В расчетах принимают:

км/ч − для грузовых автомобилей;

км/ч − для легковых;

об/мин, где меньшее значение относится к дизелям, большее – к двигателям с искровым зажиганием.

Если или , то принимают в качестве расчетного.

Количество ступеней в коробке передач находится в прямой зависимости от диапазона передаточных чисел коробки передач.

Диапазон передаточных чисел коробки передач равен отношению максимального передаточного числа коробки к минимальному передаточному числу :

Зависимость количества ступеней коробки передач грузовых и легковых автомобилей n от диапазона передаточных чисел приведена в таблице 5.

Таблица 5 − Зависимость между количеством ступеней и диапазоном передаточных чисел коробки передач

Грузовые автомобили	Легковые автомобили
	n		n		n
До 5,5		9,2…18,5		2,3…2,6
5,7…8,5		13…19,4		3,4…4
7,9…9,4		17…25		3,5…4,5
8…10		Свыше 25		Свыше 4,5

Передаточные числа промежуточных передач определяют по уравнению:

где − число передач в коробке, не считая заднего хода;

− номер определяемой передачи.

Формулы для расчета передаточных чисел сведены в таблице 6.

Таблица 6 − Разбивка передаточных чисел коробки передач по ступеням

Передаточные числа	Число передач в коробке
		с ускоряющей




			0,7 - 0,85

2.3 Анализ тяговых качеств

2.3.1 Силовой баланс автомобиля

По методу академика А. Е. Чудакова силовой баланс строят, зная тяговую характеристику автомобиля и силы сопротивления дороги и воздуха.

Уравнение силового баланса имеет вид:

Тяговую силу на ведущих колесах автомобиля определяют по выражению:

Величину силы тяги определяют на всех передачах.

Силу сопротивления дороги находят как:

где Ψ − коэффициент суммарного сопротивления дороги.

Для горизонтальной дороги может быть определен по формуле 2.1.

Сила сопротивления воздуха рассчитывается по формуле:

Скорость автомобиля на каждой передаче определяют по формуле:

Рассчитанные величины сводят в таблицах 7 и 8.

Пользуясь данными этих таблиц, строят график силового баланса.

Для заполнения таблицы 8 необходимо задаться несколькими значениями в диапазоне от до .

Таблица 7 − Зависимость силы тяги и скорости от частоты вращения коленчатого вала двигателя

, об/мин.






и т.д.

Таблица 8 − Зависимость силы сопротивления дороги и воздуха от скорости

2.3.2 Динамическая характеристика автомобиля

Зависимость динамического фактора при полной нагрузке от скорости движения автомобиля на различных передачах называется динамической характеристикой автомобиля.

Динамический фактор является оценочным параметром тяговых качеств всех автомобилей.

Сравнение различных по конструкции автомобилей, с точки зрения их динамичности, производится по значению на низшей передаче.

Динамический фактор определяют при полной нагрузке автомобиля по формуле:

Пользуясь рассчитанными значениями и , считают динамический фактор и результаты заносят в таблицу 9.

Таблица 9 − Зависимость динамического фактора от скорости

						и т.д.

Методика построения динамического паспорта подробно изложена в учебнике /2/.

2.3.3. Мощностной баланс автомобиля

По аналогии с уравнением силового баланса уравнение мощностного баланса можно написать в следующем виде:

Решить это уравнение можно графически, для чего строят график мощностного баланса. На этом графике наносятся зависимости на всех передачах, мощности двигателя на высшей передаче, мощности заданного дорожного сопротивления и суммарной мощности дорожного и воздушного сопротивления от скорости движения автомобиля.

Тяговая мощность определяется по уравнению

и строится на каждой передаче в зависимости от скорости движения, соответствующей частоте вращения, для которой определялась мощность по скоростной характеристике.

Эффективная мощность двигателя строится в зависимости от скорости движения только на высшей передаче.

Мощности дорожного сопротивления и сопротивления воздуха рассчитывают в зависимости от скорости автомобиля по уравнениям:

, кВт;

, кВт.

Полученные значения заносят в таблицы 10 и 11. По ним строят график мощностного баланса.

Таблица 10 − Зависимость тяговой мощности и скорости от частоты вращения коленчатого вала двигателя

					и т.д.

Таблица 11 − Зависимость мощности сопротивления дороги и воздуха от скорости


, кВт
, кВт

2.3.4 Ускорение автомобиля

Расчет ускорения автомобиля производится для движения по горизонтальной дороге с гладким твердым покрытием по уравнению:

где − ускорение автомобиля в м/с²;

− коэффициент сопротивления дороги, соответствующий расчетной скорости движения автомобиля;

− ускорение свободного падения в м/с²;

− коэффициент учета вращающихся масс, определяемый по уравнению:

Для легковых автомобилей , для грузовых автомобилей и автобусов .

Полученные величины ускорения для всех передач автомобиля сводят в таблицу 12. Пользуясь ими строят график ускорения автомобиля.

Таблица 12 − Зависимость ускорения автомобиля от его скорости

						и т.д.

2.3.5 Время и путь разгона автомобиля

Время и путь разгона автомобиля можно определить: графоаналитическим (метод Яковлева, Чудакова и др.) и графическим методами (метод Ломоносова, Липеца, Лебедева и др.).

Графоаналитический метод, для которого требуется большее число построений и вспомогательных расчетов, дает более точные результаты и лучше отражает физическую сторону вопроса. Преимуществом графического метода является простота и быстрота всех построений.

Рассмотрим определение времени и пути разгона автомобиля по методу Н. А. Яковлева.

Время разгона определяют, зная ускорение и скорость автомобиля.

При ускоренном движении автомобиля ускорение равно:

Так как отсутствует аналитическая связь между ускорением и скоростью , то решение проводим графоаналитическим методом, пользуясь графиком ускорения автомобиля. Кривую ускорений разбивают на ряд интервалов, как показано на рисунке 3, и предполагают, что в каждом интервале скоростей автомобиль разгоняется с постоянным средним ускорением . Величину определяют по формуле:

где , − ускорения соответственно в начале и конце интервала скорости .

Рисунок 3 − Пример разбивки графика ускорения на интервалы

Для точности расчетов интервал скорости берут равным 2−3 км/ч на первой передаче, 10−15 км/ч - на высшей передаче и 5−10 км/ч − на промежуточных передачах.

Если взять интервал скоростей от , например, то среднее ускорение на этом участке равно:

Следовательно, время разгона в том же интервале изменения скорости определяется как:

Пользуясь полученным выражением, определяют время разгона и на всех других интервалах скоростей.

Общее время разгона составит:

Используя данные таблицы 12, расчетные величины вносят в таблицу 13.

Таблица 13 − Зависимость времени разгона от скорости

По значениям , определенным для различных скоростей, строят кривую времени разгона, начиная ее от значения , для которого . Для скорости откладывают значение ; для скорости − значение времени разгона и т.д. Время переключения передач при построении не учитывают.

Путь разгона зависит от скорости автомобиля и его времени разгона:

Тогда путь разгона, например, в интервале скоростей равен:

Пользуясь полученным выражением, рассчитывают путь разгона на всех выбранных интервалах, начиная с . Для последующих скоростей расчет пути разгона ведется аналогично времени разгона.