Основы построения автомобиля

Содержание Порядок выполнения работы Исходные данные для расчета.

1. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя.

2. Расчет силового баланса автомобиля.

3. Динамическая характеристика автомобиля.

4. Разгон автомобиля.

4.1 Ускорение при разгоне автомобиля.

4.2 Время и путь разгона автомобиля.

5. Динамическое преодоление подъема.

6. Движение автомобиля накатом Использованная литература.

Порядок выполнения работы Расчетно-графическая работа включает следующие разделы, выполняемые в указанной последовательности:

1. Расчет и построение внешней характеристики двигателя.

2. Силовой баланс автомобиля.

3. Динамическая характеристика автомобиля.

4. Разгон автомобиля.

5. Динамическое преодоление подъема.

Исходные данные для расчета Марка автомобиля Ford Mondeo 3.

Колесная формула 2×4.

Полная масса 1369 кг в т. ч. на переднюю ось 739 кг на заднюю ось 630 кг максимальная скорость 220 км /ч максимально преодолеваемый подъем 45.

время разгона до 100 км/ч 11,4 с Габариты:

Колея 1522/1537 мм/мм Высота 1430 мм Двигатель — 4-х цилиндровый, бензиновый, инжекторный Максимальная мощность Nemax = 110 кВт, развивается при частоте вращения коленчатого вала n = 6000 об/мин.

Максимальный крутящий момент Memax = 215 Н· м при 4500 об/мин.

Трансмиссия 5-ти ступенчатая механическая.

Передаточные числа:

коробки передач I — 3,231; II — 2,136; III — 1,483; IV — 1.114; V — 0.854;

главной передачи — 4,06.

Размер шин 205 / 55 R 16.

Масса колеса 13 кг.

1. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя Все расчеты в настоящей работе выполняются в Международной Системе измерений (СИ), поэтому все внесистемные единицы из исходных данных следует пересчитать.

Частоту n (об/мин) вращения коленчатого вала следует перевести в угловую скорость щ, (), используя формулу:

(1).

мощность двигателя из лошадиных сил переводится в киловатты:

(2)

Определить максимальную и минимальную угловую скорости вращения коленчатого вала двигателя.

Максимальную угловую скорость выбирают в пределах.

(3).

Возьмем:

Для дизелей и бензиновых двигателей с ограничителями частоты вращения коленчатого вала принимают меньшее значение коэффициента.

Минимальная устойчивая скорость вращения коленчатого вала.

Внешнюю скоростную характеристику двигателей внутреннего сгорания определяют стендовыми тормозными испытаниями. Для этого коленчатый вал двигателя, работающего при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора или при максимальной подаче топлива, нагружают тормозным крутящим моментом MT замеряя его величину и скорость вращения коленчатого вала, которая при увеличении MT снижается. По полученным результатам строят зависимость Me (), затем рассчитывают мощность двигателя Ne ().

Расчетным путем внешнюю скоростную характеристику двигателя строят по формуле:

где — текущее значение скорости вращения коленвала.

Nе — текущее значение эффективной мощности двигателя.

Для построения внешней скоростной характеристики в диапазоне скоростей — следует выбрать 5…7 точек включая и в соответствии с формулой (4) рассчитать значение Ne.

Эффективный крутящий момент двигателя определить по формуле:

Результаты вычислений величин Ne, Me, Mmax сводим в таблицу 1.

Таблица 1.

Результаты расчета внешней скоростной характеристики двигателя автомобиля «Ford Mondeo 3» .

По результатам таблицы 1 строят внешнюю скоростную характеристику двигателя — графики зависимостей Ne (щe) и Me (щe) рис. 1, на которых указывают величины Nmax, Mmax, MN, щN, щM, щmax, щmin.

