Проектировочный расчет автомобиля ВАЗ-2108

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра менеджмент на автомобильном транспорте Проектировочный расчет автомобиля ВАЗ-2108

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

Автомобили

1.0011.00.00 ПЗ Выполнил студент группы

шифр подпись И. О. Фамилия Нормоконтроллёр _______________

Иркутск 2006 г.

Задание на проектирование

Прототип автомобиля: ВАЗ-2108

Максимальная скорость на прямой передаче на горизонтальном участке пути: V_max=150 км/ч =42 м/с.

Максимальный коэффициент сопротивления дороги: _max=0,35

Номинальная грузоподъёмность: m_Н=425 кг.

База автомобиля: L=2460 мм.

Вид топлива: бензин.

Удельный эффективный расход топлива: g_e=308 г/кВт*ч.

Частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности: n_N=5400 мин^-1.

• Введение
• 1. Определение полной массы автомобиля
• 2. Подбор размера шин и расчет радиуса качения
• 3. Расчет внешней характеристики двигателя
• 3.1 Частота вращения коленчатого вала двигателя
• 3.2 Максимальная мощность двигателя
• 3.3 Построение внешней характеристики двигателя
• 3.4 Вращающий момент двигателя
• 4. Выбор передаточных чисел
• 4.1 Определение передаточного числа главной передачи
• 4.2 Подбор передаточных чисел коробки передач
• 4.3 Определение числа передач и передаточных чисел коробки передач
• 5. Построение тяговой характеристики автомобиля
• 6. Определение основных показателей динамики автомобиля с механической трансмиссией
• 6.1 Динамический фактор
• 6.2 Ускорение автомобиля
• 6.3 Время разгона
• 7. Построение графика мощностного баланса
• 8. Построение экономической характеристики автомобиля
• Заключение
• Список литературы

Целью курсовой работы является определение основных параметров двигателя, трансмиссии и компоновки автомобиля. А так же закрепление знаний по лабораторным работам по курсу «Автомобили» .

Делая оценку тягово-скоростных свойств автомобиля, определяется конструктивные параметры, которые могут обеспечить заданные значения скоростей и ускорений в заданных дорожных условиях движения, а также нахождение предельных дорожных условий, т. е. выполню проектировочный тяговый расчёт.

Для проектирования нового автомобиля, за основу, т. е. за прототип, я взял легковой автомобиль-седан ВАЗ-2108. Я сделал свой выбор на этом автомобиле, потому что ВАЗ-2108 и вообще всё семейство автомобилей ВАЗ является одним из лидеров в Отечественном автомобилестроении. Автомобили ВАЗ-2108 и его модификации пользовались огромной популярностью у потребителя Отечественного автомобиля для семьи и работы.

1. Определение полной массы автомобиля

Полную массу m_a автомобиля определяют как сумму масс снаряженного автомобиля m_б и груза mн по номинальной грузоподъемности и число мест пассажиров, включая водителя.

Снаряженная масса определяется по формуле:

(1)

где з_б — коэффициент снаряженной массы, зависящий от номинальной грузоподъемности. У легковых автомобилей з_б=0,2−0,6

m_б= 400/0,4 = 1000 кг

Полная масса легкового автомобиля определяется следующим образом из выражения:

m_a= m_б +80*z (2)

где z — число мест в салоне, включая водителя.

ma=1000+80*5=14 000 кг

Полный вес автотранспортного средства определяется по формуле:

Gа=m_а*10, (3)

Gа=1400*10=14 000 H.

2. Подбор размера шин и расчет радиуса качения

Для подбора шин и определения по их размерам радиуса качения колеса необходимо знать распределение нагрузки по мостам.

У легковых автомобилей распределение нагрузки от полной массы по мостам зависит в основном от компоновки. При классической компоновке на задний мост приходится 52…55% нагрузки от полной массы, для переднеприводных автомобилей 48%.

Радиус качения колеса r_к выбирается в зависимости от нагрузки на одно колесо. Наибольшая нагрузка на колесо определяется положением центра масс автомобиля, которое устанавливается по предварительному эскизу или прототипу автомобиля.

G2=Ga*48%=14 000*48%=6720Н

G1=Ga*52%=14 000*52%=7280Н

Следовательно, нагрузку на каждое колесо передней и задней оси автомобиля соответственно можно определить по формулам:

Р₁=G₁/2, (4)

Р₂=G₂/8. (5)

P1=7280/2=3360 Н

P2=6720/2=3640 Н

Расстояние от передней оси до центра масс найдем по формуле:

a=G2*L/Ga (6)

L-база автомобиля, мм.

a= (6720*2,46) /14 000=1,18 м.

