Выбор исходных данных для тягово расчета и тяговый расчет проетируемого автомобиля

    2.1 Выбор исходных данных

Тип автомобиля                                               грузовой

Назначение и область использования               дорожный автомобиль общего                       

                                                                           назначения

Максимальная скорость, км/час                     90

Грузоподъемность, кН                                     130

Тип двигателя                                                   дизельный

Расположение двигателя                                 под кабиной

Используемое топливо                                    дизель

Тип трансмиссии                                              механическая

Колесная формула                                                6x4

В соответствии с заданием из совокупности выпускаемых автомобилей выбираем наиболее близко подходящий автомобиль. Таким автомобилем является легковой автомобиль КамАЗ – 55111. Пользуясь технической характеристикой выбранного автомобиля задаемся дополнительными исходными данными.

Полный вес автомобиля G_a, кН                                  244
Нагрузка на переднюю ось G₁, кН                                     55,5

Нагрузка на заднюю ось G₂, кН                                         168,5                     

База автомобиля L, м                                                  2,84

Фактор обтекаемости k_bF_b, Н*с²/м²                                  1,008

КПД трансмиссии                                                        0,8

Минимальный удельный расход топлива g_e,г/кВт*ч     204

 

Находим нагрузку на одно колесо, следовательно

 

                                                 = =27,75кН;

 

                                                 = =42,125 кН.

 

По стандартам на шины по наибольшей нагрузке выбираем шину. Следовательно, выбираем шину 280 R508. Здесь 280 – ширина профиля шины в мм, 508 – посадочный диаметр обода в мм, R – означает конструкцию шины (радиальная). Далее выписываем размеры и параметры шины, указанные в стандарте.

Радиус качения колеса, катящегося без скольжения, примерно равен радиусу качения колеса, движущегося в ведомом режиме. Он занимает промежуточное положение между свободным радиусом r_c и статическим радиусом r_ст. С достаточной для практических целей точностью радиус качения колеса в ведомом режиме может быть найден по выражению

 

                                                    r_ko= _ш*r_c,                                               (3.1) 

                                                                      

где _ш= 0,95...0,97 - коэффициент деформации, зависит от типа, размера и модели шины. Пусть _ш= 0,96. Тогда имеем

                                               г_ко = 0,96*(508/2+280) = 0,51 м.

2.2 Определение внешней скоростной характеристики двигателя

Так как при максимальной скорости ускорение автомобиля равно нулю, исходя из уравнения мощностного баланса необходимая мощность двигателя N_ev (кВт) для обеспечения движения с заданной скоростью v_max (км/час) определяется по формуле                      

                                                N_ev=  ,                       (3.2)

                      

где _v - коэффициент дорожного сопротивления.

Расчетный коэффициент дорожного сопротивления _v для проектируемого автомобиля выбираем исходя из движения по горизонтальной дороге с цементобетонным или асфальтобетонным покрытием, при этом учитываем, что _v = f (v). Для данного автомобиля _v можно определить по формуле

 

                                      _v=0,01+5*10^-6 .                              (3.3)                                                                                  

Следовательно, имеем

                             _v= 0,01+ 5*10^-6  =0,013.

Пусть _v = 0,013.

Подставив в формулу (3.2) значения известных величин, находим

                                 N_ev=  =155,4 кВт.

 

Для построения внешней скоростной характеристики двигателя воспользуемся формулой

                                      N=N_emax[a()+b()²-c()³],                 (3.4)                       где а, b и с - коэффициенты, значения которых зависят от типа и конструкции двигателя;N_e, n_е - текущие значения мощности и числа оборотов коленчатого вала двигателя; N_e max, n_N - максимальная мощность и частота вращения коленчатого вала примаксимальной мощности.

          Максимальная мощность двигателя рассчитывается по формуле (3.4) путем замены текущих значений N_e и n_е известными значениями N_ev и n_v, т. е.