2. Расчет силового баланса автомобиля С помощью уравнений силового и мощностного баланса можно найти все параметры, характеризующие тягово-скоростные свойства автомобиля. Это нелинейные дифференциальные уравнения с переменными скоростью V и ее первой производной j. Аналитическое решение этих уравнений в общем виде затруднительно в связи с отсутствием точных аналитических выражений внешних характеристик двигателя и других зависимостей основных действующих на автомобиль сил с его скоростью. Уравнение движения автомобиля решают, приближенно используя графоаналитические методы. Наибольшее распространение получили методы силового баланса, мощностного баланса и динамической характеристики.

Уравнение силового баланса имеет вид:

где Рт — тяговая сила на ведущих колесах автомобиля;

Рд — сила сопротивления дороги;

Рв — сила сопротивления воздуха;

Ри — приведенная сила инерции.

Параметры тягово-скоростных свойств автомобиля определяют при работе двигателя с полной подачей топлива. Для этих условий строим тяговую характеристику автомобиля, т. е. зависимость тяговой силы Рт на колесах автомобиля от скорости V его движения. Тяговая сила зависит от величины крутящего момента Me развиваемого двигателем, передаточного числа iТР трансмиссии, радиуса rK колеса определяется из формулы где Me — крутящий момент, развиваемый двигателем;

ik — передаточное число коробки передач;

iГ — передаточное число главной передачи;

з — коэффициент полезного действия (далее к. п. д.) трансмиссии;

rк — радиус колеса.

Значение коэффициента з (буква «эта» — греч.) полезного действия трансмиссии представлены в таблице 2.

Коэффициент полезного действия трансмиссии таблица 2.

Из таблицы 2 для «Ford Mondeo 3» выбираем з = 0,95.

Скорость движения автомобиля определяют по формуле:

где щe — угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя.

Радиус rк колеса можно определить из выражения:

где d — посадочный диаметр обода, в миллиметрах;

H/B — отношение высоты шины к ширине ее профиля;

B — ширина профиля шины.

Например, размер шин «Ford Mondeo 3» — 205/55 R — 16, где 205 — ширина В профиля шины в мм, 55 — отношение Н/В в процентах (Н/В = 0,55), 16 — посадочный диаметр d обода в дюймах.

В соответствии с учетом перевода дюймов в миллиметры:

r_к=((0,5*16*25,4)+(0,55*205))/1000=0,316 м Для построения графиков PT (V) удобно составить уравнения PTi (Me) и Vi (щe) на каждой передаче. Для автомобиля «Ford Mondeo 3» зависимости.

P_T1 = 39,4?Me.

P_T2 = 26,1?Me.

P_T3 = 18,1?Me.

P_T4 = 13,6?Me.

P_T5 = 10,4?Me.

зависимости V (щ_e).

V₁ = 0,024?щ_e

V₂ = 0,036?щ_e

V₃ = 0,052?щ_e

V₄ = 0,07?щ_e

V₅ = 0,091?щ_e

Подставляя в формулы (12) и (13) соответствующие значения Me и щe из внешней характеристики (таблице 1), рассчитываем значения PT и V на всех передачах. Скорость движения автомобиля считаем в м/с и в км/ч, учитывая, что V (км/ч) = V (м/с)· 3,6.

Таблица 3. Расчётные значения скорости движения и тяговой силы.

Силы сопротивления движению.

Сила сопротивления дороги.

где ш — коэффициент сопротивления дороги.

Коэффициент ш определяют как ш = f + i,.

где f — коэффициент сопротивления качению колес;

i — коэффициент уклона дороги.

Коэффициент f сопротивления качению колес растет с увеличением скорости движения автомобиля, его определяют как где f₀ — коэффициент сопротивления качению колес при скорости V < 20 км/ч.

f₀=0,012.

С учетом (14) и (15) сила сопротивления дороги Силу сопротивления воздуха определяем из выражения где k_в — коэффициент лобового сопротивления автомобиля, зависящий от его формы, м*с/м⁴

F_в — лобовая площадь автомобиля, м².

Лобовую площадь F определяют по эмпирической формуле:

где В — колея автомобиля, м;

Н — габаритная высота, м.

Для автомобиля «Ford Mondeo 3» В = 1,53 м, Н = 1,43 м, F=2,19 м²

G_a=m_a· g=1369·9,81=13430H.