Расстояние от центра масс до задней оси:

в=L-a (7)

в=2,46−1,18=1,27 м

Тип шин (по таблице ГОСТов) — 165−13/6,45−13. По этим размерам можно определить радиус колеса, находящегося в свободном состоянии:

rc=d/2+b (8)

Где b-ширина профиля шины (165 мм)

d — диаметр обода шины (13 дюймов)

1дюйм=25,4 мм

rc=13*25,4/2+165=330 мм

Радиус качения колеса rk определяется с учетом деформации, зависящей от нагрузки:

rk=0.5*d+ (1-k) *b (9)

где k — коэффициент радиальной деформации. Для стандартных и широкопрофильных шин k принимают 0,3

rk=0,5*330+ (1−0,3) *165=280мм=0,28 м

3. Расчет внешней характеристики двигателя

Расчет начинается с определения мощности Nev, необходимой для обеспечения движения с заданной максимальной скоростью Vmax.

При установившемся движении автомобиля мощность двигателя в зависимости от дорожных условий может быть выражена следующей формулой (кВт):

N_ev=V_max* (Ga*ш_v+K_в*F*VІ_max) / (1000*з_т*K_p), (10)

где ш_v — коэффициент суммарного дорожного сопротивления для легковых автомобилей определяется по формуле:

ш_v=0,01+5*10^-6*VІ_max (11)

ш_v=0,01+5*10^-6*1764=0,018

K_в — коэффициент обтекаемости, К_в=0,3 Н*сІ*м^-4

F — лобовая площадь автомобиля, мІ

з_т — КПД трансмиссии=0,95

К_р — коэффициент коррекции=0,8

При рекомендуемых температурах масла в агрегатах механической трансмиссии зт =0,8…0,95. Коэффициент коррекции в данном случае рекомендуется применять Kp=0,6…0,8.

Лобовую площадь для легкового автомобиля находим из формулы:

Fa=0,8*В*Н_г (12)

где В — габаритная ширина В=1650 мм

Н_г — габаритная высота Н_г= 1402 мм

Fa=0,8*1,65*1,4=1,848 мІ

N_ev=42* (14 000*0,018+0,3*1,848*42І) / (1000*0,95*0,8) =68,6 кВт

3.1 Частота вращения коленчатого вала двигателя

Частота вращения коленчатого вала двигателя n_v, соответствующая максимальной скорости автомобиля, определяется из уравнения мин^-1:

n_v= V_max*з_n (13)

где зn — коэффициент оборотистости двигателя.

У существующих легковых автомобилей коэффициент оборотистости двигателя зn лежит в приделах 30…35.

n_v=150*35= 5250 мин^-1

3.2 Максимальная мощность двигателя

Максимальную мощность двигателя найдем из формулы:

N_max=N_ev/ (a*n_v/n_N+b* (n_v/n_N) І-c* (n_v/n_N) і) (14)

где n_v/n_N-отношение частоты вращения коленчатого вала двигателя при максимальной скорости движения автомобиля к частоте вращения при максимальной мощности двигателя;

a, b, c — коэффициенты, постоянные для каждого двигателя.

В случае прощеного расчета можно применять для бензиновых двигателей a=b=c=1.

Для построения внешней характеристики при известной мощности N_max и выбранных коэффициентах a, b, c, принимаем частоту вращения коленчатого вала при максимальной мощности от 5250 мин^-1

N_max=68,6/ (1*5250/5400+1* (5250/5400) І+1* (5250/5400) і) =68,7 кВт

3.3 Построение внешней характеристики двигателя

Внешнюю характеристику двигателя с достаточной для практических расчетов можно определить по формуле Лейдермана (кВт):

N_е = N_мах * [a * + b * () ² — c * () ³],

где n_Т — текущее значение частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Текущее значение частоты вращения коленчатого вала двигателя выбирают произвольно через определенный интервал (например, 500, 1500, 2500 и т. д.), но так, чтобы полученных точек характеристики было не меньше семи.

N_e1=68,7* (1*500/5400+1 (500/5400) І-1* (500/5400) і) =6,9 кВт

N_e3=68,7* (1*1500/5400+1* (1500/5400) І-1* (1500/5400) і) =22,94 кВт

Аналогично проводим расчет для следующих значений nТ и результаты расчетов сводим в Таблицу 1.

3.4 Вращающий момент двигателя

Определим вращающий момент двигателя по формуле:

M_в=30*N_e/ (n_T*р) (16)

M_в1=30*6,9*1000/ (500*3,14) =131,93 кН*м

М_в3=30*22.94/ (1500*3,14) =146,12 кН*м

Аналогично проводим расчет для следующих значений n_Т и результаты расчетов сводим в Таблицу 1.

