Пример тягового расчета грузового автомобиля с карбюраторным двигателем

Исходные данные

1. Максимальная скорость автомобиля = 80 км/ч.

2. Масса полезной нагрузки = 4000 кг

3. Коэффициент использования массы по формуле (2)

.

4. Собственная масса автомобиля по формуле (2)

4000 кг.

5. Полна масса автомобиля

кг.

6. Сила тяжести автомобиля

Н.

7. Коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля с максимальной скоростью (табл.4), f = 0.025.

8. Фактор обтекаемости = 0,30 кгс = 0,309,8 =

=2,94 Н 1, 4, 5, 6, 6, 7, 8 и (табл.6).

9. Механический КПД трансмиссии = 0.85 (табл.7)

10. Максимальный подъём, преодолеваемый автомобилем на прямой передаче, (2.6) = 0.026 7, 8; = arctg (0.026) = .

11. Максимальный коэффициент суммарного сопротивления дороги, преодолеваемого автомобилем на прямой передаче

= 0.025 + 0.026 = 0.051.

12. Максимальный подъём, преодолеваемый автомобилем на первой передаче, (29.5) 0.37, 8; arctg (0.3) = .

13. Максимальный коэффициент суммарного сопротивления дороги, преодолеваемого на первой передаче,

= 0.025 + 0.30 = 0.325 .

14. Распределение силы тяжести по осям 7, 8 :

 = 25.5;  = 74.5.

Нагрузка на переднюю ось

= 0.255, = 0.255  78400 = 19992 H.

Нагрузка на заднюю ось

= 0.745, = 0.745  78400 = 58408 H.

15. База автомобиля L = 4000 мм = 4м.

16. Координаты центра тяжести в продольной плоскости автомобиля по (7) и (8):

= 1.02 м;

= 2.98 м.

17. Координаты центра тяжести по высоте (высота центра тяжести) 1

= 900 = 0.9 м.

18. Наибольшая нагрузка, приходящаяся на одно (заднее) колесо

= 58408/4 = 14602 Н = 1460 кг.

По этой нагрузке из таблиц 1, 7 выбираем шины 260 20. имеющие радиус в свободном состоянии = 1038/2 = 519 мм = 0,519 м. Взяв = 0,93, по формуле (9) рассчитываем радиус колеса

= 0,93  0,519 = 0,48 м.

Определение внешней скоростной характеристики

по методу Зимелева

Из (20) с учетом (12) рассчитываем мощность двигателя, необходимую для движения автомобиля с максимальной скоростью

= 89,1 кВт.

Полученное значение мощности откладываем на графике при

= 80 км/ч (рис.3).

Задавшись коэффициентом оборотности (17) = 40 (табл.8), установим связь между скоростью автомобиля на прямой передаче и частотой вращения коленчатого вала двигателя и под шкалой скорости нанесём шкалу оборотов (рис.7).

Считая, кто двигатель работает с ограничителем максимальных оборотов, задаёмся отношением =1.15 и определяем частоту вращения коленчатого вала двигателя на режиме максимальной мощности :

= 2783 об/мин

Затем, подставляя в (18) вместо текущих значений и известные и , вычисляем по (21) максимальную мощность двигателя :

= 93.79  94 кВт

Далее, по формуле (18), рассчитываем внешнюю скоростную характеристику двигателя, задавшись, различными величинами частоты вращения коленчатого вала от до (табл.10) . Крутящие моменты двигателя определяем из выражения (19). В этой же таблице представлены величины мощности сопротивлений, подсчитанные по формуле (22) при подстановке в неё коэффициента суммарного сопротивления дороги = 0,051. Из графика рис.3 и табл.10 видно, что характеристика двигателя выбрана удачно, так как кривые мощностей и пересекаются, и автомобиль, двигаясь на прямой передаче, сможет преодолеть заданный подъём при скорости = 57 км/ч (см. точку пересечения кривых).

Рис.3 График определения скорости автомобиля на прямой передаче

Таблица 10

, км/ч	20	30	40	50	60	69.6	70	80
, об/мин	800	1200	1600	2000	2400	2783	2800	3200
, кВт	32.4	50.3	67.3	81.1	90.6	94	94	89.3
, Нм	387	401	402	387	361	323	321	267
, кВт	26.7	41.2	57.0	74.6	94.4	115.8	116.8	142.4

Определение передаточного числа главной передачи

Передаточное число главной передачи рассчитываем по формуле (25) :

= 0.377 = 0.377 = 7.24

Подбор передаточных чисел коробки передач

Вначале рассчитываем передаточное число первой передачи из (29) :

= = 4.94

Принимаем = 6.