Принимаем k_в = 0,2.

P_в=0,438V²

При движении по горизонтальному участку дороги (б = 0) с асфальтовым покрытием в хорошем состоянии, принимая f = 0,012, из выражения Р_д=13 430· 0,012+(13 430·0,012/20 000) · V²=161,2+0,008V²

Приведенная к колесам автомобиля сила Р инерции.

При установившемся прямолинейном движении автомобиля принимаем:

Суммарное сопротивление движению автомобиля: РУ = Рд + Рв.

Рассчитывают Рд, Рв и РУ (таблица 6). Для построения графиков Рд (V), Рв (V) и РУ (V) необходимо рассчитать не менее шести точек.

Таблица 6. Расчетные значения Рд, Рв и РУ.

По полученным значениям Рд, Рв и РУ на графиках силы тяги РТ (V) строим зависимости Рд (V), Рв (V), РУ (V).

Определение максимальной скорости движения автомобиля.

График РУ (V) определяет величину тяговой силы необходимой для равномерного движения автомобиля в заданных дорожных условиях. Для равномерного движения автомобиля силу РT тяги на колесах автомобиля регулируют подачей топлива и выбором передачи.

Автомобиль движется с ускорением, если сила РT тяги на колесах больше силы РУ суммарного сопротивления движению. При РT = РУ автомобиль движется равномерно, его ускорение равно нулю. Если РT < РУ, автомобиль движется с замедлением.

Максимальную скорость Vmax движения автомобиля можно определить из абсциссы точки пересечения графиков РT (V) и РУ (V) (величину абсциссы следует умножить на масштаб). Из рисунка 3 автомобиля «Ford Mondeo 3» рассчитанное значение максимальной скорости составляет 210 км/ч, что практически соответствует величине, представленной в исходных данных — 220 км/ч.

Чтобы определить максимальную силу Рдmax сопротивления дороги, которую автомобиль способен преодолеть при равномерном движении с заданной скорость, следует из ординаты РT вычесть ординату Рв, разница представляет собой силу сопротивления дороги Рдmax.

Угол подъема, который автомобиль может преодолеть при движении с заданной скоростью, определяют по формуле Р_{д max}=8353 H-23,3 H=8329,7 H.

При скорости движения V = 26,3 км/ч на I передаче и f₀= 0,012 максимально возможный угол подъема, преодолеваемого автомобилем Максимальный подъем, преодолеваемый автомобилем «Ford Mondeo 3» при Мmax, на скорости 26,3 км/ч составляет б_max? 31,8°.

Возможность движения автомобиля может быть ограничена буксованием ведущих колес. Автомобиль движется без буксования, если сила тяги на ведущих колесах меньше, чем сила их сцепления с дорогой, т. е.:

Если P_T< P_СЦ, ведущие колеса будут пробуксовывать.

Силу Р_СЦ сцепления ведущих колес при движении автомобиля по горизонтальной дороге можно определить как где G_СЦ — сцепной вес автомобиля, ц _x — коэффициент продольного сцепления колеса с дорогой.

Считая, что дорога с асфальтобетонным покрытием в отличном состоянии, согласно таблицы ц _x = 0,7. Из технической характеристики «Ford Mondeo 3» G_СЦ = 7250 Н. Сила сцепления при ц _x = 0,7, P_сц=7250· 0,7=5075Н максимальная сила тяги на колесах автомобиля Р = 8353 Н, т. е. движение без буксования ведущих колес возможно на всех передачах. При движении по глинистой дороге (?х = 0,5) P_СЦ = 3625 Н. Построив график зависимости Р_СЦ(V) (горизонтальная линия) рис. 3 определим, что движение без буксования с полной подачей топлива возможно только на IV и на V передачах. На III передаче движение возможно только при скорости менее 30 км/ч и более 89 км/ч. для движения без буксования со скоростью то 30 до 89 км/ч на третьей передаче необходимо уменьшить подачу топлива и соответственно РТ прикрыв дроссельную заслонку.