Таблица 1 — Внешняя характеристика двигателя

По полученным данным таблицы 1 строится внешняя скоростная характеристика рисунок 1.

Рисунок 1 — Внешняя скоростная характеристика двигателя

4. Выбор передаточных чисел

4.1 Определение передаточного числа главной передачи

Передаточное число главной передачи из условий обеспечения V_max на высшей передаче

U_г=0,105*r_к*n_v/ (U_дк*V_max*U_кв) (17)

где U_кв — передаточное число высшей передачи дополнительной коробки: U_дк=1…1.44 (U_дк=1, при ее отсутствии). U_кв — высшее расчетное передаточное число коробки передач: U_кв=1

U_г=0,105*0,28*5250/ (42*1,2*1) =3,06

4.2 Подбор передаточных чисел коробки передач

Передаточное число первой передачи U_к1 находим из условия преодоления автомобилем максимального сопротивления дороги ш_max

U_k1=Ga* ш_max*r_g/ (M_вmax*U_дк*U_г*з_T*K_p) (18)

Здесь и далее условно можно считать rg=rk

U_k1=14 000*0,35*0,28/ (149,6*1,2*3,06*0,95*0,8) =3.28

Полученное U_k1 нужно проверить по условию отсутствия буксования. Буксования не будет, если выполняется неравенство (для заднеприводных автомобилей)

(19)

где: _х — суммарный коэффициент сопротивления дороги.

3.28? (7280*0,7*0,28) / (151*3,06*1,2*0,95*0,8) *1,049=3.55

Т.к. 3.28?3.55, то условие выполняется.

Проверку ведут на сухом шоссе, находящемся в хорошем состоянии, при цх=0,6…0,8. Выбор центра масс hg и база автомобиля L ими задаются в соответствии с эскизным проектом или по прототипу.

4.3 Определение числа передач и передаточных чисел коробки передач

Число ступеней зависит от типа, удельной мощности и предназначения автомобиля. Общее число ступеней зависит от диапазона передаточных чисел трансмиссии. Определение структуры ряда передач производится с использованием геометрической прогрессии по формуле:

(20)

где n — число передач в коробке передач, включая прямую (без учета ускоряющей).

Передаточные числа последующих передач находятся из выражений:

U_k2=U_k1*q=3,28*0,6=1.97

U_k3=U_k1*qІ=3,28*0,6І=1,18

U_k4=U_k1*qі=3,28*0,6і=0,71

Для отечественных автомобилей q лежит в пределах 0,5…0,7

5. Построение тяговой характеристики автомобиля

Тяговое усилие определяется из выражения:

P_T =M_в*U_г*U_ki*kр*з_т/r_k (21)

I P_т1= (129*3,06*3,28*1,2*0,95*0,8) /0,28=4217H

II P_т1= (129*1,97*3,06*1,2*0,95*0,8) /0,28=2532H

Аналогично проводим расчет для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчетов сводим в таблицу 2.

Таблица 2 — Тяговая характеристика автомобиля

Скорость движения автомобиля на данной передаче при данной частоте вращения коленвала двигателя n_т вычисляется по формуле (м/с):

V_a=0,105*r_k*n_т/U_г*U_дк*U_ki (22)

Результаты расчетов сводим в таблицу 2.

I V_a1=0,105* (0,28*500) / (3,28*3,06*1,2) =1,22

II V_a1=0,105* (0,28*500) / (1,97*3,06*1,2) =2,03

Аналогично проводим расчёт для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчётов сводим в таблицу 2.

На основании таблицы строится тяговая характеристика автомобиля P_т=f (V_a) для каждой передачи рисунок 2.

Рисунок 2 — Тяговая характеристика автомобиля Тяговое усилие, подводимое к ведущим колесам автомобиля, расходуется на преодоление сопротивлений качению, воздуха, подъему, инерции.

Сопротивление воздуха определяется соотношением (Н):

Р_в=К_в*F*V_aІ (23)

Результаты расчетов сводим в таблицу 3

I Рв=0.3*1.848*1.22І=0.82 H

II Рв=0.3*1.848*2.03І=2.28 Н Аналогично проводим расчёт для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчётов сводим в таблицу 3.

Таблица 3 — Сила сопротивления воздуха

Определим свободную силу тяги автомобиля:

Р_св=Р_т-Р_в (24)

I Рсв=4217−0.82=4216 Н

II Рсв=2533−2.28=2531 Н Аналогично проводим расчет Р_т, V_a, Р_в, Р_св для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя и результаты расчетов сводим в таблицу 3. На основании таблицы строится тяговая характеристика автомобиля P_св=f (V_a) для каждой передачи рисунок 3.

