Тяговый и динамический расчет автомобиля ВАЗ-2105 - курсовая работа

Введение

Данная курсовая работа предназначена для закрепления знаний студентов по дисциплинам "Теория движения автомобиля", "Автомобили" (ч, 2) и "Технические средства и их эксплуатационные свойства".

При выполнении курсовой работы производится анализ тягово-скоростных и топливно-экономических свойств автомобиля ВАЗ-2105. При анализе тягово-скоростных и топливно-экономических свойств используются данные технических характеристик заданного автомобиля. Характеристики автомобиля ВАЗ-2105 сведены в таблицу 1.

Таблица 1 Технические характеристики автомобиля ВАЗ-2105

Перечень необходимых для расчета величин технической характеристики автомобиля, их обозначение и размерность приводятся в таблице 2, которую составляем на основе таблицы 1.

Таблица 2 Краткая техническая характеристика автомобиля ВАЗ-2105 (параметры автомобиля необходимые для выполнения курсовой работы)

По таблице 1.2 анализируются ее показатели и выбираются необходимые исходные данные для выполнения курсовой работы.

1. Тяговый расчет автомобиля

Задачей тягового расчета является определение характеристик двигателя и трансмиссии, обеспечивающих требуемые тягово-скоростные свойства автомобиля и его топливную экономичность в заданных условиях эксплуатации.

1.1 Определение полной массы автомобиля

Полная масса автомобиля определяется следующим образом:

где m_o – масса снаряженного автомобиля: m_o = 955 кг;

m_ч – масса водителя или пассажира: принимаем m_ч = 78 кг;

m_б – масса багажа из расчета на одного пассажира: m_б = 10 кг;

n_п – количество пассажиров, включая водителя: n_п = 5 чел..

1.2 Распределение полной массы по мостам автомобиля

При распределении нагрузки по осям легкового автомобиля с передним расположением двигателя и задним ведущим мостом на задний мост приходится 52-55% полной массы автомобиля.

Принимаем, что на более нагруженный задний мост приходится 54% полной массы. Тогда на передний мост приходится 46% полной массы.

Определим полный вес автомобиля:

Определим вес, приходящийся на переднюю ось автомобиля:

Определим вес, приходящийся на заднюю ось автомобиля:

1.3 Подбор шин

При выборе шин исходным параметром является нагрузка на наиболее нагруженных колесах. Наиболее нагруженными являются шины заднего моста. Определяем нагрузку на одну шину:

где n – число шин одного моста: n = 2.

Из ГОСТ 4754 – 97 «Шины пневматические для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости» принимаем шину 175/70R13.

Определяем посадочный диаметр обода d, наружный диаметр D_н и статический радиус колеса r_ст :

где k_ш – H/B (H и B – высота и ширина профиля): для шины 175/70R13 k_ш = 0,7;

B = 175 мм;

где λ_см – коэффициент, учитывающий смятие шины под нагрузкой: для

радиальных шин легковых автомобилей принимаем λ_см = 0,81;

Определяем радиус качения колеса:

1.4 Определение силы лобового сопротивления воздуха

Определяем силу лобового сопротивления воздуха, которая напрямую зависит от лобовой площади автомобиля:

где А_В – площадь лобового сопротивления;

k_В – коэффициент воздушного сопротивления: принимаем k_В = 0,2;

где С – коэффициент формы, равный для легковых автомобилей – 0,89;

H_Г и B_Г – соответственно габаритные высота и ширина транспортного

средства: H_Г = 1,446 м, B_Г = 1,62 м;

h – расстояние от бампера до поверхности дороги: принимаем h = 0,27 м;

В – ширина профиля шины: B = 0,175 м;

n – максимальное число колес одного моста автомобиля: при односкатных

задних колесах n = 2.

1.5 Выбор характеристики двигателя

Максимальная стендовая мощность двигателя Р_еmax ^ст = 47 кВт.

Определим максимальную мощность двигателя:

где – k_ст поправочный коэффициент, равный 0,93-0,96: принимаем k_ст = 0,95;

Мощность при максимальной скорости определяется на основании формулы:

где n_emax – максимальные обороты коленчатого вала двигателя:

n_emax = 6000 об/мин;

n_p – обороты коленчатого вала двигателя при максимальной мощности:

n_p = 5600 об/мин;

a,b,c – эмпирические коэффициенты.