3. Динамическая характеристика автомобиля Динамической характеристикой называют графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости движения на различных передачах и полной нагрузке на двигатель. Динамический фактор определяют из выражения:

Или где Р_Т — тяговая сила на колесах автомобиля; ш — коэффициент сопротивления дороги; j — ускорение автомобиля; g — ускорение свободного падения.

Так как Р_Т и Р_в зависят от скорости V движения автомобиля, то величина D также зависит от V. Для построения графиков D (V) принимаем расчетные значения V и РТ из таблицы 3 на всех передачах. Величину Р_в определяем для каждого значения скорости V по формуле (20).

Величину D рассчитываем по формуле (32) с учетом, что для «Ford Mondeo 3» G_а = 13 430 Н. Результаты расчета сводим в таблицу 8.

Таблица 8. Расчет динамического фактора (D).

По результатам расчетов (таблица 8) строим графики D (V) на всех передачах (рисунок 4). На рисунке 4 также наносим графики f (V). Зависимость изменения коэффициента сопротивления качению f от скорости V находим по формуле (15) для значений скорости V 0,30, 60, 90, 120, 150, 180, 229,3 км/ч (таблица 9).

Таблица 9. Изменение коэффициента сопротивления качению f от скорости V движения автомобиля (f₀ = 0,012).

По динамической характеристике можно судить о тягово-скоростных свойствах автомобиля. При равномерном движении (j = 0) D = ш или D = f + i, т. е. ордината каждой точки графика D определяет величину коэффициента ш сопротивления дороги.

Максимальный динамический фактор на I передаче (для «Ford Mondeo 3» D? 0,62) определяет максимальное дорожное сопротивление, преодолеваемое автомобилем. Максимальная скорость на каждой передаче в заданных дорожных условиях определяется абсциссой точки пересечения графиков D (V) и ш (V). Для «Ford Mondeo 3» при движении на V передаче V? 211 км/ч.

Из динамической характеристики всегда можно определить величину преодолеваемого подъема (в т.ч. и максимально возможного) в заданных дорожных условиях.

В соответствии с выражением D = ш = f + i разница между ординатами графиков D (V) и f (V) i = D — f есть максимальный подъем, преодолеваемый автомобилем.

4. Разгон автомобиля В городском цикле время равномерного движения автомобиля составляет 15…20% всего времени движения, 30…45% занимает ускоренное движение и 30…40% - движение накатом и торможение.

Показателями динамичности автомобиля служат:

— величина максимального ускорения;

— время и путь разгона в определенном интервале скоростей.

4.1 Ускорение при разгоне автомобиля Величину ускорения определяют из выражения где D — динамический фактор;

ш — коэффициент сопротивления дороги;

д_вр — коэффициент учета вращающихся масс;

g — ускорение свободного падения.

Коэффициент д_вр учета вращающихся масс определяет соотношение между затратами кинетической энергии на разгон поступательно и вращательно движущихся масс. Поступательно разгоняется сам автомобиль, вращательно — колеса, шестерни коробки передач и главной передачи, карданный вал, маховик и др.

Коэффициент д_вр определяют для каждой передачи по формуле где i_К — передаточное число коробки передач.

Таблица 10. Расчетные значения д_вр для «Ford Mondeo 3» .

Величину ускорений для каждого значения скорости движения автомобиля рассчитывают при условии максимального использования мощности двигателя и отсутствия буксования колес автомобиля по горизонтальной дороге с асфальтобетонным покрытием в хорошем состоянии, принимая ш = f₀ = 0,012.

Величину динамического фактора при заданном значении скорости V.

принимают из таблицы 8.

Результаты расчета ускорений на каждой передаче заносят в таблицу 11.

Таблица 11. Результаты расчета ускорений автомобиля «Ford Mondeo 3» (ш = f = 0,012).

По результатам расчета строят графики зависимости j (V) (рисунок 5). Абсциссы точек пересечения графиков j (V) на смежных передачах определяют оптимальные скорости переключения передач при максимальной интенсивности разгона полностью загруженного автомобиля. Для автомобиля «Ford Mondeo 3» скорости переключения передач с первой на вторую V₁₋₂? 51 км/ч, второй на третью V₂₋₃? 87 км/ч, с третьей на четвертую V₃₋₄? 130 км/ч, с четвертой на пятую V₄₋₅? 174 км/ч.

