Создание новой машины – сложный и длительный процесс.

Методические указания по выполнению курсовой работы

«Тягово-динамический расчет автомобиля»

для студентов инженерного факультета по направлениям:

190600 – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

190700 «Технология транспортных процессов»

Тверь-2015

Рецензент:к.т.н., доцент зав. кафедрой ремонта машин и эксплуатации МТП Смирнов А.Ю.

Николаев А.В. Эксплуатационные свойства автомобиля:методические указания к выполнению курсовой работы «Тягово-динамический расчет автомобиля» для студентов инженерного факультета (направления 190600 и 190700)/А.В. Николаев – Тверь: Тверская ГСХА, 2015. - 23 с.

Методические указания содержат введение, порядок тягово - динамического и экономического расчета автомобиля и построения его динамической и экономической характеристик и справочные материалы, необходимые для выполнения курсовой работы.

Методические указания составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта и предназначены для студентов инженерного факультета, факультета по направлениям: 190600 – «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и 190700 - «Технология транспортных процессов» очной и заочной форм обучения.

Методические указания обсуждены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры технологических и транспортных машин и комплексов

«» 2015 года, протокол №.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию на

методической комиссии инженерного факультета «» 2015 года, протокол №.

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсовой работы является закрепление и углубление знаний студентов по основным вопросам теории эксплуатационных свойств автомобиля.

Выполняя курсовую работу, студент должен уметь для заданных условий произвести тяговый, динамический и экономический расчет автомобиля и построить его динамическую и экономическую характеристику. Курсовую работу выполняют в виде расчетно-пояснительной записки и графиков, оформляемых в соответствии с требованиями ЕСКД и ГОСТ 2.319-81.

Расчеты производят в единицах СИ.

Графическую часть выполняют на листах формата А4 по каждому разделу (масштабно-координатная либо писчая бумага).

Расчетно-пояснительная записка оформляется на стандартных листах формата А4 в текстовом редакторе MICROSOFT WORD шрифтом Times New Roman размер 14, межстрочный интервал 1,5.

Пояснительную записку начинают с введения, в котором необходимо указать цель тягового расчета автомобиля, показать пути совершенствования автотранспортных средств, сформулировать задачи курсовой работы и дать оценку роли автомобиля-прототипа в народном хозяйстве.

Основная часть пояснительной записки должна состоять из трех разделов:

-тяговый расчет автомобиля;

- расчет и построение динамической характеристики;

- расчет и построение экономической характеристики.

Исходные данные для тягового расчета и построения динамической и экономической характеристик автомобиля:

1. Прототип автомобиля ……………………………………….

2. Грузоподъемность ………. т

3. Число передач (вперед) z…………………………………….

4. Максимальная скорость движения на высшей передаче V_{max ……} км/ч

5. Приведенный коэффициент дорожного сопротивления ψ …..

6. Удельный расход топлива при номинальной мощности двигателя g_е……г/кВт∙ч .

1. ТЯГОВЫЙ РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЯ.

Создание новой машины – сложный и длительный процесс.

Первая стадия начинается с предпроектных поисковых исследований с последующей разработкой технического задания на проектирование новой машины.

На этих этапах устанавливают принципиальную возможность и целесообразность ее создания. Одной из задач, решаемых в эти периоды является построение теоретических динамической и экономической характеристик новой машины, с помощью которых расчетным путем определяют эксплуатационные режимы и экономическую эффективность от внедрения проектируемого автомобиля.

Построению теоретической динамической характеристики предшествует тяговый расчет автомобиля, целью которого является определение параметров двигателя и трансмиссии, обеспечивающих эксплуатационные свойства и технико-экономические показатели автомобиля в соответствии с заданными условиями или в соответствии с техническим заданием на его проектирование.

В общем случае техническое задание устанавливает:

- назначение и тип автомобиля;

- грузоподъемность (или пассажировместимость);

- максимальную скорость движения;

- тип двигателя;

- тип трансмиссии;

- колесную формулу;

- условия эксплуатации.

На основании данных технического задания до проведения тягового расчета определяют весовые и размерные показатели автомобиля, размеры шин, кпд трансмиссии, потери от сопротивления воздуха. Эти параметры и показатели, в основном, рассчитывают с учетом заданных условий и анализа

показателей и параметров автомобилей, близких по назначению к проектируемому.

При тяговом расчете автомобиля определяют:

- номинальную мощность двигателя;

- передаточное число главной передачи;

- передаточные числа трансмиссии и коробки передач;

- расчетные скорости движения на каждой передаче.

