Динамический расчет автомобиля

Динамический расчет автомобиля

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Кафедра «Автомобили»

Курсовая работа

по дисциплине «Автомобили»

Тема: «Динамический расчет автомобиля»

Ульяновск 2011

ЗАДАНИЕ

Выполнить тягово-динамический расчет легкового переднепривоодного автомобиля. В качестве прототипа принять ВАЗ - Приора:

Выбрать шины и определить их статический радиус качения.

Рассчитать максимальную мощность двигателя автомобиля при: Vmax = 180 км/ч; Da = 0,09.

Построить внешнюю скоростную характеристику двигателя.

Рассчитать передаточное число главной передачи.

Рассчитать передаточные числа в коробке передач при:

Ψ = 0,4.

Построить силовой и мощностной балансы автомобиля.

Построить динамический паспорт автомобиля.

Построить разгонную характеристику автомобиля.

Рассчитать давление воздуха в шинах.

Построить топливно-экономическую характеристику автомобиля.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Паспортные данные автомобиля ВАЗ - Приора:

.Масса снаряженного автомобиля Мо = 1088 кг; в т.ч. на переднюю ось М01 = 598 кг; на заднюю ось М02 = 490 кг;

.Полная масса автомобиля Ма = 1578 кг;

в т.ч. на переднюю ось Ма1 = 726 кг; на заднюю Ма2 = 852 кг;

.Максимальная скорость Va max = 183 км/ч (50,8 м/с) *;

.Коробка передач - двухвальная; число передач k = 5; номер прямой передачи n =4; передаточные числа 3,64; 1,95; 1,36; 0,94; 0,78;

.Колеса:

присоединительные размеры дисков 4 PCD98 ET32 58,5 (4 шпилек на Ø98 мм (т.е. Ø 3,86`); вылет 32 мм; центральное отверстие 58,5 мм);

Размерность шин и дисков

Размеры автомобиля:

длина Lг = 4,210 м;

ширина Вг = 1,680 м;

высота Нг = 1,420 м;

колея наибольшая Вк = 1,410 м;

база L = 2,492 м;

высота центра масс hg = 0,48 м;

Коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,60;

двигатель: ВАЗ-21126

бензиновый, поперечный, рядный, четырехцилиндровый;

мощность Pmax = 98 л.с. (72100 Вт) *

при np = 5600 об/мин (ωp = 586 c-1);

крутящий момент Tmax = 14,8 кгс∙м (145 Н∙м)

при nT = 4000 об/мин (ωT = 418 c-1).

Расчет исходных данных по характеристике прототипа

Коэффициент приспособляемости двигателя по оборотам

Кω = ωp / ωT. Кω = 586 / 418 = 1,40;

Коэффициент приспособляемости двигателя по моменту

КТ = Тmax∙ωp / Pmax. КТ = 145 ∙ 586 / 72100 = 1,178;

Площадь миделева сечения

А = Нг ∙ Вк. А= 1,420 ∙ 1,410 = 2,002 м2;

КПД трансмиссии зависит от передаваемого крутящего момента и температуры масла. Однако переменные факторы в курсовой работе не учитываем из-за их сложности:

,

где z, k, n - число соответственно цилиндрических и конических передач, карданных шарниров. Автомобиль ВАЗ-Приора имеет z = 2 (на всех передачах, кроме прямой) и z = 0 (на прямой передаче); k = 1; n = 0. На режиме максимальной скорости на четвертой передаче

.

Справочные данные.

Плотность воздуха ρв = 1,202 кг/м3 (200 м над уровнем моря);

Коэффициент сопротивления качению f0 = 0,014;

Коэффициент влияния скорости Af = 5,5 ∙ 10-4 с2/м2;

Удельный расход топлива ge = 148 г/кВт·ч;

Коэффициент коррекции мощности Кр = 0,95.

РАСЧЕТ НАГРУЗКИ НА КОЛЕСА И ВЫБОР ШИН

Если данных о развесовке прототипа студентом не найдены:

Обычно автомобили имеют развесовку по осям в снаряженном состоянии 55/45, а с грузом 45/55. Тогда

на переднюю ось без груза

:

 кг;

на заднюю ось без груза

:

 кг;

на переднюю ось с полной загрузкой

:

 кг;

на заднюю ось с полной загрузкой

:

 кг.