                                        N_emax=                            (3.5)                                           Ориентируясь на двигатель, устанавливаемый на автомобиль ЗИЛ - 130, находим неизвестные коэффициенты а, b и с. При этом учитываем, что данный двигатель снабжается ограничителем числа оборотов коленчатого вала, следовательно искомые коэффициенты определяем по формулам:

             

                                                   a=1- ;                                (3.6)                                                                                 

                                                    b=2                                      (3.7)                                          

                                                    c= ()²,                              (3.8)                                              

здесь Мз- запас крутящего момента, %; К_ω- коэффициент приспособляемости по частоте. Пределы изменения Мз и К_ω для карбюраторных двигателей следующие: М₃ = (10...25) %; К_ω =1,4...2. Пусть М₃ = 25 % и К_ω = 1,83. Тогда

 

 

                                                   a=1-  =0,8871.

 

                                                   b=2 =1,3282.

       

                                                   c=  (  )² =1,2153.

Правильность найденных коэффициентов проверяем по уравнению

                                                       а + в - с = 1.                                       (3.9)                                             

 

Действительно,

                                                     0,8871+ 1,3282-1,2153= 1.

У автомобилей, снабженных двигателями с ограничителем частоты вращения, отношение (n_v/n_N) = 1, тогда имеем N_{e max} = N_ev.

Для построения внешней скоростной характеристики двигателя необходимо выбрать частоту n_N. Для дизельных двигателей грузовых автомобилей частота n_N находится в пределах (2000...3200) об/мин. Пусть n_N = 2200 об/мин.

При работе двигателя установленного на автомобиле, часть мощности двигателя расходуется на привод дополнительных механизмов, поэтому вводится коэффициент к_с, зависящей от типа двигателя и автотранспортного средства. Обычно в технических характеристиках двигателей приводятся стендовые значения мощности N_c, которые связаны с соответствующими значениями мощности N_e следующей зависимостью

 

                                                            N_e=к_сN_c.                                       (3.10)

              

Откуда

 

                                                      N_c= .

В расчетах можно принимать к_с = 0,93...0,95. Пусть к_с = 0,95.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяется по формуле

                                                               М_е=9554 Нм.                        (3.11)

Здесь N_e в кВт, а n_е в об/мин.

Задаваясь различными значениями чисел оборотов коленчатого вала двигателя, по формуле (3.4) находим соответствующие значения мощности и крутящего момента.

Для дизельного двигателя минимальные устойчивые обороты коленчатого вала двигателя составляют (600... 800) об/мин. Пусть для данного двигателя n_emin=700 об/мин. Тогда имеем

                                  

                                   N_e=155,4[0,8871() +1,3282(  )² -1,215()³]=58,7 кВт.

Соответственно, имеем:

                                                      N_c= =61,76 кВт.

                                                      M_e= 9554  =800,8 Нм.

                                                      M_c= 9554 =842,98 Нм.

Для остальных значений n_е расчетные значения исходных величин сводим в таблицу (см. таблицу 1). Внешняя скоростная характеристика двигателя показана на рисунке 1.

        Таблица 1 - Значения расчетных параметров двигателя

ne, об/мин	700	950	1200	1450	1700	1950	2200	4500
Ne, кВт	58,67	82,8	105,95	126,44	142,62	152,83	155,4	50,48
Nc, кВт	800,83	832,79	843,57	833,16	801,57	748,81	674,85	53,14
Ме, Нм	61,76	87,16	111,53	133,10	150,13	160,87	163,57	107,18
Мс, Нм	842,98	876,62	887,97	877,01	843,77	788,22	710,38	112,82

 

      2.3 Определение передаточного числа главной передачи

Передаточное число главной передачи определяется по формуле

                                                    U_o=0,377 ,                               (3.12)

где n_{e max} = n_N- максимальная частота вращения коленчатого вала двигателя; c_v- коэффициент высшей передачи. Принимаем c_v = 1; U_b - передаточное число высшей передачи в коробке передач. Принимаем U_b=0.815.