1.1 Определение полного веса автомобиля

Полный вес автомобиля:

G_a = G_гр + G_о + 750∙n + G_б , H (1.1)

где

G_гр –номинальная грузоподъемность, Н

G_о - собственный вес автомобиля, Н;

750 - вес одного человека, Н

n –число мест в салоне (кабине), включая водителя.

G_б – вес багажа (250…300 H).

Собственный вес автомобиля слагается из конструктивного (сухого) веса, веса топлива, технических жидкостей, запасного колеса (колес), инструмента, принадлежностей и технического оборудования.

Допускается определять собственный вес автомобиля по формуле:

G_о = G_гр / k_g , Н (1.2)

где

k_g - коэффициент использования грузоподъемности.

Рекомендовано принимать следующие значения коэффициента k_g :

для грузовых автомобилей

грузоподъемностью до 3 т =0,9-0,95

грузоподъемность с 3 до 8 т =1,0-1,1

грузоподъемностью более 8 т =1,1-1,25

для легковых автомобилей =0,2-0,4

1.2 Выбор шин

В общем случае выбор пневматических шин осуществляют в соответствии с типом автомобиля, условиями его эксплуатации, нагрузкой на колесо, руководствуясь соответствующими ГОСТ.

Нагрузку на ведущее колесо определяют по формуле:

λ_к∙ G_a / m , H (1.3)

где

λ_к - коэффициент нагрузки ведущих колес,

m - число ведущих колес,

G_a - полный вес автомобиля, Н.

В данной курсовой работе допускается принимать тип шин и их размеры в соответствии с прототипом автомобиля по заданию.

Для выбранных шин определяют расчетный радиус качения ведущих колес:

r_к = 25,4 ∙10^-3∙(0,5∙∙d + λ_ш∙h_ш) , м (1.4)

где

λ_ш - коэффициент деформации шины (при ориентировочных расчетах можно принять равным 0,93…0,935),

d - диаметр обода колеса, дюйм,

h_ш – высота профиля покрышки, дюйм.

1.3 Определение эффективной мощности двигателя

Потребную мощность двигателя, необходимую для равномерного движения полностью груженого автомобиля с установившейся максимальной скоростью в заданных дорожных условиях, определяют по формуле:

, кВт (1.5)

Здесь:

V _max - максимальная скорость движения автомобиля, км/ч

η_тр - к.п.д. трансмиссии

k_w - приведенный коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), H∙c²/м⁴,

F_w - площадь лобового сопротивления (миделево сечение), м²,

G_a - полный вес автомобиля, Н

ψ - коэффициент дорожного сопротивления.

При расчетах принимают следующие значения коэффициента сопротивления воздуха k_w:

Автомобили:

Легковые 0,15…0,35

Грузовые 0,5…0,7

Автобусы 0,25…0,4

Автопоезда 0,55…0,95

Площадь лобового сопротивления:

F_w = α_з∙Н∙В , м² (1.6)

где

α_з - коэффициент заполнения площади,

Н – габаритная высота автомобиля, м

В – габаритная ширина автомобиля, м

Можно принимать следующие значения коэффициента α_з:

Для легковых автомобилей 0,78…0,80,

Для грузовых автомобилей 0,80…0,90.

КПД трансмиссии равен произведению КПД механизмов,входящих в ее состав:

η_тр =η_к η_кар η_{г ,} (1.7)

где η_к , η_кар , η_г – КПД соответственно коробки передач, карданной передачи и главной передачи.

При расчетах принимают следующие значения КПД механизмов:

Коробка передач:

прямая передача …………………………..0,98…0,99

понижающая (повышающая) передача ….0,94…0,96

Карданная передача ………………………...0,97…0,98

Главная передача:

одинарная…………………………………. 0,96…0,97

двойная …………………………………….0,92…0,94

1.4 Расчет и построение скоростной характеристики двигателя

Для выполнения полного расчета необходимо построить внешнюю скоростную характеристику двигателя, для чего определяют максимальную мощность N_max и ее текущие значения N_ei при различных величинах частоты вращения коленчатого вала.

