3 Тягово-экономический расчет автомобиля с механической трансмиссией

3.1 Определение массы автомобиля

Собственная масса автомобиля в снаряженном состоянии, т:

m₀ = m_г  k_г, (3.1)

где m_г - номинальная грузоподъемность, т (по заданию);

k_г - коэффициент снаряженной массы (принимаем по рисунку 4 методического указания) /5, страница 14/.

Принимаем k_г=0.7.

Подставляем исходные данные в формулу (3.1):

m₀ =0.8·4=3.2 т.

Полная масса автомобиля, т:

m = m₀ + m_г=3.2+4=7.2 т. (3.2)

3.2 Определение мощности двигателя

Мощность двигателя N_н (кВт) должна быть достаточной для обеспечения движения с максимальной скоростью V (м/с) по дороге с заданным коэффициентом сопротивления движению при полном использовании грузоподъемности автомобиля:

, (3.3)

, (3.4)

где N_п- потребная мощность;

k_з - коэффициент запаса мощности (k_з = 1,05...1,1);

F - площадь лобовой поверхности автомобиля, м²;

V –максимальная скорость автомобиля, по заданию V_max=100 км/ч=27.78 м/с.

k – коэффициент обтекаемости;

Значением к.п.д. трансмиссии проектируемого автомобиля задаемся исходя из прототипа. Для автомобилей с одинарной главной передачей его значение находится в пределах 0,88...0,92, с двойной или разнесенной главными передачами – 0,82...0,85 и для автомобилей повышенной проходимости – 0,78...0,82. Принимаем η=0,82.

Коэффициент обтекаемости k для грузовых автомобилей составляет 0,4...0,5

/1, страница 128/. Принимаем k=0.5 исходя из того, что автомобиль не имеет никаких элементов, повышающих его аэродинамику.

В качестве прототипа принимаю автомобиль ГАЗ-66, который также имеет повышенную проходимость, как и проектируемый автомобиль.

Для выбранного прототипа F=4,4 м².

В качестве двигателя-прототипа принимаю отечественный дизельный двигатель ЗИЛ-645, который имеет наиболее близкую мощность и частоту вращения (103 кВт и 2800 об/мин /5/). Выбранный двигатель имеет удельный расход топлива 238 г/кВт∙ч.

3.3 Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

Предварительно определяем параметры нижеперечисленных характерных

точек режимов работы двигателя.

3.3.1 Номинальный режим:

Номинальная мощность двигателя определяется по формуле (3.3).

Угловая скорость коленчатого вала (с ^-1) по формуле:

(3.5)

Крутящий момент двигателя при номинальной мощности, кНм:

(3.6)

Часовой расход топлива, кг/час:

G_т = g_еN_н10^-3 =238105.610^-3 =25.1 кг/час. (3.7)

3.3.2 Режим холостого хода (регуляторная ветвь):

Угловая скорость холостого хода зависит от степени неравномерности

регулятора _р (у современных тракторов _р =0,07...0,08):

_хх = (1 + _р) _н. (3.8)

Степень неравномерности регулятора зависит от заданного агрофона или

условий движения. Если условия движения сложные (частые подъемы и спуски, тяжелые условия пахоты), то надо принимать большее значение степени неравномерности регулятора (тогда диапазон регуляторной ветви будет шире). А

если условия движения нормальные, то значение степени неравномерности следует

принять меньшим.

_хх = (1 + _р) _н=(1 + 0.08) 293=316 .

Эффективная мощность и крутящий момент при этом равны нулю.

Часовой расход топлива на холостом режиме работы зависит от механического к.п.д. двигателя и находится в пределах G_{т хх} =(0,25...0,3)  G_т.

Коэффициент при этом принимается исходя из размеров выбранного прототипа двигателя. Чем большие размеры он будет иметь, тем больший будет часовой расход топлива на холостом режиме.

G_{т хх} =(0,25...0,3)  G_т =(0,25...0,3)  25.1=6.8 кг/час.

