Calculation of traction characteristics of the car | Расчет тяговых характеристик автомобиля |

 Расчет тяговых характеристик автомобиля | 

Реферат

С. 20, рис. 1, табл. 1., формул 36, приложений 1.

Ключевые слова: тяговый расчёт, автомобиль, прототип, Mitsubishi Galant, двигатель, трансмиссия, внешняя скоростная характеристика, динамический фактор, тяговый баланс, мощностной баланс.

В этой работе проводится тяговый расчёт проектируемого автомобиля.

В первой части выбран автомобиль-прототип Mitsubishi Galant, а также дана его краткая техническая характеристика.

Во второй части проведены расчёты основных параметров двигателя – мощности и крутящего момента.

В третьей части работы проведены расчёты трансмиссии, в результате которых получены передаточные отношения ступеней по гиперболическому ряду, а также передаточное отношение главной передачи.

В четвёртой части работы проведена оценка полученных параметров двигателя и трансмиссии методами тягового баланса, мощностного баланса, а также оценка по динамическому фактору.

В заключение представлен анализ полученных результатов на основе оценки параметров по трём методам.

Графики полученных результатов, а также сводные таблицы результатов вынесены в приложение 1.

В результате работы были достигнуты положительные результаты – рассчитанные параметры двигателя и трансмиссии удовлетворяют техническому заданию, и позволяют достичь необходимых параметров производительности.




Ориентировочно полная масса легкового автомобиля может быть определена по формуле [1, стр. 6, ф. (1.1)]:

𝑚𝑎 = 𝑚0 + 75𝑛пас + 𝑚гр, (1)

где 𝑚𝑎 – масса снаряженного автомобиля, кг (принимаем равным 1300 кг), кг; 75 – масса одного пассажира, кг; nпас – число пассажиров, включая водителя (принимаемым равным показателю автомобиля-прототипа); mгр – масса багажа (принимаем равным 30 кг).

𝑚𝑎 = 1300+ 75 ∙ 5 + 30 = 1705 кг

 Шины рассчитываемого автомобиля примем 215/60R16.

Коэффициент полезного действия трансмиссии принимаем равным 0,92 согласно справочным данным для легковых автомобилей [1, стр. 6]. тр

Коэффициент обтекаемости назначается равным kв=0,4 Н∙ с2/м4 в соответствии с результатами исследований, приведённых в [1, с.7, табл.1].

Площадь лобового сечения автомобиля определяется с помощью формулы [1, стр. 7, ф.1.4]:

𝐹𝑎 = 𝑎𝐵𝐻, (1)

 где 𝐵 – ширина машины, м; 𝐻 – высота автомобиля, м; a – коэффициент заполнения площади (a = 0,78–0,8 – для легковых автомобилей; назначено a=0,8)

𝐹𝑎 = 0.8 ∙ 1.740 ∙ 1.415 ≈ 1.96 м2

1.2 Выбор характеристики двигателя

 Необходимая максимальная мощность двигателя Nev предварительно определяется по формуле [1, стр. 7, ф. 1.5]:

 𝑁𝑒𝑣 = 1/ 𝜂тр (9,8𝑚𝑎𝜓𝑣 *𝑣𝑚𝑎𝑥 /3.6 + 𝑘𝑒𝐹𝑎* 𝑣𝑚𝑎𝑥 3 /46,656) 10−3, (2)

 где – коэффициент сопротивления дороги; – максимальная скорость движения автомобиля км/ч. v max v

 Коэффициент сопротивления дороги определяется по эмпирической формуле:

 𝜓𝑣 = 𝑓𝑣 = 0.02 (1 + 𝑣𝑚𝑎𝑥 2 /1500) = 0.02 (1 + 55.55^2/1500) = 0.043, (3)

 где – максимальная скорость автомобиля в м/с. max v

Таким образом, подставляя результат вычислений по формуле (4) в формулу (3) получим необходимую максимальную мощность Nev:

 𝑁𝑒𝑣 = 1 /0,92 (9,8 * 1705 * 0,043 ∙ 200 /3.6 + 0,4 ∙ 1.96 ∙ 200^3 /46,656) ∙ 10−3 = 206.6602105

Максимальная мощность бензинового двигателя выражается из формулы С. Р. Лейдермана [1, стр. 8, ф. 1.7]:

𝑁𝑚𝑎𝑥 = 𝑁𝑒𝑣 (𝑛𝑚𝑎𝑥 /𝑛𝑁 ) + (𝑛𝑚𝑎𝑥/ 𝑛𝑁 )2 − (𝑛𝑚𝑎𝑥 𝑛𝑁 )3 , (5)

где nN – номинальная частота вращения вала, об/мин (принята аналогично автомобилю- прототипу 5000 об/мин).