Рисунок 3 — Тяговая характеристика автомобиля

6. Определение основных показателей динамики автомобиля с механической трансмиссией

6.1 Динамический фактор

Универсальным измерителем динамических качеств автомобиля служит динамический фактор, представляющий отношение свободной тяговой силы к силе тяжести автомобиля, который находится по формуле:

D=P_св/G_a (25)

Производим расчет динамического фактора при движении автомобиля с 500 до 6000 мин^-1 оборотов коленчатого вала на первой передаче.

I D₁=6592/17 701,25= 0,37

II D₁=4217,7/17 701,25=0,24

Графическую зависимость динамического фактора от скорости на всех передачах называют динамической характеристикой автомобиля. Значения динамического фактора для различных передач заносят в таблицу 4

Таблица 4 — Динамический фактор

На основании таблицы 4 строится динамическая характеристика автомобиля D=f (V_a) для каждой передачи рисунок 4.

6.2 Ускорение автомобиля

Ускорение на горизонтальной дороге определяется из выражения (м/с²)

j_a= (D-ш) *g/д, (26)

где ш — коэффициент сопротивления дороги ш=0,015;

д — коэффициент учета вращающихся масс.

Определим коэффициент учета вращающихся масс по формуле:

д= д₁+1+ д₂*U_kІ, (27)

где U_k — передаточное число коробки передач; д₁=0,05; д₂=0,07.

Найдем коэффициент учета вращающихся масс на каждой передаче:

I д=0.05+1+0.07*3,8І=2,06

II д=0.05+1+0.07*2,432І=1,465

Найдем ускорение при движении автомобиля на горизонтальной дороге с 500 до 5500 мин^-1 оборотов коленчатого вала на каждой передаче:

I j_a1= (0,37−0,015) *9,8/2,06=1,736

II j_a1= (0,24−0,015) *9,8/1,465=1,505

Данные расчета сводим в таблицу 5, в которую также заносим значения величин обратных ускорению 1/j_a

Таблица 5 — Ускорение автомобиля

По данным таблицы 5 строим графики зависимостей j_a=f (V_a) рисунок 5 и 1/ j_a=f (V_a) рисунок 6 для каждой передачи.

6.3 Время разгона

Графически интегрируем график значений обратных ускорений. По графику величин обратных ускорений строим огибающую. Ее отрезок на промежутке от 0 до 27.7 м/с делим на равные части и из центра этих отрезков проводим линии до пересечения с огибающей, проецируя их на ось обратных ускорений. Далее значения отрезков на оси обратных ускорений и разницу между концом и началом отрезков оси ординат подставим в формулу:

Дt=1/ja*ДV (28), Дt₁=5* (14−7) =35, Дt₂=5* (28−21) =35, Дt₃=6* (42−35) =42, Дt₄=10* (56−49) =70

Результаты измерений и расчетов заносим в таблицу 6.

Таблица 6 — Интегрирование графика обратных ускорений

Из таблицы 6 имеем:

? Дt=35+35+42+70=182 ммІ

Определим время разгона до скорости 27,7 м/с по формуле:

t=? Дt*a*b, (29)

где a — масштаб скорости M_Va, м*с/мм; М_Va=0,5 м/с/мм

b — масштаб обратного ускорения M_1/ja, сІ*м/мм; М_1/ja=0,1 с²/м/мм.

t=182*0,5*0,1=91с Время разгона от скорости V_o до скорости V₁ определяется по формуле:

t₁= Дt₁*a*b. (30)

t₁=35*0,5*0,1=1,75c

Время разгона от скорости V₁ до скорости V₂ определяется по формуле:

t₂= (Дt₁+ Дt₂) *a*b. (31)

t₂= (35+35) *0,5*0,1=3,5c

Аналогично находим t₃, t₄, до скорости 27,7 м/с По полученным значениям t и графику обратных ускорений определяем значения V_a и результаты приводим в таблицу 7.

Таблица 7 — Время разгона

По значениям таблицы 7 строим график пути разгона — рисунок 7.

Путь разгона. Путь разгона можно определить с помощью интегрирования кривой t=f (Va). Результаты измерений занесем в таблицу 8.

Таблица 8 — Интегрирование графика пути разгона

Из таблицы 8 имеем:

?ДS=138,5+401,65+512,45+609,4=1662 ммІ

Путь разгона до скорости 27,7 м/с определим по формуле:

S=?ДS*a*c; (32)

где a — масштаб скорости a, м*с/мм; a=4 м/с/мм; с — масштаб времени с, с/мм; c=0,1 с/мм.