 

Подставив известные величины в формулу (3.12), находим

 

                                                        U_o = 0,377 = 5,77.

2.3.1 Определение передаточного числа первой передачи.
Передаточное число первой передачи определяется из следующих условий:

а) преодоления автомобилем максимального сопротивления дороги _max,
следовательно необходимое передаточное число первой передачи будет

                                                      U₁= ,                                       (3.13)

где _max -максимальный преодолеваемый подъем на первой передаче. _max = 0,3...0,4.

 Пусть _max = 0,3. Тогда имеем

                                                   U₁= =7,82;

б) подсчитанное по формуле (3.13) передаточное число U₁ проверяется на
возможность реализации окружной силы на ведущих колесах автомобиля. Следовательно,
передаточное число первой передачи, при котором окружная сила реализуется по
сцеплению будет

                                                     U₁ = ,                               (3.14)                                                                                           где G  - сцепной вес автомобиля;  == 0,6...0,8.

 

Для автомобиля с задним расположением ведущих мостов

                                                              G =K_R2G₂,                               (3.15)

где K_R2 - коэффициент перераспределения нагрузки. Можно принимать K_R2 = 1,1... 1,3. Пусть K_R2 = 1,2. Тогда имеем:

                                                     G =l,2*168,5 = 141,54 кН.

 

Следовательно,

                                               U₁ =  =16,1.

Получилось, что U₁< U₁ , следовательно буксование автомобиля отсутствует;

в) передаточное число первой передачи должно удовлетворять условию
обеспечения минимально устойчивой скорости движения

                                                     U_1v=0,377 ,                                    (3.16)  

где v _min - минимально устойчивая   скорость  движения, принимаемая (2...3) км/час.     Пусть

v_min = 2 км/ч. Тогда

                                                      U_1v=0,377 =10,5.

Сравнивая подсчитанные по формулам (28), (29) и (31) значения передаточного числа первой передачи, принимаем окончательно U₁ = 7,82.

      2.3.2    Определение числа ступеней коробки передач

Сначала определяем диапазон передаточных чисел коробки передач Д_к, который находится по формуле

                                                           Д_k= ,                                        (3.17)                                                                                           

где U_b - передаточное число высшей передачи. Ранее нами принято U_b = 1, следовательно, имеем

                                                          Д_k= =7,82.

При 5,7 < Д_к < 8,5 число ступеней коробки передач должно быть 5, следовательно, на данный автомобиль необходимо ставить пятиступенчатую коробку передач.

3.4.3 Определение передаточных чисел промежуточных передач

Передаточное число m - й промежуточной передачи при U_b = 1 определяется по формуле

                                                  U_m = ,                                   (3.18)                           

где n - число ступеней коробки передач (n = 4). Тогда

 

                                              U₂=7,82 =7,8 =4,68;

 

                                                U₃=2,8;

 

                                                U₄ = 1,67;

                                                   

                                                 U₄ = 1;

                                               

 

        2.4 Мощностной баланс автомобиля

Уравнение мощностного баланса автомобиля можно представить в следующем виде

                                                   N_K = N_V + N, + N_aj,                              (3.19)                                                                     

где N_K- мощность, подводимая к ведущим колесам; N - мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений дороги; N_b- мощность, расходуемая на преодоление сопротивления воздуха; N_aj- мощность, расходуемая на разгон автомобиля.

Мощность, подведенная к ведущим колесам автомобиля может быть подсчитана по формуле

                                                N_K=P_Kv=N_{e TP}N_e-N_TP,                                (3.20)                                                           

где N_тp - потери мощности в трансмиссии; Р_к - окружная сила на ведущих колесах.

Мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений дороги, определяется по формуле

                                              N =P v = G _a v= (f+ i) G _a v,                  (3.21)   

где P - сила сопротивления дороги.