Максимальная частота вращения коленчатого вала nmax определяется по формуле [1, стр. 8]:

𝑛𝑚𝑎𝑥 = 1,15𝑛𝑁 = 1,15 ∙ 6000 = 6900 об мин , (6)

По формуле (5) производится расчёт максимальной мощности бензинового двигателя:

𝑁𝑚𝑎𝑥 = 208 (6900 /6000) + (6900/ 6000)2 − (6900/6000)3 = 239.0016 кВт

График зависимости вала N e = f(n)  вычисляется с помощью уравнения С. Р. Лейдермана [1, стр. 9, ф. 1.8]:

𝑁𝑒𝑖 = 𝑁𝑚𝑎𝑥 [𝑎 (𝑛𝑖/ 𝑛𝑁) + 𝑏 ( 𝑛𝑖/ 𝑛𝑁)^2 − 𝑐 ( 𝑛𝑖/ 𝑛𝑁)^3] , (7)

где a, b, c – эмпирические коэффициенты зависящие от типа двигателя (для бензинового двигателя ); ni – текущее значение частоты вращения коленчатого вала, об/мин.

Минимальная частота вращения коленчатого вала nmin принята равной 800 об/мин согласно справочным данным [1, стр. 9].

Пример расчёта крутящего момента при 800 об/мин:

𝑁𝑒𝑖 = 239.0016* [( 800/ 6000) + ( 800/6000)2 − ( 800/ 6000)3] = 31.883 кВт

Результаты расчетов при остальных оборотах двигателя сведены в табл. П.. 1 приложения 1.

График зависимости крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала строится с использованием зависимости [1, стр. 9, ф. 1.9]:

Mei = 9.554*10^3*(Nei/ni);

Пример расчёта крутящего момента при 800 об/мин:

Mei = 366.7138 Н·м.

Результаты расчетов при остальных оборотах двигателя сведены в табл. П.1 приложения 1.

График внешней скоростной характеристики двигателя представлен в приложении 1 (рис. П1).

 

1.3 Выбор параметров трансмиссии

Передаточное число главной передачи коробки передач из условия обеспечения максимальной кинематической скорости автомобиля [1, стр. 10, ф. 1.10]:


где iвп – передаточное число высшей передачи коробки передач; vmax – максимальная скорость по заданию, км/ч; rк – радиус качения колеса, м.

Радиус качения колес rк определяется по формуле [1, стр. 10, ф. 1.11]:


где d0 – диаметр обода колеса; Bш – ширина профиля шины; ш – коэффициент деформации

(принят 0,87 [1, стр. 11]).

Согласно выбранному обозначению шины 215/60R16 97Q,

вышеуказанные величины будут равны: d0 = 306,8 мм (для 16 дюймов); Bш = 215мм; ш = 0,87

(согласно рекомендациям [1, c.11, табл.4]). После подстановки назначенных величин в формулу

(10), было получено следующее значение радиуса качения колеса rк.

rк= 0.3693

Подставляя в формулу (5) результата вычисления по формуле (6), получим:

i0 = 4.8033

Определение передаточного числа первой передачи исходя из условий:

1. Возможность преодоления автомобилем заданного максимального дорожного сопротивления [1, стр. 12, ф. 1.12]: 


i1= 2.5796

где – коэффициент суммарного дорожного сопротивления (принят 0,5); – максимальный крутящий момент двигателя (достигается на 2400 об/мин).

 

2. Возможности полной реализации сцепной массы автомобиля [1, стр. 12, ф. 1.13]:

i1= 3.8694

где – коэффициент сцепного веса автомобиля (для полноприводного автомобиля принят 1); – коэффициент сцепления шин с дорогой (для сухой дороги с асфальтовым покрытием принят 0,75). сц k

3. Обеспечение минимальной устойчивой скорости движения в заданных дорожных условиях [1, стр. 12, ф. 1.14]: min v

i1= 4.67377

 

где min v – принята 5 км/ч для автомобиля нормальной проходимости.

Т. к. передаточное отношение первой передачи i1 больше по третьему условию – то оно

принимается в качестве расчётного, т. о. 4,173 1 i .