Принятое передаточное число проверяем на отсутствие буксования ведущих колёс по формуле (32) :

= = 7.53

Условие выполняется, т.к. 6 < 7.53.

Принимаем число передач в коробке равным пяти, причём четвёртая передача прямая, а пятая ускоряющая. Тогда передаточные числа второй и третьей передачи вычисляются соответственно по формулам (37) и (38) :

= 3.3;

1.82.

Чтобы выполнялось условие (33) , уменьшим передаточные числа и соответственно до 3 и 1,65. Тогда получим

Передаточное число пятой передачи берём равным 0,75. Таким образом, имеем следующие передаточные числа коробки: = 6; = 3; = 1.65; = 1; = 0.75.

Следует отметить, что при конструировании коробки передач передаточные числа могут быть несколько изменены. Это связано с необходимостью получения одинакового межцентрового расстояния между шестернями, находящимися в зацеплении.

Определение основных показателей

динамичности автомобиля

Все показатели динамичности выражаем в зависимости от скорости автомобиля по формуле (45)

.

Скорость автомобиля на первой передаче

;

- на второй

;

- на третьей

;

- на четвёртой (прямой) передаче

;

- на пятой

.

Тяговое усилие на ведущих колёсах вычисляем по формуле (11)

;

Тогда :

- на первой передаче

= 12,82  6  = 76,92 ;

- на второй

= 12,82  3  = 38,46 ;

- на третьей

= 12,82  1,65  = 21,15 ;

- на четвёртой

= 12,82 ;

- на пятой передаче

= 12,82  0,75 = 9,62 ;

Динамический фактор рассчитываем по формуле (10):

;

Ускорения автомобиля вычисляем по формуле (43), а коэффициент учета вращающихся масс – по (44).

Коэффициент учета вращающихся масс

.

Тогда получим на различных передачах

= 2,48; = 1,4; = 1,15; = 1,08; = 1,06,

Ускорение автомобиля по (43)

.

Коэффициент сопротивления качению f принимаем равным 0,02. Подставляя значения  в формулу, получим:

- на первой передаче

;

- на второй

;

- на третьей

;

- на четвёртой

;

- на пятой

;

Результаты вычислений D и f для 1 – 5 передач сведены соответственно в табл.11 - 15 и представлены на рис.4 и 5.

Таблица 11

, об/мин	, км/ч	, Н  м	, H	, H	D	j,
800 1200 1600 2000 2400 2783 2800 3200	3.4 5.0 6.7 8.4 10.1 11.7 11.8 13.4	387 401 402 387 361 323 321 267	29768 30845 30922 29768 27768 24845 24691 20538	2.55 5.74 10.21 15.95 22.96 30.88 31.26 40.82	0.372 0.385 0.386 0.372 0.347 0.310 0.308 0.256	1.39 1.44 1.45 1.39 1.29 1.15 1.14 0.93

Таблица 10

, об/мин	, км/ч	, Н  м	, H	, H	D	j,
800 1200 1600 2000 2400 2783 2800 3200	6,7 10,1 13,4 16,8 20,2 23,4 23,52 26,9	387 401 402 387 361 323 321 267	14884 15423 15461 14881 13884 12423 12346 10269	10,20 22,96 40,84 63,80 91,84 123,52 125,02 163,29	0,186 0,192 0,193 0,185 0,172 0,154 0,153 0,126	1,16 1,20 1,21 1,15 1,06 0,94 0,93 0,74

Таблица 13

, об/мин	, км/ч	, Н  м	, H	, H	D	j,
800 1200 1600 2000 2400 2783 2800 3200	12,2 18,2 24,3 30,4 36,5 42,8 42,6 48,6	387 401 402 387 361 323 321 267	8185 8481 8502 8185 7635 6832 6789 5647	33,42 75,19 133,67 209,96 300,76 404,38 409,37 532,92	0,102 0,105 0,104 0,0997 0,0917 0,0803 0,0797 0,0639	0,69 0,72 0,716 0,68 0,61 0,51 0,509 0,37

Таблица 14

, об/мин	, км/ч	, Н  м	, H	, H	D	j,
800 1200 1600 2000 2400 2783 2800 3200	20 30 40 50 60 69,6 70 80	387 401 402 387 361 323 321 267	4161 5141 5153 4961 4628 4141 4115 3423	90,4 203,4 361,6 565,0 813,6 1095,0 1107,0 1446,0	0,0509 0,0617 0,0599 0,0550 0,0477 0,0381 0,0376 0,0247	0,28 0,38 0,36 0,32 0,25 0,16 0,16 0,04