Мощность, расходуемая на преодоление сопротивления воздуха, определяется по формуле

                                              N_b = P_bv =  k_bF_b v³,                             (3.22)                                        

где Р_b- сила сопротивления воздуха.

Мощность, расходуемая на разгон автомобиля, определяется по формуле

                                               N_aj=P_ajv=m_a v,                                      (3.23)                    

где m_a-полная масса автомобиля;P_aj- сила инерции автомобиля; =j-ускорение автомобиля.

Уравнение (3.19) удобно решать графически, т. е. величины, входящие в левую и правую части уравнения представляем в виде зависимостей N_K = f (v) для каждой из передач коробки передач,a (N +N_b) = f (v) и для движения автомобиля на прямой передаче коробки передач при дорожном сопротивлении ₀.

Предварительно определяем скорости автомобиля на различных передачах, соответствующие частотам вращения коленчатого вала двигателя, указанных в таблице 4.

Скорость автомобиля в км/час при известных частоте вращения коленчатого вала двигателя (об/мин), радиусе качения (м) и передаточных числах главной передачи и коробки передач определяется по формуле

                                                  v = 0377 ,                                       (3.24)                       

где U_K - передаточное число соответствующей ступени коробки передач.

При n_е = 700 об/мин и U₁ =7,82 имеем

 

                                                v₁=0,377  =2,98 км/час.

Для остальных значений n_е и U_K расчетные значения искомого параметра сведем в таблицу (таблица 2).

     Таблица 2 - Значения скорости автомобиля при различных n_e и U_k

ne, об/мин	700	950		1200	1450	1700		1950	2200
V1 км/ч	2,98	4,048		5,11	6,17	7,24		8,3	9,37
V2 км/ч	4,98	6,76		8,54	10,32	12,1		13,88	15,66
V3 км/ч	8,33	11,30		14,28	17,25	20,2		23,20	26,18
V4 км/ч	13,96	18,95		23,94	28,93	33,92		38,91	43,89
V5 км/ч	23,32	31,65	39,98		48,31		56,64 64,97		73,31

 

       Определяем скорости автомобиля на различных передачах, при включенной высшей передачи.

      Скорость автомобиля в км/час при известных частоте вращения коленчатого вала двигателя (об/мин), радиусе качения (м) и передаточных числах главной передачи, коробки передач и раздаточной коробки определяется по формуле

                                                  v = 0377 ,                             (3.25)                              

где U_р - передаточное число высшей передачи.

 

    При n_е=700 об/мин, U₁=7,82 U_p=0,815 имеем

 

                                             v'₁=0,377  =3.65 км/час.

       Для остальных значений n_е и U_K расчетные значения искомого параметра сведем в таблицу (таблица 3).

     Таблица 3 - Значения скорости автомобиля при различных n_e и U_k

nе, об/мин	700	950	1200	1450	1700	1950	2200
v'1 км/час	3,65	4,96	6,27	7,58	8,89	10,19	11,50
v'2, км/час	6,11	8,29	10,48	12,6	14,85	17,03	19,22
v'3, км/час	10,22	13,877	17,52	21,17	24,82	28,47	32,12
v'4, км/час	17,13	23,25	29,37	35,50	41,62	47,74	53,86
v'5, км/час	28,62	38,84	49,06	59,28	69,50	79,72	90

 

    По формулам (3.20), (3.21) и (3.22) находим соответствующие мощности, при этом учитываем, что скорость автомобиля дана в км/час, следовательно, формулы (3.21) и (3.22) приходят к виду

                                                        N  = (f +i) G_a .

     Причем для дороги с асфальтобетонным или цементобетонным покрытием       f =0,015. Также автомобиль на прямой передаче должен преодолевать подъем не менее 3 %, т. е. i = 0,03, следовательно, дорожное сопротивление

                                                ₀ = 0,015 + 0,03 = 0,045.