Для карбюраторного двигателя легкового автомобиля коэффициенты находим по формулам:

где k_м – коэффициент приспособляемости по крутящему моменту;

k_ω – коэффициент приспособляемости по частоте вращения.

Коэффициенты приспособляемости рассчитываем по стендовым параметрам двигателя:

где – стендовый максимальный крутящий момент: = 95 Н·м;

– стендовый крутящий момент при максимальной мощности:

где – обороты коленчатого вала при максимальной мощности:

= 5600 об/мин;

– обороты коленчатого вала при максимальном крутящем моменте:

= 3400 об/мин.

Производим расчеты:

Проверяем условие:

Условие выполняется:

Рассчитываем мощность при максимальной скорости:

Мощность двигателя при максимальной скорости должна обеспечивать возможность движения при дорожном сопротивлении, которое для легковых автомобилей находится в пределах (ψ_V = 0,015-0,025).

Определим дорожное сопротивление, которое может преодолеть данная модель автомобиля при максимальной скорости:

где – КПД трансмиссии; при работе трансмиссии с полной нагрузкой, т. е. при работе двигателя по внешней скоростной характеристике имеем:

где – соответственно КПД цилиндрических шестерен наружного зацепления, внутреннего зацепления, конических шестерен и карданных сочленений, передающих крутящий момент от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам на i-ой передаче в КП;

– соответственно число пар цилиндрических шестерен наружного зацепления, внутреннего зацепления, конических шестерен и число карданных сочленений, передающих крутящий момент от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам на i-ой передаче в КП.

В расчетах принимаем:

;

Тогда дорожное сопротивление преодолеваемое автомобилем при движении с максимальной скоростью составит:

Дорожное сопротивление, преодолеваемое автомобилем при движении с максимальной скоростью, имеет довольно высокое значение. Можно сделать заключение, что у данного автомобиля имеется запас силы тяги, который позволит двигаться автомобилю по дороге с уклоном без снижения скорости.

1.6 Определение передаточного числа главной передачи

Передаточное число главной передачи определяется исходя из условия обеспечения максимальной скорости движения автомобиля.

Определяем: какую максимальную скорость позволяет получить передаточное число главной передачи для заданной модели автомобиля:

где – передаточное число высшей передачи в КП: ;

– передаточное число главной передачи: .

Передаточное число главной передачи при максимальных оборотах двигателя обеспечивает максимальную скорость приблизительно равную км/ч.

1.7 Определение передаточных чисел коробки передач

Передаточное число первой передачи рассчитывается, исходя из того, чтобы автомобиль мог преодолеть максимальное сопротивление дороги, характеризуемое коэффициентом , не буксовал при трогании с места, и мог двигаться с устойчивой минимальной скоростью.

Для заданной модели автомобиля .

Максимальное сопротивление дороги для легковых автомобилей должно находится в пределах .

Определим максимальное сопротивление дороги, которое может преодолеть заданная модель автомобиля, при трогании с места:

Максимальное дорожное сопротивление, которое может преодолеть автомобиль при трогании с места .

Определим минимальный коэффициент сцепления, при котором данный автомобиль может тронуться с места без пробуксовки ведущих колес:

где – коэффициент перераспределения нормальных реакций, для заднеприводного автомобиля принимаем .

Минимальный коэффициент сцепления составил .

Определим минимальную устойчивую скорость движения автомобиля:

где – минимальные устойчивые обороты двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке под нагрузкой, принимаем для карбюраторного двигателя об/мин.

Минимальная устойчивая скорость движения автомобиля составила км/ч.

Передаточные числа промежуточных передач выбираются из условия обеспечения максимальной интенсивности разгона автомобиля, а также длительного движения при повышенном сопротивлении дороги.

где n – номер повышающей передачи;

m – номер передачи для которой ведется расчет.

Рассчитанные и фактические значения передаточных чисел коробки передач приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Передаточные числа КП

Как видно из таблицы 1.1 фактические значения передаточных чисел промежуточных передач меньше рассчитанных значений. Таким образом, коробка передач заданного автомобиля не обеспечивает максимальной интенсивности разгона автомобиля. Поскольку фактические значения передаточных чисел промежуточных передач незначительно отличаются от рассчитанных значений можно сделать вывод, что данная коробка передач обеспечивает уместную интенсивность разгона автомобиля, при улучшенных показателях топливной экономичности.

2. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

Скоростной характеристикой двигателя называется зависимость эффективной мощности и крутящего момента от угловой скорости или частоты вращения коленчатого вала двигателя при установившемся режиме работы.

Скоростная характеристика двигателя, полученная при полной подаче топлива, называется внешней скоростной характеристикой.

Значения мощности при различной частоте вращения коленчатого вала определяем по формуле:

Значение вращающего момента при различных оборотах рассчитываем по формуле:

Для нахождения стендовых характеристик двигателя полученные значения мощностей и моментов, разделим на коэффициент стенда:

Производим расcчеты:

Для следующих значений расчеты ведем аналогично. Результаты расчетов заносим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 Результаты расчетов внешней скоростной характеристики

По рассчитанным значениям строим внешнюю скоростную характеристику (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Внешняя скоростная характеристика двигателя

3 Оценка тягово-скоростных свойств автомобиля

Тяговая характеристика автомобиля

С целью решения уравнения движения автомобиля методом силового баланса, представим его в виде:

где – сила тяги, приложенная к ведущим колесам;

– сила сопротивления качению;

– сила сопротивления подъема;

– сила сопротивления воздуха;

– сила сопротивления разгону.

Полученное уравнение называют уравнением силового (или тягового) баланса. Уравнение силового баланса показывает, что сумма всех сил сопротивления движению в любой момент времени равна окружной силе на ведущих колесах автомобиля.

Уравнение позволяет определить величину окружной силы, развиваемой на ведущих колесах автомобиля, и установить, как она распределяется по различным видам сопротивлений.

Графическое изображение уравнения силового (тягового) баланса в координатах “окружная сила - скорость”, называется тяговой характеристикой автомобиля.

Построение графика тяговой характеристики

Определим значения окружной силы , в зависимости от скорости, при движении автомобиля на различных передачах:

В данном уравнении эффективный крутящий момент является функцией от оборотов коленчатого вала n_e . Значение эффективного крутящего момента в зависимости от оборотов коленчатого вала n_e определяется по внешней скоростной характеристике двигателя.

В предположении отсутствия буксования сцепления и ведущих колес автомобиля связь между частотой вращения коленчатого вала двигателя n_e и скоростью V находится из соотношения:

где i – номер передачи.

Производим расчеты значений окружной силы и скорости V_i для различных оборотов коленчатого вала в диапазоне от n_emin до n_emax на различных передачах коробки передач.

Для следующих значений на i-той передаче расчеты ведем аналогично. Результаты расчетов заносим в таблицу 3.1. Полученные значения наносим на тяговую характеристику.

где f_o – коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля с

малой скоростью (при расчетах используем значение f_o = 0,008).

Cилу сопротивления подъема принимаем равной нулю, так как рассматриваем движение автомобиля на дороге без уклона.

Определим силу сопротивления воздуха в зависимости от скорости движения автомобиля:

Производим расчеты:

Последующие расчеты ведем аналогично. Результаты расчетов заносим в таблицу 3.2. Полученные значения наносим на тяговую характеристику.

Таблица 3.1 Результаты расчетов окружной силы

Таблица 3.2 Результаты расчетов сил сопротивления дороги (качения) и воздуха

По рассчитанным значениям строим тяговую характеристику автомобиля (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 Тяговая характеристика автомобиля

Практическое использование тяговой характеристики автомобиля

По тяговой характеристике автомобиля определяем следующие показатели:

1. Максимальную скорость движения автомобиля. Ее определяют по абсциссе: точки пересечения кривых, совместной силы сопротивления воздуха и дорожного сопротивления и силы тяги на высшей передаче. У данного автомобиля сила тяги на высшей передаче, при максимальных оборотах двигателя больше совместной силы сопротивления воздуха и дорожного сопротивления. Можно сделать заключение, что у данного автомобиля имеется запас силы тяги, который позволит двигаться автомобилю по дороге с уклоном без снижения скорости.

Максимальная скорость движения автомобиля: V_max = 145 км/ч.

2. Окружная сила F_кv при максимальной скорости V_max : Н.

3. Максимальная окружная сила на высшей передаче F_к4max : F_к4max = 1265,8 Н.

4. Максимальная окружная сила F_кmax , развиваемая на ведущих колесах автомобиля: F_кmax = 4645,6 Н.

5. Минимальная устойчивая скорость движения автомобиля V_min : V_min = 3,953 км/ч.