Но мы нашли данные о развесовке автомобиля, поэтому пишем:

Нагрузки на оси прототипа имеются в исходных данных, поэтому определим лишь его коэффициенты развесовки. Доля массы автомобиля, приходящаяся на оси:

;;;,

где q01, q02, qa1, qa2 - соответственно нагрузка на переднюю (1) и заднюю (2) оси снаряженного (0) и полностью груженого (а) автомобиля.

;; ;.

Согласно исходным данным максимальная осевая нагрузка приходится на заднюю ось груженого автомобиля. Учитывая, что у прототипа нет спаренных колес, то максимальная масса приходится на каждое из задних колес при полной загрузке автомобиля

 кг.

Вес, приходящийся на колесок = Mкa2 · g.к =426 · 9,81 = 4180 Н.

Назначаем индекс скорости - Р (200 км/ч). Назначаем индекс несущей способности шины - 76 (4180 Н). Выбираем шины 185/55R15 Р76. Рассчитаем статический радиус качения колеса:

= 0,5 · d + Вш ∙ Δ · λсм,

где d - посадочный диаметр шины, м; Вш - ширина профиля шины, м; Δ - относительная высота профиля шины; λсм = 0,8…0,85 - смятие радиальной шины легкового автомобиля.

= 0,5 · 15 · 0,0254 + 0,185 · 0,55 ·0,825 = 0,274 м.

РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Сначала расчет ведем по мощности, необходимой для поддержания максимальной скорости:

,

где fk - сопротивление качению на максимальной скорости:

fk = f0 · (1 + Af · V2).fk = 0,014 · (1 + 0,00055 ·50,0 2) = 0,033.

121460 Вт.

Таким образом, для поддержания максимальной скорости полностью груженого автомобиля необходим двигатель мощностью Ре = 121 кВт.

Проведем расчет необходимой мощности двигателя для обеспечения заданного динамического фактора.

Найдем скорость автомобиля, при которой динамический фактор будет близок к максимуму:

VD = Vmax/Kω. VD = 50,0/1,40 = 35,7 м/с (129 км/ч).

Найдем необходимую мощность двигателя на скорости VD

.

 89267 Вт.

Рассчитаем максимальную мощность двигателя (в предположении, что закон изменения мощности от скорости двигателя описывается полиномом третьей степени с коэффициентами a, b, c, взятыми у прототипа):

; ; .

; ;;

а = 0,073; b = 3,098; c = -2,172.

.

 106189 Вт.

Таким образом, для обеспечения заданной динамики автомобиля на скорости 35,7 м/с (129 км/ч) необходима максимальная мощность двигателя 106 кВт. Так как <, то для дальнейших расчетов выбираем мощность двигателя, рассчитанную по сопротивлению качению на максимальной скорости.

Крутящий момент при максимальной мощности

,  ≈ 207 Н·м; Тmax = Те · КТ; Тmax = 207 · 1,18 ≈ 244 Н·м.

Таким образом, окончательно принимаем двигатель

Тmax = 244 Н·м при 418 рад/с (4000 об/мин).

Рmax = 121 кВт при 586 рад/с (5600 об/мин).

Расчет внешней скоростной характеристики двигателя сведен в табл. 1.

Рис. 1 - Внешняя скоростная характеристика двигателя

РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНОГО ЧИСЛА ГЛАВНОЙ ПЕРЕДАЧИ

,

где ωр - угловая скорость ведущего вала главной передачи (если она равна скорости двигателя) при максимальной мощности двигателя, с-1.

РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЧИСЕЛ В КОРОБКЕ ПЕРЕДАЧ

Передаточное число первой передачи коробки передач (КП) рассчитываем из условия обеспечения необходимой тяги в нормальных дорожных условиях. Передаточное число первой передачи в КП из условия преодоления соответствующего сопротивления Ψ1

. 3,567.

Четвертая передача в КП прямая: i4 = 0,94. Передаточные числа остальных передач в КП рассчитываем по гиперболическому ряду

.= 2,173; i3 = 1,562; i5 = 1.