S=1662*4*0,1=664,8 м.

7. Построение графика мощностного баланса

Иногда для решения задач удобнее пользоваться графиком мощностного баланса. Используя внешнюю скоростную характеристику, для каждой передачи определяем N_e как функцию от скорости V_a.

Чтобы учесть несоответствие между мощностями, тяговую мощность определяют так:

N_т=N_e*з_т*К_p (33)

N_т1=8,9*0,9*0,8=6,408 кВт

N_т2=29,72*0,9*0,8=21,41 кВт

Данные расчета сводим в таблицу 9.

Таблица 9 — Мощностной баланс автомобиля

Мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления воздуха, определим по формуле:

N_в=Р_в*V_a/1000 (34)

I N_в1=0,92*1,2/1000=0,0011 кВт

II N_в1=1,9*2,3/1000=0,004 кВт Аналогично проводим расчёт для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчётов сводим в таблицу 9.

Мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивления дороги определим по формуле:

N_д=G_a*ш*V_a/1000, (35), I N_д1=17 701,25*0.015*1,2/1000=0,319

II N_д1=17 701,25*0,015*1,9/1000=0,504

Аналогично проводим расчёт для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя и для различных коэффициентов =0,015; =0,02; =0,025. Данные расчета сводим в таблицу 9.

По данным таблицы 9 строится график мощностного баланса рисунок 8.

8. Построение экономической характеристики автомобиля

Текущее значение использования мощности в% определяется по формуле:

И=100 [ (N_д+N_в) /N_e*з_т*К_p] (36)

Рассчитаем текущее значение использования мощности на четвёртой передачи:

И₅₀₀= 100 [ (1,25+0,066) /8,9*0,95*0,8] =20,54%

Аналогично проводим расчёт для следующих значений оборотов коленвала двигателя и для различных коэффициентов =0,015; =0,025, и результаты расчётов сводим в таблицу 10.

Таблица 10. Топливная экономичность автомобиля. (IV передача)

Для каждого значения оборотов коленчатого вала находим коэффициент корректировки расхода топлива К_r по графику К_r=f (n_T/n_N). Его значения сводим в таблицу 10.

Принимается согласно [2; стр.90]. Его значения сводим в таблицу 10.

Определим коэффициент использования мощности двигателя по формуле:

(37)

где А, В, С — коэффициенты А=1,7; В=2,63; С=1,92.

Определим коэффициент использования мощности двигателя на четвёртой передачи:

К_И500=1,7−2,63*0, 2054+1,92*0, 2054²=1,24;

К_И1500=1,7−2,63*25,56+1,92*25,56²=1,15.

Аналогично проводим расчёт для следующих значений оборотов коленвала двигателя и для различных коэффициентов =0,015; =0,025, и результаты расчётов сводим в таблицу 10.

Определим расход топлива на 100 км по формуле (л/100 км):

(38)

где q_N — удельный расход топлива (г/кВт*ч); _Т — плотность топлива _Т=750 г/л. Удельный расход топлива определяется из формулы:

. (39)

где q_emin=250 г/кВт*ч.

q_N=1,1*250=275 г/кВт*ч.

Аналогично находим значения Q_S для всех значений частоты вращения и для различных коэффициентов =0,015; =0,025 и результаты заносим в таблицу 10, по которой строим график экономической характеристики автомобиля — рисунок 10, а также определяем средний расход топлива на прямой передаче в л/100 км.

При n_T=500 мин^-1 и n_T=1500 мин^-1:

Q_S500=275*1,12*1,24* (1,25+0,066) / (36*16,92*0,75*0,9*0,8) =1,53 л/100 км.

Q_S1500=275*1,07*1,15* (3,72+1,75) / (36*50,4*0,75*0,9*0,8) =1,89 л/100 км.

Заключение

В результате проектирования нового автомобиля был конструктивно рассчитан автомобиль ГАЗ-31 029.

Были определены все основные технические показатели автомобиля и подобраны шины (по ГОСТ).

Если сравнить полученные значения с прототипом, можно сделать вывод, что они практически совпадают

1. Глазунов А. В. Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 150 200-" Автомобили и автомобильное хозяйство". — Иркутск: 2003. — Ч.1.24с.

2. Литвинов А. С., Фаробин Я. Е. Автомобиль: Теория эксплутационных свойств. — М.: Машиностроение, 1989. — 240 с.

3. Главный конструктор АО «ГАЗ» Ю. В. Кудрявцев. Автомобили " Волга" ГАЗ-31 029. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. Издательство «За рулём», 1997. — 184с.