Максимальную мощность двигателя подсчитывают по формуле:

(1.8)

где (С₁; С₂; С₃ – эмпирические коэффициенты,

Для карбюраторных двигателей С₁=С₂=С₃=1

Для дизелей С₁=0,53 С₂=1,56 С₃=1,09

λ = n_v / n_{N ,} (1.9)

где: n_v - частота вращения вала двигателя при максимальной скорости движения автомобиля, мин^-1

n_N -частота вращения вала двигателя при номинальной (максимальной) мощности двигателя, мин^-1(выбирают по двигателю-прототипу).

Для бензиновых двигателей λ = 1,05…1,1

Для дизелей и бензиновых двигателей с ограничителем частоты вращения λ = 1.

Характеристика строится в интервале частот вращения

от n_min=500 мин^-1 (дизель), 1000 мин^-1 (бензин) до n_v.

Текущие значения мощности определяют по формуле:

, (1.10)

где n_ei - произвольное, в пределах рабочей зоны, значение частоты вращения вала двигателя, мин^-1.

Значения эффективного крутящего момента М_е определяются при тех же значениях частоты вращения коленчатого вала по формуле:

, Н∙м (1.11)

Эффективный удельный расход топлива определяют по формуле:

, г/кВт∙ч (1.12)

g_N - эффективный удельный расход топлива на номинальном режиме (при N_{e max}) (принимают по заданию), г/квт.ч,

g_ei - эффективный удельный расход топлива при N_ei, г/квт.ч.

d - эмпирический коэффициент, зависящий от типа двигателя.

Для бензиновых двигателей d = 1,2; для дизелей d = 1,55.

При построении внешней скоростной характеристики двигателя по оси абсцисс откладывают как частоту вращения вала двигателя, так и скорость автомобиля на высшей передаче, используя формулу коэффициента оборотности η_о :

η_о = n_v / V_max (1.13)

Рассчитанное значение η_о одинаково во всем диапазоне частоты вращения вала двигателя и скорости движения автомобиля для конкретной передачи.

Используя формулу (1.13) можно по известным значениям скорости движения автомобиля определить для конкретной передачи соответствующую частоту вращения вала двигателя и наоборот.

Построение внешней характеристики двигателя проводят в следующей последовательности:

1. Определяют по формулам (1.5) и (1.8) значения N_v и N_max

2. Произвольно, в пределах рабочей зоны, через равные промежутки, выбирают значения n_ei (6-8 значений). В эти значения должны входить n_v, n_N и n_max.

3. Для выбранных значений n_ei определяют скорости движения (используя формулу 1.13), а по формулам (1.10), (1.11), (1.12) определяют величины N_ei, M_ei, g_ei.

Результаты расчетов заносят в таблицу 1.1 и по ним строят внешнюю скоростную характеристику двигателя.

Таблица 1.1– Показатели скоростной характеристики двигателя

№	n , мин-1	Nе , кВт	Mе , H∙м	ge, г/кВт∙ч

На регуляторной ветви характеристики дизеля принимают изменения мощности N_e , крутящего момента M_e по закону прямой линии.

При этом частоту вращения на холостом ходу, когда N_e = 0 , определяют из выражения:

n_max=n_N∙(1,07…1,08) (1.14)

Пример построения характеристики карбюраторного двигателя приведен на рисунке 1.1 (а), дизеля на рисунке 1.1(б).

(a)

(б)

Рисунок 1.1 – Скоростные характеристики двигателей

1.5 Определение передаточного числа главной передачи

Передаточное число главной передачи существенно влияет на тягово-динамические и экономические показатели автомобиля, его определяют по формуле:

(1.15)

где i_к - передаточное число коробки передач на высшей передаче.

Если наивысшая передача прямая, то i_к = 1, если имеет место ускоряющая передача, то i_к = 0,5…0,8.

Для полноприводных, специальных, сельскохозяйственных автомобилей и автобусов i_о увеличивают на 10…20% по сравнению с базовой моделью с целью обеспечения запаса мощности двигателя для преодоления дополнительных сопротивлений, часто встречающихся на тяжелых дорогах.

Для маломонтажных автомобилей и при ограниченной мощности двигателя i_о также повышают на 8…10%.

Рассчитанное передаточное число главной передачи с учетом указанных условий следует сопоставить с величиной i_о автомобиля-прототипа.

1.6 Определение передаточных чисел в коробке передач

Вначале определяют передаточное число коробки передач на первой передаче i_к1, при этом передаточное число должно удовлетворять следующим условиям:

- обеспечить преодоление заданного максимального дорожного сопротивления,

- обеспечить реализацию касательной силы тяги при передаче максимального крутящего момента двигателя по сцеплению.