Передаточное отношение промежуточных, 2, 3 и 5 ступеней КПП рассчитано по

гиперболическому ряду, как обеспечивающего лучшую динамику автомобиля на высоких

скоростях [2, стр. 18]:


где k – номер рассчитываемой передачи; n – номер прямой передачи (принят 4-й, потому что её передаточное число равно 1).

По формуле (10) рассчитаны передаточные отношения 2, 3 и 5 передачи:

 

для k = 2

i2= 2.0961

 

для k = 3

i3= 1.3540

 

для k = 5

i5= 0.7927

 

1.4 Оценка тягово-скоростных свойств автомобиля

 

Для проверки правильности выбора параметров двигателя и трансмиссии применим метод силового баланса. Уравнение силового баланса имеет вид [1, стр. 14, ф. 1.16]:

P T = P f+ P h+ P w+ P j

 

где P T– сила тяги развиваемая автомобилем; P f – сила сопротивления качению; P h – сила

сопротивления подъёму; P w – сила сопротивления воздуха; P j– сила сопротивления разгону.

Сила тяги P T (Н) рассчитана по формуле [1, стр. 14, ф. 1.17]:


где iКПП – передаточное число соответствующей ступени коробки передач.

Пример расчета силы тяги PT при n 800 об/мин на первой передаче:

PT= 21294H

Результаты расчёта силы тяги P T  при различных оборотах на каждой из 5-ти передач

представлены в приложении: табл. П.2, табл. П.3, табл. П.4, табл. П.5, табл. П.6.

Скорость движения автомобиля рассчитывается по формуле [1, стр. 14, ф. 1.18]:


Пример расчёта скорости движения автомобиля при n= 800  об/мин на первой передаче:

Vi= 4.9614 км/ч

Результаты расчёта скорости движения автомобиля при различных оборотах на каждой из 5-ти передач представлены в приложении: табл. П.2, табл. П.3, табл. П.4, табл. П.5, табл. П.6.

По результатам расчётов силы тяги P T  и скорости движения автомобиля на различных

оборотах на каждой из 5-ти передач, построен график зависимости P T f (v) представленный вприложении на рис. П.2.

 

Расчет суммарных сил сопротивления движению автомобиля для случая равномерного движения автомобиля по горизонтальной дороге с асфальтовым покрытием (т. е. сила сопротивления разгону P j   0, сила сопротивления подъёму P h 0,  ), производится по формуле [1, стр. 16, ф. 1.23]:


Сила сопротивления качению P f  определяется по формуле [1, стр. 16, ф. 1.19]:


где – угол подъёма дороги при движении автомобиля на подъёме; f v – коэффициент,

зависящий от скорости движения, определяется по формуле 3), вместо max v подставляется

текущее значение скорости автомобиля в м/с.

Пример расчёта силы сопротивления качению P f  на высшей передаче при

n  800 об/мин:


P f = 9.8* 1705* 0. 020.Cos0 ~ 334H

Результаты расчёта силы сопротивления качению P f на высшей передаче при различных

оборотах представлены в приложении табл. П.7.

Сила сопротивления воздуха w P определяется по формуле [1, стр. 16, ф. 1.22]:


где Vi– скорость движения автомобиля подставляется м/с.

Пример расчёта силы сопротивления воздуха Pw на высшей передаче при n= 800 об/мин:

 

Pw= 20H

 

Результаты расчёта силы сопротивления воздуха P w на высшей передаче при различных

оборотах представлены в приложении табл. П.7.

Пример расчёта суммарной силы сопротивления  P Σ  на высшей передаче при

n = 700об/мин:

 

P Σ = 334 + 20= 354H

 

Результаты расчёта суммарной силы сопротивления P Σ  на высшей передаче при

различных оборотах представлены в приложении табл. П.7. Кривая суммарной силы

сопротивления представлена в приложении рис. П.2.

Проверка достижимости максимальной скорости автомобилем проводится с помощью

уравнения силового баланса (11), при максимальных оборотах двигателя ( n =5770об/мин):

=2440 H

 

Уравнение баланса выполняется, следовательно, максимальная скорость, заданная по техническому заданию 200 км/ч достигается при данных параметрах двигателя и трансмиссии.

Это также видно при анализе графика рис. П.2. – кривая силы тяги PT на 4-й передаче сходится с

кривой суммарного сопротивления движению автомобиля P  (рассчитанной на той же 4-й

передаче), проведя проекцию которой на ось абсцисс, получается 200 км/ч.