Таблица 15

, об/мин	, км/ч	, Н  м	, H	, H	D	j,
800 1200 1600 2000 2400 2783 2800 3200	26,6 40,0 53,3 66,6 79,9 92,7 93,2 106,6	387 401 402 387 361 323 321 267	3723 3858 3867 3723 3473 3107 3088 2569	160,39 36088 641,56 1002,44 1443,51 1940,83 1964,78 2566,24	0,0445 0,0437 0,0403 0,0340 0,0254 0,0146 0,0140 0,0003	0,227 0,219 0,188 0,129 0,0499 - - -

Рис.4 динамическая характеристика

Расчет времени и пути разгона производим случая разгона автомобиля с места с переключением передач, начиная с первой передачи и кончая прямой [6, 9].

Наиболее интенсивный разгон (наибольшие ускорения) имеет место в случае переключения с низших передач на высшие при скоростях,

соответствующих точкам пересечения кривых ускорений переключаемых передач. Для нашего примера точка пересечения кривых ускорений первой и второй передач (рис.5) соответствует скорости 11 км/ч, кривые же ускорений второй и третьей, третьей и четвёртой передач не пересекаются. Поэтому считаем, что переключения со второй на третью и с третьей на четвёртую осуществляются при скоростях, соответствующих максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя, т.е. соответственно при и = 48.6 км/ч. Из графика ускорений (рис.5) следует, что разгоняться на пятой ускоряющей передаче нецелесообразно, так как ускорения на этой передаче ниже, чем на четвёртой (прямой). Из табл.15 видно, что на ускоряющей передаче двигаться со скоростями выше 79,9 км/ч (92,7; 93,2 и т.д.) невозможно, так как динамический фактор D при этих скоростях меньше коэффициента сопротивления качению (0,0146 < 0.02). ускоряющую передачу включают при движении автомобиля по хорошей дороге с большими скоростями или без груза. При этом частота вращения коленчатого вала двигателя снижается и расход топлива, как правило, меньше, чем при движении на четвёртой передаче.

Рис.5. График ускорений автомобиля

Время разгона вычисляем по формуле

, (46)

где - суммарная площадь под кривыми величин, обратных ускорениям, (рис.6);

- масштаб скорости (1мм - км/ч);

- масштаб величин, обратных ускорениям (1мм - /м);

- номер включенной передачи;

– время, затрачиваемое на переключение передач.

Рис.6. График обратных ускорений автомобиля

Для полуавтоматических коробок передач = 0,05 … 0,10 с,

для коробок передач с синхронизаторами = 0,2 … 0,5 с и

для коробок без синхронизаторов = 1 … 3 с.

Время принимаем равным с.

Время разгона без учета

Площади , масштабы и берём из графика величин, обратных ускорениям (рис.6), который строится по данным табл.16. результаты вычислений времени разгона сведены в табл.17 и представлены на графике рис.7. Время (табл.17) – это результат вычислений по формуле (46) без учета , а время . Таким образом, к времени добавлялись: на второй передаче = 0,4 с, на третьей 2= 0,8 с и на четвёртой 3 =1,2с.

Рис.7. График времени и пути разгона автомобиля

Время разгона подсчитано только до скорости 70 км/ч. Для грузового автомобиля, у которого при расчетное ускорение , можно было бы подсчитать время разгона и до максимальной скорости (в нашем примере = 80 км/ч). Однако в этом случае график величин, обратных ускорениям,

имел бы слишком большой размер по оси ординат ( сравните в табл.16: 1/j=

= 6.25 при = 70 км/ч и 1/j =25 при = 80 км/ч= 80 км/ч). Следует заметить, что в действительности при движении автомобиля с ускорение его будет равно нулю, так как ограничитель максимальных оборотов не позволяет двигателю увеличивать частоту вращения свыше 3200 об/мин и следовательно, увеличивать скорость свыше 80 км/ч. Указанное выше несоответствие получилось из-за того, что максимальная скорость задавалась при f = 0.025, а расчет ускорений проводился при f = 0.02.