СИЛОВОЙ И МОЩНОСТНОЙ БАЛАНС АВТОМОБИЛЯ

В силовой баланс автомобиля при равномерном движении (Fи = 0) по горизонтальной дороге (Fп = 0) входят только две силы

= Fk + Fв.

Составляющие баланса вычисляем по зависимостям

; ; .

переменными в балансе являются:

момент Те (зависит от угловой скорости двигателя);

передаточное число iкп в КП;

КПД ηтр трансмиссии, зависит от загрузки по мощности трансмиссии (для упрощения принимаем постоянным на каждой из передач в КП или в РК, см. п. 1.2);

скорость V автомобиля;

кинематический радиус rk зависит от крутящего момента на колесе, но для упрощения этой зависимостью пренебрежем и примем rk = rс.

Мощностной баланс получим, почленно умножив силовой баланс на скорость автомобиля:

PT = FT V; Pk = Fk V; Pв = Fв V.

Расчет ведем для всех передач в КП при повышенной передаче в раздаточной коробке, и для первой и второй передач в КП на пониженной в РК передаче. Текущую скорость вычисляем по формуле

.

Результаты расчета сведем в табл. 2 и покажем на рис. 2 и 3.

Силовой и мощностной баланс автомобиля

Рис. 2 - Силовой баланс автомобиля: 1 - 5 - сила тяги на ведущих колесах; 6 - суммарная сила сопротивления движению (Fk+Fв); 1 - 5 - прямая передача в РК и соответственно 1 - 5 передачи в КП

Рис. 3 - Мощностной баланс автомобиля: 1 - 5 - мощность тяги на ведущих колесах; 6, 7, 8 - мощности сопротивления движению соответственно суммарная (Рk+Рв), аэродинамическая Рв и качению Рк; 1 - 5 - прямая передача в РК и соответственно 1 - 5 передачи в КП

ДИНАМИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ АВТОМОБИЛЯ

Для построения динамического паспорта автомобиля необходимо вычислить для каждой передачи в КП (РК) динамический фактор

.

Кроме того, на график выносится зависимость коэффициента сопротивления качению fk (V). Для построения номограммы необходимо найти верхний предел шкалы

,

где  - верхний предел шкалы Da. На шкале Da (рис. 4) получилось =0,7, тогда

.

Результаты расчета сведены в табл. 3.

Динамическая характеристика автомобиля Da в зависимости от скорости двигателя ωе

Примечание: знак минус означает, что двигатель «не тянет».

Рис. 4. Динамический паспорт автомобиля: 1 - 5 - динамический фактор; 6 - коэффициент сопротивления качению (fk);1 - 5 - прямая передача в РК и соответственно 1 - 5 передачи в КП; Н - полезная загрузка автомобиля

РАЗГОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМОБИЛЯ

Разгонную характеристику выполняют по ГОСТ 22576-90 для частичной загрузки автомобиля 245 кг (1570 Н). Из-за неполной загрузки изменяется динамический фактор и коэффициент учета вращающихся масс.

Для расчета ускорений автомобиля необходимо сначала найти коэффициент учета вращающихся масс:

; ,

где Jд - момент инерции двигателя, кг∙м2. Jд= 0,37; Jk1, Jk2 - момент инерции пары ведущих колес с тормозами и полуосями соответственно передней и задней оси, кг∙м2. Jk1= Jk2= 13,0; rk0 - кинематический радиус колеса, примем равным статическому (см. п. 2.3 лекций).

;.

Результаты расчета сведены в табл. 4.

Коэффициент учета вращающихся масс на различных передачах

Ускорения рассчитаем по динамическому фактору, скорректированному по массе автомобиля, для всех передач в КП на прямой передаче в РК и для 1 и 2 передач в КП на пониженной передаче в РК

.

Результаты сведем в табл. 5 и рис. 5.

Зависимость ускорений автомобиля на разных передачах от скорости двигателя ωе

Примечание: знак минус означает, что двигатель «не тянет».