6. Максимальная окружная сила по сцеплению шин ведущих колес с дорогой F_φ :

На данном покрытии (асфальтобетонное шоссе) сила сцепления ведущих колес с дорогой больше максимального значения окружной силы тяги.

7. Критическая скорость движения автомобиля по условию величины окружной силы на высшей передаче V_к4 : V_к4 = 82,215 км/ч.

8. Скоростной диапазон автомобиля на высшей передаче dV₄ :

9. Силовой диапазон автомобиля на высшей передаче dF₄ :

Динамическая характеристика автомобиля

Методы силового и мощностного балансов затруднительно использовать при сравнении тягово-динамических свойств автомобилей, имеющих различные веса и грузоподъемности, т. к. при движении их в одинаковых условиях силы и мощности, необходимые для преодоления суммарного дорожного сопротивления различны. От этого недостатка свободен метод решения уравнения движения с помощью динамической характеристики. Поэтому воспользуемся методом решения уравнения движения с помощью динамической характеристики.

Графическая зависимость динамического фактора от скорости движения автомобиля при различных передачах и полной нагрузке называется динамической характеристикой.

Построение динамической характеристики

При построении динамической характеристики используем следующие допущения:

1) двигатель работает по внешней скоростной характеристике;

2) автомобиль движется по ровной горизонтальной дороге.

С целью построения динамической характеристики воспользуемся безразмерной величиной D - динамическим фактором, равным отношению свободной силы тяги (F_к - F_в ) к силе тяжести автомобиля G_a :

Для расчета динамического фактора D и построения динамической характеристики используют значения F_{к i} и F_в в функции скорости движения автомобиля V на различных передачах.

Таким образом имеем:

Производим расчеты:

Последующие расчеты ведем аналогично. Результаты расчетов заносим в таблицу 3.3. Полученные значения наносим на динамическую характеристику.

Для решения уравнения движения на динамическую характеристику наносится зависимость коэффициента сопротивления дороги ψ от скорости. Поскольку в нашем случае дорога без уклона ψ = f.

Производим расчет:

Последующие расчеты ведем аналогично. Результаты расчетов заносим в таблицу 3.4. Полученные значения наносим на динамическую характеристику.

По рассчитанным значениям строим тяговую характеристику автомобиля (рисунок 3.2).

Таблица 3.3 Результаты расчетов динамического фактора D

Таблица 3.4 Результаты расчетов коэффициента сопротивления дороги ψ

Рисунок 3.2 Динамическая характеристика автомобиля

Практическое использование динамической характеристики автомобиля

По динамической характеристике автомобиля определяем следующие показатели:

1. Максимальная скорость движения автомобиля V_max : V_max = 145 км/ч.

2. Динамический фактор при максимальной скорости движения автомобиля D_v : .

3. Максимальный динамический фактор на высшей передаче D_4max : D_4max = 0,0816.

4. Максимальный динамический фактор автомобиля D_max : D_max = 0,3384.

5. Максимальное дорожное сопротивление, преодолеваемое автомобилем на высшей и низшей передачах , : , .

6. Максимальный подъем, преодолеваемый автомобилем на высшей и низшей передачах , :

7. Минимальная устойчивая скорость движения автомобиля V_min : V_min = 3,953 км/ч.

8. Динамический фактор по сцеплению шин с поверхностью дорожного покрытия D_φ :

9. Критическая скорость движения автомобиля на высшей передаче по условию величины динамического фактора V_к4 : V_к4 = 62,87 км/ч.

10. Скоростной диапазон автомобиля на высшей передаче dV₄ :

11. Силовой диапазон автомобиля на высшей передаче dD₄ :

Ускорение автомобиля при разгоне

Ускорение рассчитывают применительно к горизонтальной дороге с твердым покрытием при условии максимального использования мощности двигателя и отсутствии буксования ведущих колес.

Построение графика ускорение автомобиля при разгоне

Величину ускорения находим из уравнения, связывающего динамический фактор с условиями движения автомобиля:

где – коэффициент учета вращающихся масс;

для одиночных автомобилей при их номинальной нагрузке можно считать ; .

Таким образом, имеем:

Производим расчеты:

Последующие расчеты ведем аналогично. Результаты расчетов заносим в таблицу 3.5. Полученные значения наносим на график ускорений автомобиля.

По рассчитанным значениям строим график ускорений автомобиля (рисунок 3.3).

Таблица 3.5 Результаты расчетов ускорения автомобиля а