Таблица 16

Пере- дача	, км/ч	, км/ч	1/j /м		Пере- дача	, км/ч	, км/ч	1/j /м
1	3,4 5,0 6,7 8,4 10,1 11,8 13,4	1,39 1,44 1,45 1,39 1,29 1,14 0,93	0,72 0,69 0,689 0,72 0,78 0,88 1,08		2	12,2 18,2 24,3 30,4 36,5 42,3 48,6	0,69 0,72 0,746 0,68 0,61 0,51 0,37	1,45 1,39 1,40 1,47 1,64 1,96 2,70
3	6,7 10,1 13,4 16,8 20,2 23,4 26,9	1,16 1,20 1,21 1,15 1,06 0,94 0,74	0,86 0,83 0,826 0,87 0,94 1,06 1,35		4	20 30 40 50 60 70 80	0,28 0,38 0,36 0,32 0,25 0,16 0,04	3,57 2,63 2,77 3,13 4,00 6,25 25,00

Таблица17

Пере- дача	, км/ч		с	t с	Пере- дача	, км/ч		с	t с
1	3,4 6,7 10,1 11	0 91 189 222	0 0,6 1,3 1,5	0 0,6 1,3 1,5	3	26,9 30,4 36,5 42,3 48,6	831 1034 1400 1820 2405	5,8 7,2 9,7 12,6 16,7	6,6 8,8 10,5 13,4 17,5
2	11,0 13,4 16,8 20,2 23,4 26,9	222 302 404 530 662 831	1,5 2,1 2,8 3,7 4,6 5,7	1,9 2,5 3,2 4,1 5,0 6,1	4	48,6 50,0 60,0 70,0	2405 2591 3991 5971	16,7 18,0 27,7 41,4	17,9 19,2 28,9 42,6

Таблица18

, км/ч		S м		, км/ч		S м
11 20 26,9 36 40 45	171 486 1112 2183 3019 4379	4,8 13,5 30,9 60,7 83,9 121,7		48,6 55 60 65 67 70	5609 8625 11615 15240 17220 20508	155,9 239,8 322,9 423,7 478,7 570,1

Таблица19

, км/ч	t с	S м		, км/ч	t с	S м
10 20 30 40	1,3 4,0 7,7 12,2	4,0 13,5 39 84		50 60 70	19,2 28,9 34,8	171 323 424

Путь разгона вычисляем по формуле

, (47)

где – суммарная площадь между осью ординат и кривой времени разгона (рис.7), ;

– масштаб времени (1 мм - с).

Из (47) получим

Площади и масштабы и берём из графика времени разгона (см.рис.7). Результаты вычислений сведены в табл.18 и представлены на графике пути разгона (см.рис.7).

Из графиков времени и пути разгона находим зависимость между t и S (табл.19) и строим график S = (t) (рис.8).

Рис.8. график интенсивности разгона автомобиля

Определение внешней скоростной характеристики

двигателя по методу Чудакова

по заданным и выбранным показателям и данным табл.8 находим все величины, необходимые для построения динамической характеристики автомобиля на прямой передаче:

= 80 км/ч; = f = 0.025

= 0.025 + 0.026 = 0.051;

= 0.90 ; = 0.90 0.051 = 0.046

= 0.06; = 0.6 80 = 68 км/ч;

= 0.22; = 0.22 80 = 17.6 км/ч = 40.

Динамическая характеристика, построенная по этим данным, представлена на рис.9, а величины скорости и динамического фактора, взятые из нее, - в табл.20. Имея коэффициент оборотности ( = 40), по скоростям рассчитываем частоты вращения коленчатого вала, а затем по формуле (16) – эффективные мощности двигателя (табл.20).

Рис.9 Динамическая характеристика

Таблица20

, км/ч	D	, об/мин	, кВт	, кВт	, Н м
17,6 30 40 48 60 70 80	0,046 0,049 0,050 0,051 0,045 0,036 0,025	704 1200 1600 1920 2400 2800 3200	21,1 39,7 56,0 70,9 85,1 89,9 89,1	26,7 48,8 63,9 75,0 86,6 90,0 86,1	362,3 382,2 38?,6 373,2 344,7 307,1 257,1

Полученные значения эффективной мощности (табл.20) необходимо скорректировать с помощью формулы (18). Взяв максимальное значение эффективной мощности = 89,9 90 кВт (табл.20) при = 2800 об/мин и задавшись текущими значениями , рассчитываем величины эффективной мощности несколько больше мощности , за исключением режима максимальной скорости, где наблюдается обратная картина. Поэтому заданный максимальный подъём на прямой передаче может быть реализован. Чтобы выяснить, при каком коэффициенте f сопротивления качению может быть достигнута заданная максимальная скорость = 80 км/ч, рассчитаем из (16) D = f , подставив вместо значение эффективной мощности, соответствующей , т.е. = 86,1 кВт. Расчет дал f = 0,0235. Таким образом = 80 км/ч может быть достигнута при f = 0,0235, что вполне нас устраивает, так как незначительно от взятого нами значения f = 0,0250.

Результаты расчета внешней скоростной характеристики двигателя по методу Зимелева П.В. и Чудакова Е.А. несколько отличаются друг от друга (см. табл.10 и 20).однако это отличие при заданных и выбранных параметрах невелико.