Первое условие будет выполнено, если максимальная касательная сила будет равна

(1.16)

откуда

(1.17)

Второе условие будет обеспечено, если

(1.18)

откуда

(1.19)

где G - вес автомобиля, Н

ψ_max - (заданный) коэффициент дорожного сопротивления,

r_к - радиус качения ведущего колеса, м

λ - коэффициент нагрузки ведущих колес ( = 0,75),

φ_max - коэффициент сцепления ведущих колес с опорным основанием (дорогой), η_тр - КПД трансмиссии.

Таким образом, передаточное число первой ступени коробки передач должно лежать в пределах, обусловливающих преодоление автомобилем максимального дорожного сопротивления и отсутствие буксования ведущих колес.

Общее передаточное число трансмиссии на первой передаче равно

i_тр1 = i_o∙ i_к1 (1.20)

Передаточные числа промежуточных передач КПП определяют из условия распределения их по закону геометрической прогрессии, для которого справедливы следующие соотношения:

(1.21)

откуда

; ; или

Знаменатель геометрической прогрессии определяется из выражения

(1.22)

где z - число передач,

i_кпz - передаточное число на высшей передаче.

Если высшая передача прямая i_кпz=1 , то

(1.23)

Таким образом могут быть найдены передаточные числа коробки передач на всех передачах.

Зная передаточные числа коробки передач и главной передачи, определяют передаточные числа трансмиссии по формуле:

i_трi = i_кi∙i_o

После этого определяют скорость движения автомобиля по передачам, используя выражение

, км/ч (1.24)

2 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ

ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЯ

Динамической характеристикой называют графическую зависимость динамического фактора от скорости движения автомобиля на различных передачах.

Динамический фактор представляет собой отношение избыточной касательной силы тяги к весу автомобиля

(2.1)

Таким образом величина динамического фактора зависит от характера протекания кривой крутящего момента двигателя М_к , передаточного числа трансмиссии i_тр , скорости движения автомобиля V , и его веса G_a.

Для получения данных, необходимых для построения теоретической динамической характеристики автомобиля, проводят расчеты в следующей последовательности:

1. Принимают выбранные при построении скоростной характеристики двигателя значения частот вращения коленчатого вала – n_ei.

2. Для этих значений частоты вращения коленчатого вала подсчитывают величины скоростей движения автомобиля на каждой передаче по формуле (1.24) и величины касательных сил тяги по формуле:

, H (2.2)

Величину M_кi при каждом значении частоты вращения коленчатого вала определяют по ранее построенной внешней скоростной характеристике двигателя (рисунок 1.1).

3. Подсчитывают значения силы сопротивления воздуху

, H (2.3)

Полученные в результате расчета данные заносят в таблицу.

Таблица 2.1– Исходные данные для построения динамической характеристики

Передача	Расчет. точка	n. мин-1	V. км/ч	Мк, Н∙м	Рк, Н	Рw, Н	D
І
…
V

Общий вид динамической характеристики приведен на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 – Общий вид динамической характеристики

3 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ

ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЯ

Топливную экономичность автомобиля принято оценивать расходом топлива в литрах на 100 км пройденного пути.

Для лучшего представления об экономичности автомобиля строят графики, показывающие зависимость расхода топлива автомобиля на 100 км пробега от скорости движения для различных дорожных условий. Такую графическую зависимость называют экономической характеристикой автомобиля.

Теоретическую экономическую характеристику строят для условий равномерного прямолинейного движения автомобиля. В курсовой работе принимают движение автомобиля на дороге, характеризующейся приведенным коэффициентом дорожного сопротивления движению с полной нагрузкой на прямой передаче.

Расчет показателей для построения экономической характеристики автомобиля производят в следующей последовательности:

1. Для данных, используемых при расчете и построении внешней скоростной характеристики двигателя, определяют скорость движения автомобиля на прямой передаче по формуле

(3.1)

2. Мощность двигателя N_еi потребная для движения в заданных дорожных условиях, определяемых коэффициентом ψ, определяют по ранее приведенной формуле

(3.2)

3. Удельный расход топлива g_ei является величиной переменной, зависящей от скоростного и нагрузочного режимов двигателя, и может быть определен из уравнения

, (3.3)

где g_е(Nemax) - удельный расход топлива при максимальной мощности двигателя (определяется по внешней скоростной характеристики двигателя),

k_n^’- коэффициент, учитывающий влияние на величину g_ei скоростного режима работы двигателя,

k_N^’’- коэффициент, учитывающий влияние на величину g_ei нагрузочного режима работы двигателя.