3.3.3 Корректорная ветвь:

Расчет эффективной мощности производится по формуле С.Р.Лейдермана /1/:

(3.9)

где _е и _н – соответственно текущее значение угловой скорости вращения

коленчатого вала (задаются 5...6 значениями _е в пределах от _мин до _н) и значение при номинальной мощности двигателя, с^-1;

С₁ и С₂ - коэффициенты, зависящие от типа двигателя и способа смесеобразования, С₁ = 0,87 и С₂ =1,13 - для дизелей с неразделенными камерами сгорания /5/.

При расчетах минимальная угловая скорость принимается для дизелей

_мин = 40...80 с^-1 /5/.

Остальные значения рассчитываем аналогично и результаты заносим в таблицу 5.

Крутящий момент двигателя, кН·м:

(3.10)

Остальные значения рассчитываем аналогично и результаты заносим в таблицу 5.

Удельный расход топлива, г/(кВтч):

(3.11)

где g_eн - удельный расход топлива при номинальной мощности.

Остальные значения рассчитываем аналогично и результаты заносим в таблицу 5.

Часовой расход топлива, кг/ч:

G_т = N_е  g_e 10^-3, (3.12)

Остальные значения рассчитываем аналогично и результаты заносим в таблицу 5.

Результаты расчетов заносим в таблицу 1, по данным которой строим

регуляторную характеристику.

Таблица 5 Регуляторная характеристика двигателя автомобиля

n, мин-1	, с-1	Ne, кВт	Мк, Нм	ge, г/кВтч	Gт, кг/ч
560	58,6	22,3	381	305	6,8
1120	117,2	49	418	259	12,7
1680	175,8	75,3	428	233	17,5
2240	234,5	95,8	409	226	21,7
2800	293	105,6	360	238	25,1
3019	316	-	-	-	6,8

4. Выбор шин автомобиля и определение радиуса качения ведущего колеса

Нагрузку на ведущие и ведомые колеса G_к (кН) автомобиля рекомендуется выбрать одинаковой, с целью максимального использования несущей способности шин:

G_к = m  g / n_к, (3.13)

где n_к - общее число колес автомобиля.

кН.

Нагрузка на заднюю ось G_к^’ рассчитывается в режиме трогания с места:

(3.14)

где m_р - коэффициент перераспределения массы автомобиля на заднюю ось при разгоне (m_р = 1,2...1,3 ) /3, страница 15/.

m_к - число колес на одной ведущей оси.

Принимаем m_р=1.3, исходя из того, что автомобиль имеет большую массу; m_к=2.

кН.

Для G’ должно соблюдаться условие , где - допустимая осевая нагрузка. Для улучшенной и грунтовой категории автомобильных дорог и расстоянии между смежными осями менее 3 м =55 кН /3, страница 16/.

Условие кН соблюдается.

По величине G_к :

Нагрузка на шину – 18 кН,

Внутреннее давление – 0.50 МПа,

Размер шины – 260-508 мм,

Норма слойности – 12 /5, приложение В/.

Радиус качения ведущих колес рассчитывается по формуле (2.13):

r_к = (0,5  d + 0,8  b)  10^-3,

где d и b - соответственно диаметр обода и ширина профиля шины, мм.

r_к = (0,5  508 + 0,8  260)  10^-3=0.462 м.

3.5 Определение передаточных чисел трансмиссии

Передаточное число главной передачи равно:

(3.15)

где i_z - передаточное число высшей передачи (принимается i_z =1 ).

Расчет передаточных чисел коробки передач начинается с определения передаточного числа i_к1 первой передачи. Оно выбирается из условия возможности движения при заданном сопротивлении и отсутствии буксования ведущих колес:

> > , (3.16)

где P_кφ - максимальная касательная реакция на ведущих колесах, реализуемая по условиям сцепления;

P_к- касательная (окружная) сила, передаваемая от двигателя на ведущие колеса;

Р_ψ- сила суммарного дорожного сопротивления.

