Расчетно-графический анализ тягово-скоростных свойст автомобиля ВАЗ-21083 Министерство образования Украины Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет Кафедра автомобилей Расчетно-графический анализ тягово-скоростных свойств автомобиляВАЗ -21083 Выполнил:студент гр.А-33 Бесчастнов П.С. Проверил: Писарев В.П. Харьков 2003 Введение Различные виды подвижного состава автомобильного транспорта – одиночные автомобили, седельные и прицепные автопоезда объединяются понятием “автотранспортные средства”/АТС/. Общим для них служат колесные движители и опорные оси в различных комбинациях. В связи с этим взаимодействие АТС с дорогой и окружающей средой базируется на тех же основных закономерностях, что и для одиночного автомобиля. Эффективность использования АТС в различных условиях эксплуатации определяется комплексом их потенциальных эксплуатационных свойств – тягово-скоростных, тормозных, проходимости, топливной экономичности, устойчивости и управляемости, комфортабельности плавности хода. На эти эксплуатационные свойства влияют основные параметры автомобиля и его узлов, прежде всего двигателя, трансмиссии и колес, а также характеристики дороги и условий движения. При выполнении курсовой работы оценивалась взаимосвязь и взаимозависимость совместного влияния конструктивных параметров автомобиля и условий движения на эксплуатационные свойства. При анализе тягово-скоростных свойств автомобиля ВАЗ – 21083 выполняются необходимые расчеты на основании конкретных технических данных, строятся графики и по ним анализируются тягово-скоростные свойства. Исходные данные для расчета Вид автомобиля легковой Полная масса м, кг 1370 Марка и тип двигателя ВАЗ-21083, карбюраторный Максимальная мощность Nemax, кВт 52,6 Частота вращения двигателя при максимальной мощности nN, об/мин 5600 Наличие ограничителя частоты вращения коленчатого вала нет Передаточные числа Uk1 3,636 Uk2 1,95 Uk3 1,357 Uk4 0,941 Uk5 0,784 раздаточной коробки или делителя нет главной передачи Ud 3,7 Шины 175/70R13 Статистический радиус колес rст 0,269 Габаритные размеры: ширина Br, м 1,62 высота Hr, м 1,402 КПД трансмиссии η 0,9 Коеффициент сопротивления воздуха К, Η*c2 /м4 0,25 σ/ Реальные значения основных параметров автомобиля для сравнения их с полученными расчетами Максимальный крутящий момент двигателя Memax, Η*м 106,4 Частота вращения двигателя при максимальном крутящем моменте nм, об/мин 3400 Максимальная скорость Vmax, км/ч 156 Время разгона до 100 км/ч tp, с 13 1.Построение внешней скоростной характеристики двигателя Для построения внешней скоростной характеристики поршневого двигателя внутреннего сгорания используют эмпирическую формулу, позволяющую по известным координатам одной точки скоростной характеристики (Nemax и nN ) воспроизвести всю кривую мощности: где Ne , кВт – текущее значение мощности двигателя, соответствующее частоте вращения вала двигателя n, об/мин; Nemax , кВт – максимальная мощность двигателя внутреннего сгорания при частоте вращения nN , об/мин; A1 , A2 – эмпирические коэффициенты, характеризующие тип двигателя внутреннего сгорания. Значения эмпирических коэффициентов A1 , A2 принимают для карбюраторных двигателей A1 = A2 = 1,0. Для выбора текущего значения n диапазон частоты вращения вала двигателя от минимально устойчивых оборотов nmin до nN разбивают на произвольное число участков: Так как у карбюраторного двигателя, не имеющего ограничителя частоты вращения, максимальная частота вращения коленчатого вала nmax при движении автомобиля с максимальной скоростью может на 10-20% превышать частоту nN , для него берут еще одно значение n после nN c тем же интервалом D n . Минимальную частоту вращения коленчатого вала nmin выбирают в пределах 800 об/мин. Определив Ne для принятых значений n , вычисляют соответствующие значения крутящего момента двигателя, Нм: Результаты расчетов сводят в табл.1 и строят внешнюю скоростную характеристику двигателя Ne = f( n) и Me = f( n) . Таблица 1 Результаты расчетов внешней скоростной характеристики двигателя Параметры Значение параметров n,об/мин 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 A1*n/nN 0,1429 0,2857 0,4286 0,5714 0,7143 0,8571 1 1,1429 A2(n/nN )^2 0,0204 0,0816 0,1837 0,3265 0,5102 0,7347 1 1,3061 (n/nN )^3 0,0029 0,0233 0,0787 0,1866 0,3644 0,6297 1 1,4927 A1*n/nN +A2(n/nN )^2-(n/nN )^3 0,1604 0,344 0,5336 0,7113 0,8601 0,9621 1 0,9563 Ne,кВт 8,437 18,0944 28,0674 37,4144 45,2413 50,6065 52,6 50,301 Ме,Hм 100,717 108,001 111,685 111,659 108,014 100,686 89,702 75,059 2.