Коэффициент k_n определяется в зависимости от отношения n_e/n_N частот вращения коленчатого вала двигателя при текущем и максимальном значениях мощности:

n_e/n_N 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

k_n^’… 1,05 1,02 0,98 0,96 0,94 0,95 0,96 1,0 1,06

Коэффициент k_N определяетcя в зависимости от степени использования мощности двигателя N_ei/N_emax.

N_ei/N_emax…0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

k_N (бенз.) 2,0 1,70 1,54 1,35 1,20 1,10 0,96 0,88 1,00

k_N (дизель) 1,50 1,38 1,25 1,12 1,09 1,06 1,00 1,00 1,00

Величины коэффициентов k_n^’ и k_N^’’ могут быть также найдены по специальным графикам, представленным на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Тарировочные кривые для определения коэффициентов

4. По полученным значениям g_ei и N_ei для различных скоростей движения на высшей передаче автомобиля определяют расход топлива па 100 км пути по формуле

, л/100км (3.4)

где γ_т - плотность топлива, кг/л; для бензина γ_т=0,725кг/л

γ_т=0,825кг/л для дизельного топлива

5. Аналогично производят расчет расхода топлива на 100 км пробега для других дорожных условий, определяемых коэффициентом Ψ:

Ψ₁ = Ψ – 0,15 Ψ

Ψ₂ = Ψ + 0,15 Ψ

Полученные расчетные данные заносятся в таблицу

Таблица 3.1 - Расчетные данные для построения экономической характеристики

ψ	n. мин-1	V. км/ч	ne/nN	kn	Nei кВт	Nei/Nemax	kN	ge кВт∙ч	Qs л/100км
ψ
Ψ1
Ψ2

По табличным данным строится экономическая характеристика автомобиля

Q_s = ƒ (V_a) для заданных дорожных условий (Ψ_, Ψ₁,Ψ₂).

Примерный вид экономической характеристики приведен на рисунке 3.2.

В заключении необходимо провести краткий анализ полученных характеристик.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 1 - Краткая техническая характеристика грузовых автомобилей

Показатели     Марка автомобиля

Грузоподъемность, кг

Колесная формула

Полная масса, кг

Габаритные размеры, мм

Дорожный просвет, мм

Двигатель

Максимальная мощность, кВт

Частота вращения (при макс. мощности) мин-1

Максимальный крутящий момент, Н∙м

Частота вращения (при макс. моменте) мин-1

Размер шин

Передаточное число главной передачи

Ширина

Высота

Максимальная скорость км/ч

Марка

Тип

УАЗ

4х4

УМЗ – 4215С

Б

80,9

2200-

8,40 - 15

4,625

4х4

ГАЗ

4х2

ЗМЗ - 4063

Б

80,9

185/75R16 (195/75R16)*

5,125

4х4

4х2

4х4

66.11

4х4

ЗМЗ – 66.06

Б

88,5

284,5

12,0 - 18

6,83

4х2

ЗМЗ – 53-11

Б

88,5

284,5

2000-

240R508

6,17

ЗИЛ

131Н

6х6

ЗиЛ -508.10

Б

1800-

12,0 - 20

7,339

4х2

260R508

6,33

ЗиЛ - 645

Д

260R508

5,29

ЗиЛ -508.10

Б

1800-

260R508

6,33

.Д-245.9 Е2

Д

225/75R16

3,273

Продолжение таблицы 1

КАМАЗ

6х6

КАМАЗ - 740

Д

1400..

400R533

7,22

6х4

260R508

6,53

6х4

6х4

6х4

4х2

КАМАЗ-74006.10

Д

1500..

300R508

6,53

4х2

МАЗ

4х2

ЯМЗ - 236

Д

132,4

300R508

7,14

4х2

ЯМЗ – 238.13

Д

4,89

4х2

ЯМЗ - 236

Д

132,4

1200..

320R508

7,14

4х2

Урал

6х6

КАМАЗ - 740

Д

1400..

370R508

7,32

6х6

* - для автомобилей 4х4

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Вахламов В.К. Автомобили: Конструкция и эксплуатационные свойства: учеб.пособие / В. К. Вахламов. - М. : Академия, 2009, - 480 с.

2. Вахламов В.К. Автомобили. Эксплуатационные свойства: учебник для вузов / В. К. Вахламов. - М.: Академия, 2005.- 240с.