Р_к и P_кφ определяются по формулам:

(3.17)

Р_кφ = . (3.18)

Из условия возможности движения при заданном сопротивлении:

(3.19)

а из условия отсутствия буксования ведущих колес при трогании автомобиля с места Р_к > Р_к.:

(3.20)

где D_мах - максимальный динамический фактор на первой передаче (при равномерном движении он равен максимальному дорожному сопротивлению ψ_мах); D_мах принимается 0,35...0,50 - для автомобилей повышенной проходимости и 0,30...0,40 - ограниченной проходимости;

Значение максимального динамического фактора принимается, исходя из мощности двигателя и, как следствие, способности автомобиля преодолевать дорожные сопротивления. Чем больше мощность двигателя, тем большее значение максимального фактора.

М_к.мах - максимальный крутящий момент двигателя, кНм (определяется по скоростной характеристике двигателя);

G_сц - сцепной вес автомобиля, кН (для автомобилей ограниченной проходимости G_сц = m g λ_к , а при повышенной проходимости G_сц =mg);

φ=0,3..0,35 (для снежной укатанной дороги)/2, страница 35/. Принимаем φ=0,3.

Определяем сцепной вес автомобиля:

G_сц =7200∙9.81∙10^-3=70,63 кН.

Принимаю D_мах=0.4 (исходя из того, что дорожное автомобиль будет преодолевать не самые большие дорожные сопротивления ).

Подставляю исходные значения в формулу (3.19):

Подставляю исходные значения в формулу (3.20):

Для дальнейших расчетов принимается большее значение. В данном случае i_к1=7,63.

Рассчитываем передаточные числа промежуточных передач. Для этого по формуле (2.16) нахожу знаменатель геометрической прогрессии:

По формуле (2.17) нахожу промежуточные передачи:

i _к2=q· i₁=0.5080∙7,63=3,88,

i _к3=q· i₂=0. 5080·3,88=1,97,

i _к4=q· i₃=0.5080·1,97=1,0.

3.6 Определение динамического фактора автомобиля

Динамический фактор определяется по формуле:

, (3.21)

где P_w – сила сопротивления воздуха, кН.

Сила сопротивления воздуха:

, (3.22)

где V_i – скорость движения автомобиля на первой передаче, м/с.

Скорость движения автомобиля на первой передаче:

, (3.23)

где i_тр1- передаточное число трансмиссии на первой передаче:

м/с.

Определяю силу сопротивления воздуха:

кН.

По формуле (3.17):

кН.

Остальные значения рассчитываем аналогично и результаты заносим в таблицу 6.

Подставляю исходные данные в формулу (3.21):

Остальные значения рассчитываем аналогично и результаты заносим в таблицу 5.

Динамическая характеристика автомобиля на первой передаче зависит от крутящего момента и от частоты вращения коленчатого вала (угловой скорости). Результаты расчетов представлены в таблице 6.

Таблица 6 Динамическая характеристика автомобиля

iтр	ne, мин-1	е, с-1	V, км/ч	Рк, кН	Рw, кН	D
	560	58,6	2,6	25,11	0,001	0,356
	1120	117,2	5,2	27,63	0,004	0,391
	1680	175,8	7,9	28,25	0,011	0,4
	2240	234,5	10,5	26,97	0,019	0,382
	2800	293	13,1	23,7	0,029	0,336

При равномерном движении D=ψ, в этом случае динамический фактор определяет дорожное сопротивление ψ, которое может преодолеть автомобиль на соответствующей передаче при определенной скорости движения.

Динамический фактор D_ по сцеплению определяется по формуле:

, (3.24)

D_ определяется для коэффициента сцепления , равного 0,2; 0,4; 0,6. Сила Р_w при этом рассчитывается для условий движения на прямой передаче от V_мин до V_мах с выбранным интервалом. Полученные значения наносятся на динамическую характеристику в виде штриховых линий D_ = f(V). Зона возможного движения при заданном  располагается под соответствующей кривой.

.

Результаты расчетов представим в виде таблицы 7.

Таблица 7 Характеристика автомобиля по динамическому фактору сцепления.