4.2 Время и путь разгона автомобиля Определяют графоаналитически. Для этого диапазон скоростей движения при разгоне на каждой передаче разбивают на 3 … 5 интервалов (для низших передач берут большее число интервалов).

На каждом интервале определяют:

— начальную V_Н и конечную V_К скорости движения автомобиля (из таблицам 8, 11);

— начальное j_Н и конечное j_К ускорения (из таблицы 11);

— рассчитывают среднее ускорение автомобиля на интервале.

— время разгона на интервале.

— общее время разгона от V = 0 до V.

— путь, проходимый автомобилем на каждом интервале.

— общий путь разгона автомобиля Во время переключения передач автомобиль движется накатом, скорость его движения при этом снижается.

Время t_П переключения передач зависит от квалификации водителя, конструкции коробки передач и типа двигателя и составляет 0,5…1,5 с для автомобилей с карбюраторным двигателем Для автомобиля «Ford Mondeo 3» выбираем t = 0,5с.

Снижение скорости V за время переключения передач Величина пути, пройденного автомобилем за время переключения передачи Результаты расчета пути и времени разгона заносят в таблицу (таблица 12).

Таблица 12. Расчет пути и времени разгона автомобиля «Ford Mondeo 3» .

Переключение с I на II.

_ДV=0.2м/с.

_ДS=7м Начальная скорость движения на II передаче V_II=14.17−0.2=13.97.

Начальный путь S_II=39.52м Переключение с II на III.

_ДV=0.2м/с.

_ДS=12м Начальная скорость движения на III передаче V_III=23.97м/с Начальный путь S_III=132,58 м Переключение с III на IV.

_ДV=0.2м/с.

_ДS=18м Начальная скорость движения на IV передаче V_IV=35.91м/с Начальный путь S_IV=380.23м Переключение с IV на V.

_ДV=0.2м/с.

_ДS=29м Начальная скорость движения на V передаче V_IV=48.13м/с Начальный путь S_IV=1012.7м По результатам расчетов таблицы 12 строим графики пути S и времени разгона автомобиля. Для удобства дальнейших расчетов топливной экономичности, в отличие от предыдущих графиков строят зависимость скорости V движения автомобиля от величины пройденного пути S и времени tp разгона (рисунок 6). Из таблицы 12 и рисунка 6 следует, что автомобиль «Ford Mondeo 3» разгоняется до максимальной скорости за 64 с, проходя путь 2658 м. Время разгона до 100 км/ч составляет приблизительно 16с. Путь разгона до 100 км/ч составляет? 280 м.

5. Динамическое преодоление подъема Определение максимального подъема, преодолеваемого автомобилем, описанное ранее, относится к случаю, когда автомобиль движется равномерно. Также автомобиль может преодолевать подъемы, двигаясь с разгона, используя накопленную кинетическую энергию. Подъемы, преодолеваемые с разгона, могут быть круче, чем при равномерном движении, однако длина их ограничена.

При расчете длины подъема считают, что автомобиль приближается к подъему с максимальной скоростью. В начале подъема коэффициент сопротивления дороги увеличивается от ш1 до ш2. Конечная скорость движения на подъем определяется абсциссой точки пересечения графиков ш (V) и D (V).

Графики изменения скорости V движения автомобиля в зависимости от длины S подъема и времени tП движения на подъем строятся также как графики разгона.

Замедление автомобиля при движении на подъем:

(35).

где ш = i + f — коэффициент сопротивления дороги при движении на подъем.

Для дальнейших расчетов принимаем ш = f = 0,012, тогда при движении автомобиля на подъем с углом б = 6,5°, i = tg (б) = 0,114 и ш = i + f = 0,114 + 0,012 = 0,126. Величину д_ВР принимаем из таблицы 10.