Проведём проверку соответствия рассчитанных параметров двигателя и трансмиссии

методом мощностного баланса. Уравнение мощностного баланса имеет вид[1, стр. 16, ф. 1.24]:

где NT – мощность, подводимая к ведущим колесам автомобиля; Nf – мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления подъему; Nw – мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления воздуха; Nj – мощность, необходимая для разгона автомобиля.

Мощность передаваемая на ведущие колёса автомобиля NT определяется по формуле [1, стр. 16, ф. 1.25]:


где i v – скорость движения автомобиля подставляется м/с.

Пример расчёта мощности подводимой к колёсам автомобиля NT при n 800 об/мин на

первой передаче:

NT = 10.559кВт.

 

Результаты расчёта мощности подводимой к колёсам автомобиля NT при различных

оборотах на каждой из 5-ти передач представлены в приложении: табл. П.2, табл. П.3, табл. П.4,

табл. П.5, табл. П.6.

По результатам расчётов мощности подводимой к колёсам автомобиля NT  на различных

оборотах на каждой из 5-ти передач, построен график зависимости N T f (v) представленный в

приложении на рис. П.3.

Расчет мощности для преодоления суммарных сил сопротивления движению P

автомобиля для случая равномерного движения автомобиля по горизонтальной дороге с

асфальтовым покрытием (т. е. сила сопротивления разгону P j 0, следовательно и N j 0, сила

сопротивления подъёму P h 0, следовательно и N h 0), производится по формуле[1, стр. 18, ф. 1.29]:

Мощность необходимая для преодоления силы сопротивлению качению Nf определяется по формуле [1, стр. 16, ф. 1.26]:


i  – скорость движения автомобиля подставляется м/с.

Пример расчёта мощности подводимой к колёсам автомобиля Nf  на высшей передаче:

 

Nf = 1.662 кВт.

 

Результаты расчёта силы сопротивления воздуха w P на высшей передаче при различных

оборотах представлены в приложении табл. П.7.

Мощность необходимая для преодоления силы сопротивления воздуха Nw определяется

по формуле [1, стр. 16, ф. 1.28]:

 


где v i – скорость движения автомобиля подставляется м/с, ответ в Вт.

Пример расчёта мощности необходимой для преодоления силы сопротивления воздуха

Nw на высшей передаче:

 

Nw = 95.74 = 0.095

 

Результаты расчёта мощности необходимой для преодоления силы сопротивления

воздуха Nw на высшей передаче при различных оборотах представлены в приложении табл. П.7.

Пример расчёта мощности необходимой для преодоления суммарной силы

сопротивления на высшей передаче при n 800 об/мин:

 

N = 1.622+0.095=1.717

 

Результаты расчёта мощности необходимой для преодоления суммарной силы

сопротивления P на высшей передаче при различных оборотах представлены в приложении

табл. П.7. Кривая мощности необходимой для преодоления суммарной силы сопротивления

представлена в приложении рис. П.3.

Проверка достижимости максимальной скорости автомобилем проводится с помощью

уравнения мощностного баланса (18), при максимальных оборотах двигателя

( n 5570об/мин):

 

=135.42 кВт.

 

Уравнение баланса выполняется, следовательно, максимальная скорость, заданная по

техническому заданию 200 км/ч достигается при данных параметрах двигателя и трансмиссии.

Это также видно при анализе графика рис. П.3. – кривая силы тяги NT на 4-й передаче сходится с

кривой мощности необходимой для преодоления суммарного сопротивления движению

автомобиля P (рассчитанной на той же 4-й передаче), проведя проекцию которой на ось абсцисс,

получается 200 км/ч.

Для получения динамической характеристики рассчитаем динамический фактор D a по

формуле [1, стр. 18, ф. 1.30]:


где – вес автомобиля, Н, который вычисляется по формуле: Ga



Пример расчёта динамического фактора D a  при n 800 об/мин на первой передаче:

 

Ga = 1705* 9.8 = 16709H

 

D a  = 1.27

Результаты расчёта динамического фактора D a  при различных оборотах на каждой из 5-

ти передач представлены в приложении: табл. П.2, табл. П.3, табл. П.4, табл. П.5, табл. П.6.

По результатам расчётов динамического фактора и скорости движения автомобиля на

различных оборотах на каждой из 5-ти передач, построен график зависимости D a  = f (v)

Коэффициент масштаба для построения номограммы динамического фактора D a  ,

вычисляется по формуле [1, стр. 18, ф. 1.31]:

Comments