                                                    N_b= .

    При v=24,46 км/час (для прямой передачи)   и ₀ = 0,045 имеем

                                                 N =0,045*24,8*10³ =7,58*10³=7,58 кBт.

                                                 N_b=  =316 Bт=0,316 кBт.

                                                 N +N_b=7.58+0,316=7,9 кBт.

       Для остальных значений скорости значения исходных параметров сводим в таблицу  (таблица 4).

Мощность N_K, подводимая к ведущим колесам ступени коробки передач не зависит, поэтому для различных ступеней коробки передач она определяется в зависимости от частоты вращения коленчатого двигателя.

     Таблица 4- Значение искомых параметров при различных v

V, км/ч		28,62	38,84	49,06	59,28	69,50		79,72		90
N , кВт		1,66	4,16	8,38	14,79	23,84		35,98		51,66
Nb, кВт	80,14		108,76	137,38	166,00		194,62		223,24		251,86
(N +Nb), кВт	81,80		112,92	145,76	180,79		218,46		259,22		303,52

Для всего диапазона изменения n_е значения N_e приведены в таблице 3 и с учетом формулы (3.23) получим соответствующие значения N_K (таблица 5).

   Таблица 5 - Значения мощности N_e и мощности N_K при различных n _е

ne	700	950	1200	1450	1700	1950	2200
NK= Ne TP,кВт	13,59	21,77	29,92	37,33	43,30	47,11	48,06
Ne	58,68	82,81	105,95	126,45	142,63	152,83	155,40

                                                                         

   По результатам таблиц 3,4 и 5 строим график мощностного баланса автомобилящжгр

        Из графика видно, что автомобиль не может на прямой передаче преодолеть 3 % подъем. Однако он может двигаться на третьей передаче, причем он имеет некоторый запас мощности, который может быть использован для разгона. На этом же графике зависимость N _v = f (v) и (N _v + N_b)= f ( v). По формуле (3.21) при _v = 0,019 (для прямой передачи) и v = 24,46 км/ч имеем

                                                  N _v=0,019* 224*10³ =20,26 кВт.

Для этой скорости N_b = 0,316 кВт.  Тогда получим

                                                 N _v +N_b= 20,26 + 1,66 = 21,93 кВт.

Для остальных значений v значения искомых параметров сводим в таблицу (таблица 6).

 

       Таблица 6 - Значения искомых N _v и N, для различных v

v, км час	28,62	38,84	49,06	59,28	69,50	79,72	90
N v. кВт	20,26	27,50	34,73	41,97	49,21	56,44	63,68
Nb кВт	1,66	4,16	8,38	14,79	23,84	35,98	51,66
(N v +Nb), кВт	21,93	31,66	43,12	56,76	73,04	92,42	115,34

 

         

     2.5 Динамический фактор автомобиля на различных передачах

Динамический фактор определяется по формуле

                                                       D= ,                                       (3.26)                                                                                                                                

где Р_ко- полная окружная сила на ведущих колесах автомобиля; Р_b- сила сопротивления воздуха.

Полная окружная сила на ведущих колесах автомобиля определяется по формуле

                                              P_ko = _TP (3.27)                                                                                                .                                                    

Сила сопротивления воздуха определяется по формуле

                                                         P_b= .                                       (3.28)         

Динамический фактор определяется для каждой передачи, при этом значения М_е и v берутся из таблиц 3 и 4.

Для первой передачи при U₁ = 7,82 и v = 2,98 км/ч имеем:

                                    P_ko= =56,68 kH;

 

                                     P_b= =3,2H=0,0023 kH;

                                     D= =0,253.

Для остальных значений v значения искомых параметров сводим в таблицу (таблица 7).