Также как при расчете разгона, диапазон скоростей движения на каждой передаче разбиваем на интервалы.

Путь S и S, и время t и t движения определяем по формулам (31), (32), (33), (34).

Расчеты сводим в таблицу 13.

Таблица 13. Динамическое преодоление подъема.

Переключение с V на IV передачу:

? tn = 0.5с, tн_III = 12.6 с? Vп = 33 · 0.5 · 0,126 = 2 м/с, V_нIII =47,4м/с.

?Sп=27 м, S = 678.6м.

На IV передаче автомобиль «Ford Mondeo 3» может преодолевать оставшуюся часть подъема, двигаясь равномерно со скоростью V = 150 км/ч. Из графика рис. 5 следует, что при этом D? 0,126, т. е. в этих условиях «Ford Mondeo 3» имеет запас тяги, который определяется разницей между D и ш.

График (рисунок 7) изменения скорости V движения автомобиля от величины пройденного пути S и времени t строят также и в том же масштабе, что и график разгона.

6. Движение автомобиля накатом При движении накатом двигатель отсоединен от колес, тяговая сила на колесах автомобиля отсутствует, потери на трение в трансмиссии невелики, т. к. агрегаты работают без нагрузки.

Замедление автомобиля при движении накатом.

(39).

где дн — коэффициент учета вращающихся масс при накате, т. к. двигатель отключен от трансмиссии дн = 1,05;

Рх.х — приведенная к ведущим колесам сила сопротивления трансмиссии при работе на холостом ходу.

Величину Рх.х. можно определить как.

(40).

где Кх. х — коэффициент холостого хода для автомобилей колесной формулы.

4x2 — Кх. х = 1;

4x4 — Kх. х = 1,5;

6x6 — Кх. х? 2…3.

Подставляя значения Рд, Рв и Рх. х в (39) получим.

(41).

При i = 0, опуская за малостью получим.

(42).

Для автомобиля «Ford Mondeo 3» подставляем kв = 0,2 м⁴/?мс В = 1,53 м, Н =1,43 м, G_а = 13 430 H, f_о = 0,012.

Расчет пути Sn и времени tn движения автомобиля накатом проводим в диапазоне скоростей от начальной Vн равной конечной скорости преодоления подъема (для «Ford Mondeo 3» Vн = 150 км/ч) до конечной Vк (для грузовых автомобилей Vк = 10 км/ч, для легковых Vк = 20 км/ч).

Для расчета диапазон изменения скоростей делим на 5…6 интервалов.

При расчете среднего замедления на каждом интервале в формулу (43) подставляем среднее значение скорости движения на интервале. Время tn движения на каждом интервале и путь? Sn, пройденный за интервал, а также суммарные путь Sн и время Тн рассчитываем по формулам (29), (30), (31), (32).

Результаты расчета сводим в таблицу 14.

Таблица 14. Расчет движения автомобиля накатом.

График изменения скорости V движения автомобиля в зависимости от величины пути Sн, пройденного накатом (рисунок 7 (2)) строится также и в том же масштабе, что и графики разгона и динамического преодоления подъема (рис. 6, 7).

Использованная литература силовой баланс автомобиль разгон.

1. Вахламов В. К. Автомобили: эксплуатационные свойства: Учебник для студ. высших учебных заведений. — М.: Издат. центр «Академия», 2005.

2. Иванов В. В. и др. Основы автомобиля и трактора. -М.: Высшая школа, 1974 г.- 245 с.

3. Илларионов В. А. и др. Теория и конструкция автомобиля: Учебник для автотранспортных техникумов. — М.: Машиностроение, 1985 г. -368 с.

4. Краткий автомобильный справочник. — М.: Транспорт, 1994 г.- 464 с.

5. Литвинов А. С. и др. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». -М.: Машиностроение, 1989 г.- 240 с.

6. Осепчугов В. В., Фрумкин А. К. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». -М.: Машиностроение, 1989 г.- 340 с.

7. Туревский И. С. Теория автомобиля. Учебное пособие. — М.: Высшая школа, 2005.