	V, м/c						φ
	6.3	11.4	16.4	21.5	25.3	27.8
Dφ	0.199	0.196	0.192	0.186	0.180	0.176	0,2
	0.399	0.396	0.392	0.386	0.380	0.376	0,4
	0.599	0.596	0.592	0.586	0.580	0.576	0,6

3.7 Построение динамического паспорта автомобиля.

Динамический паспорт автомобиля представляет собой зависимость динамического фактора от скорости (динамическую характеристику), дополненную кривыми динамического фактора по сцеплению и номограммами недогрузки и перегрузки.

Номограмма недогрузки и перегрузки строится на основании зависимости:

(3.25)

где D`и m`- новые значения соответственно динамического фактора и массы автомобиля;

D - динамический фактор при номинальной (полной) массе.

Новый масштаб динамического фактора при изменении массы автомобиля:

. (3.26)

Номограмму нагрузок для грузовых автомобилей следует построить от массы равной m₀ до массы m₀ + 1,5m_г в процентах от массы груза.

При массе m₀:

.

При массе m₀+1,5m_г :

Таблица 8 Вводимые в ЭВМ параметры

Наименование параметров

Значения

Номинальная грузоподъемность mг, т Коэффициент снаряженной массы kг Коэффициент нагрузки ведущих колес к Максимальная скорость Vмах, км/ч Максимальный динамический фактор Dмах Коэффициент суммарного сопротивления дороги ψv Коэффициент обтекаемости, k Площадь лобовой поверхности F, м2 КПД трансмиссии тр Коэффициент запаса мощности kз Частота вращения к.в. двигателя (5...6 точек от nмин до nн), мин-1 Номинальный эффективный расход топлива gен г/(кВтч) Число колес nк Посадочный диаметр обода d, мм Ширина профиля шины в, мм Коэффициент сцепления  Число передач z

4 0.8 1 100 0.4 0.018 0.5 4,4 0.82 1.05 560,1120, 1680,2240, 2800 238 4 508 260 0,3 4

3.8 Расчет топливной экономичности автомобиля

Расход топлива на 100 км пути находится по выражению, л:

(3.27)

где N_еп - мощность в кВт, развиваемая двигателем в рассматриваемых условиях;

g_e - удельный расход топлива в г/(кВтч);

 - плотность в кг/л; для бензина  = 0,75 кг/л; для дизельного топлива  = 0,85 кг/л;

Упрощенно N_еп можно определить по формуле:

(3.28)

3.9 Анализ динамических и экономических качеств автомобиля

Тип автомобиля – повышенной проходимости;

Колесная формула - 4×4

Полная масса – 7,2 тонны;

Масса снаряженного автомобиля – 3,2 тонны;

Грузоподъемность – 4 тонны;

Максимальная скорость – 100 км/ч;

Площадь лобового сопротивления – 4,4 м²

Радиус качения колеса – 508 мм;

Ширина профиля шин – 260 мм;

Максимальный крутящий момент 428 Нм при частоте вращения коленвала 1680 об/мин.

Двигатель:

Тип – дизель;

Количество цилиндров и их расположение – 8V;

Диаметр цилиндра и ход поршня - 130×140 мм;

Номинальная мощность – 105,6 кВт;

Частота вращения коленвала – 2800 мин^-1

Номинальный удельный расход топлива – 238 г/кВт∙ч;

Коробка передач – 4-ступенчатая.

По динамическому паспорту можно определить наибольшие дорожные сопротивления, которые сможет преодолеть автомобиль на той или иной передаче с равномерной скоростью движения:

1 передача – ψ_max=0.40 при V_max=7,9 км/ч;

2 передача – ψ_max=0.203 при V_max=15,5 км/ч;

4 передача – ψ_max=0.101 при V_max=30,5 км/ч;

5 передача – ψ_max=0.047 при V_max=40 км/ч.

Для порожнего автомобиля ψ_max=0.9.

Передаточные числа трансмиссии:

1 передача – 37,16;

2 передача – 18,90;

3 передача – 9,59;

4 передача – 4,87.