Рис. 5 - Зависимость ускорений автомобиля от его скорости: 1 - 5 - прямая передача в РК и соответственно 1 - 5 передачи в КП

Разгонную характеристику (зависимости времени и пути разгона по скорости) строим только на прямой передаче в РК и на 1 - 4 передачах в КП. Расчет ведем до тех пор, пока не будут получены время разгона до 100 км/ч и пройден путь 1000 м по следующим формулам (см. п. 3.6 лекций):

ΔVi= Vi -Vi-1; Δti= ΔVi/ai; ti= ti-1+ Δti; ΔSi= Vi· Δti; Si= Si-1+ ΔSi.

Результаты расчета сводим в табл. 6 и рис. 6.

Расчет разгонной характеристики автомобиля

Рис. 6. Разгонная характеристика автомобиля: t - время разгона; S - путь разгона

Как видно на рис. 6, автомобиль разгоняется до 100 км/ч ~ за 10 с, проходя около 150 м пути. Отметку S = 400 м автомобиль проходит за 26 с, а S = 1000 м - за 45 с.

ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

Расчет топливно-экономической характеристики автомобиля проводят только для высшей (прямой) передачи в КП при разных уровнях дорожного сопротивления от минимального, равного сопротивлению качению по асфальту, до максимального, которое автомобиль может преодолеть лишь в узком диапазоне угловых скоростей двигателя, близких к скорости максимального крутящего момента. По желанию студента (приветствуется!) выполняется расчет топливно-экономической характеристики автомобиля для экономической (пятой) передачи на скорости 90 км/ч. Вычисления производятся по формуле

, [л/100км],

где Кп, КN - коэффициенты, учитывающие влияние загрузки двигателя соответственно по оборотам и мощности на удельный часовой расход топлива; ge - удельный часовой расход топлива, г/кВт∙ч; ρт - плотность топлива, кг/л; FΨ, Fв - мощность сопротивления соответственно дорожного и аэродинамического, Н. От коэффициентов Кп, КN во многом зависит точность расчета, однако найти адекватные их зависимости от загрузки двигателя соответственно по скорости и мощности весьма затруднительно. Поэтому используем общие для карбюраторных двигателей зависимости

;

,

где FΨ - сила дорожного сопротивления, Н.

Силу FΨ при расчете топливной экономичности на прямой передаче в учебных целях задаем на трех уровнях:

на низшем уровне сопротивлений принимаем

FΨ min = Fк = Ga ∙ f0 ∙(1 + Af∙ Va2);

на высшем уровне

FΨmax = Ga ∙D4max;

на среднем уровне

FΨср = (FΨmax + FΨ min) / 2,

где D4max - максимальное значение динамического фактора на прямой передаче (см. табл. 3). D4max = 0,106 на скорости 7,2 м/с.

Результаты расчета сопротивлений сведем в табл. 7

Силы сопротивления движению и сила тяги

Результаты расчета коэффициентов учета влияния загрузки двигателя по скорости и по мощности сведем в табл. 8., а расхода топлива в табл. 9.

Коэффициенты Кп КN

автомобиль двигатель топливный экономичность

Топливно-экономическая характеристика (рис. 7).

Рис. 7 - Топливно-экономическая характеристика автомобиля на прямой передаче в КП: 1, 2, 3 - суммарное сопротивление движению соответственно низкое, среднее, высокое

Расчет топливно-экономической характеристики для пятой передачи на скорости 25 м/с выполняем для различных передаточных чисел, варьируя ими в пределах 0,4…0,9 сначала с шагом 0,1, затем, найдя значения между которыми находится минимум, с шагом 0,01, затем с шагом 0,001. Результаты сведены в табл. 10.

Как видно из табл. 10, в диапазоне передаточных чисел пятой передачи 0,3…0,9 (весь диапазон в таблице не показан), минимальный расход топлива достигается при i5 = 0,4 (строка 2).

При варьировании в диапазоне 0,35…0,42 - i5 =0,4 (строка 11), в диапазоне 0,391…0,405 - i5 = 0,4 (строка 20).

Таким образом, при передаточном числе пятой передачи 0,4 и при скорости движения 90 км/ч достигается минимальный расход топлива Qs = 8,24 л/100км.

Определение оптимального передаточного числа экономической передачи