 

     Таблица 7 – Динамический фактор автомобиля на первой передаче

V1, км/ч	2,98	4,05	5,11	6,18	7,24	8,31	9,37
Me, Нм	800,84	832,80	843,57	833,17	801,58	748,81	674,86
Рko,кН	56,68	58,94	59,71	58,97	56,73	53,00	47,77
РbкН	0,0023	0,0042	0,0067	0,0098	0,0134	0,0176	0,0225
D	0,2530	0,2631	0,2665	0,2632	0,2532	0,2365	0,2131

 

 

Для второй передачи при U₂= 4,68 и v = 4,98 км/час имеем:

                                               

                                      Р_ko= =33,92 kH.

 

                                       P_b=  =0,0063 kH.

                                        D= =0,1514.

Для остальных значений v значения искомых параметров сводим в таблицу (таблица 8).

           Таблица 8 - Динамический фактор автомобиля на второй передаче

V2, км/час	4,98	6,76	8,54	10,32	12,10	13,88		15,66
Ме, Нм	800,84	832,80	843,57	833,17	801,58		748,81	674,86
Рko.кН	33,92	35,28	35,73	35,29	33,95		31,72	28,59
Рb, кН	0,0063	0,0117	0,0187	0,0272	0,0374		0,0493	0,0627
D	0,1514	0,1574	0,1594	0,1574	0,1514		0,1414	0,1273

Для третьей передачи при U₃ = 2.8 и v= 8,33 км/ч имеем:

                                           P_ko= =20,30 kH;

                                           P_b= =0,0177 kH;

                                           D= =0,0905.

Для остальных значений скорости значения искомых параметров сводим  в таблицу (таблица 9).

     Таблица 9 - Динамический фактор автомобиля на третьей передаче

v3, км/час	8,33	11,31	14,28	17,26	20,23	23,21	26,18
Me, Нм	800,84	832,80	843,57	833,17	801,58	748,81	674,86
Рko,кН	20,30	21,11	21,38	21,11	20,31	18,98	17,10
Р6.кН	0,0177	0,0327	0,0521	0,0761	0,1046	0,1376	0,1752
D	0,0905	0,0941	0,0952	0,0939	0,0902	0,0841	0,0756

Для четвертой передачи при U₄ = 1,67 и v = 13,97 км/ч имеем:

                                     P_ko= =12.1 kH;

                                      P_b= =0,0499 kH;

 

                                      D= =0,0538.

 

Для остальных значений скорости  значения  искомых параметров  сводим в таблицу (таблица 10).

Таблица 10 - Динамический фактор автомобиля на четвертой передаче

v4, км/ч	13,97	18,96	23,94	28,93	33,92	38,91	43,90
Me, Нм	800,84	832,80	843,57	833,17	801,58	748,81	674,86
Рko,кН	12,10	12,59	12,75	12,59	12,12	11,32	10,20
Рb,кН	0,0499	0,0918	0,1465	0,2139	0,2941	0,3869	0,4925
D	0,0538	0,0558	0,0563	0,0553	0,0528	0,0488	0,0433

Для четвертой передачи при U₅ = 1,67 и v = 13,97 км/ч имеем:

                                     P_ko= =7.25 kH;

                                      P_b= =0,1390 kH;

 

                                      D= =0,0317.

 

Для остальных значений скорости значения искомых параметров сводим в таблицу (таблица 11).

     Таблица 11 - Динамический фактор автомобиля на пятой передаче

V5, км/ч	23,33	31,66	39,99		48,32	56,65	64,98			73,31
Me, Нм	800,84	832,80	843,57		833,17	801,58	748,81			674,86
Рko,кН	7,25	7,54		7,64	7,54	7,26		6,78	6,11
Рb,кН	0,1390	0,2561		0,4086	0,5966	0,8201		1,0790	1,3734
D	0,0317	0,0325		0,0323	0,0310	0,0287		0,0254	0,0211

 

Динамический фактор определяется для каждой передачи, при включенной высшей передачи.

Для  передачи при U₁ =7,82 и v = 3,66 км/ч, U_p = 0,815  имее