Построение графиков силового баланса и динамической характеристики При построении графиков силового баланса для различных передач и скоростей движения автомобиля рассчитывают значения составляющих уравнения силового баланса: Тяговое усилие на ведущих колесах определяют из выражения, Н: где rд - динамический радиус колеса, который в нормальных условиях движения принимаем равным rст , м. Вторую составляющую силового баланса - силу суммарного дорожного сопротивления определяют по формуле, Н: где G= gm - полный вес автомобиля, Н; g= 9.8I м/с2 - ускорение свободного падения. В расчетах не учитывается влияние скорости движения на коэффициент сопротивления качению, в связи c чем полагают Y=const. Для ВАЗ-21083 G=9,81*1370=13439,7 Н, а при заданном Y=0,019 Р=0,019*1370*9,81=255,35 Н. Сила сопротивления воздуха, Н: где F - лобовая площадь, м2 ; v - скорость автомобиля, км/ч. Лобовая площадь может быть определена по чертежу автомобиля, а при его отсутствии - приближенно по выражению: где a - коэффициент заполнения площади, для легковых автомобилей a=0,78-0,8 . Для ВАЗ - 21083 F = 0,78*1,65*1,402=1,804 м2 Сила сопротивления разгону, Н: где d - коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся масс; j - ускорение автомобиля в поступательном движении, м/с2 . При построении и анализе графиков силового баланса величина Pj не рассчитывается, а определяется как разность тягового усилия Pk и суммы сопротивлений движению ( P Y + Pw ) . График силового баланса и все последующие строят в функции скорости автомобиля v, км/ч, которая связана с частотой вращения вала двигателя n зависимостью: где rk - радиус качения колеса, м, равный при отсутствии проскальзывания статическому радиусу rст . Динамический фактор автомобиля D определяется для различных передач и скоростей движения по формуле: Переменные по скорости величины Pk , Pw и D рассчитывают по формулам, сводят данные расчетов в табл.2 и строят по ним графики силового 6aланca и динамической характеристики. Таблица 2 Результаты расчетов силового баланса и динамической характеристики Параметры Значение параметров n,об/мин 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 Ме,Нм 100,717 108,001 111,685 111,659 108,014 100,686 89,702 75,059 V,км/ч 6,0081 12,0163 18,0244 24,0326 30,0407 36,0489 42,057 48,0652 Uк1 = Pк,Н 4600,82 4933,55 5101,84 5100,65 4934,15 4599,4 4097,64 3428,74 3,636 Рw,Н - - 11,3079 20,1031 31,411 45,232 61,5656 80,4124 Рк-Рw,H 4600,82 4933,55 5101,84 5100,65 4934,15 4599,4 4097,64 3428,74 D 0,3423 0,3671 0,3796 0,3795 0,3671 0,3422 0,3049 0,2551 V,км/ч 11,2029 22,4058 33,6086 44,8115 56,0144 67,2173 78,4202 89,6231 Uк2 = Pк,Н 2467,43 2645,88 2736,14 2735,5 2646,2 2466,68 2197,58 1838,85 1,95 Рw,Н - 17,474 39,315 69,894 109,21 157,262 214,051 279,577 Рк-Рw,H 2467,43 2645,88 2736,14 2735,5 2646,2 2466,68 2197,58 1838,85 D 0,1836 0,1969 0,2036 0,2035 0,1969 0,1835 0,1635 0,1368 V,км/ч 16,098 32,197 48,295 64,394 80,492 96,591 112,689 128,788 Uк3 = Pк,Н 1717,08 1841,26 1904,07 1903,63 1841,49 1716,55 1529,29 1279,65 1,357 Рw,Н 9,02 36,082 81,183 144,329 225,511 324,739 442,002 577,314 Рк-Рw,H 1717,08 1841,26 1904,07 1903,63 1841,49 1716,55 1529,29 1279,65 D 0,1278 0,137 0,1417 0,1416 0,137 0,1277 0,1138 0,0952 V,км/ч 23,215 46,431 69,646 92,861 116,077 139,292 162,507 - Uк4 = Pк,Н 1190,7 1276,81 1320,36 1320,05 1276,96 1190,33 1060,47 - 0,941 Рw,Н 18,76 75,04 168,83 300,14 468,98 675,33 919,19 - Рк-Рw,H 1171,94 1201,77 1151,53 1019,91 807,98 515 141,28 - D 0,0872 0,0894 0,0857 0,0759 0,0601 0,0383 0,0105 - V,км/ч 27,864 55,729 83,593 111,457 139,322 167,186 - - Uк5 = Pк,Н 992,04 1063,78 1100,07 1099,81 1063,91 991,73 - - 0,784 Рw,Н 27,02 108,1 243,22 432,39 675,62 972,88 - - Рк-Рw,H 965,02 955,68 856,85 667,42 388,29 18,85 - - D 0,0718 0,0711 0,0638 0,0497 0,0289 0,0014 - - РΨ+РW ,H 282,37 363,45 498,57 687,74 930,97 1228,23 - - 255,3543 255,3543 255,3543 255,3543 255,3543 255,3543 - - 3.Оценка показателей разгона автомобиля Показатели разгона автомобиля представляют собой графики ускорений, времени и пути разгона в функции скорости. Ускорение j для разных передач и скоростей определяют по значениям D из табл.2, используя формулу: где d =1,04 + 0.04 uki 2 предварительно рассчитывается для каждой передачи. Расчетные данные для построения графика ускорений сводят, в табл.3, где приводятся значения величин, обратных ускорениям 1/ j , которые будут использованы при определении времени разгона АТС. Поскольку при максимальной скорости для автомобиля без ограничителя частоты вращения вала двигателя ускорение j=0 , а обратная величина 1/ j= ¥ , построение графика 1/ j= f( v) ограничивают последней точкой, примерно соответствующей 0.9 vmax . Для ВАЗ - 21083 это ограничение составляет 0,9*156=140 км/ч. Скорости 140 км/ч соответствуют значения j = 0,1761м/с2 и 1/j = 5,6786c2 /м. Таблица 3 Результаты расчетов ускорений и величин обратных ускорениям n, об/мин 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 V,км/ч 6,0081 12,016 18,024 24,033 30,041 36,049 42,057 48,0652 1-я передача D 0,3423 0,3671 0,3796 0,3795 0,3671 0,3422 0,3049 0,2551 Uк1 = 3,636 D - ψ 0,3233 0,3481 0,3606 0,3605 0,3481 0,3232 0,2859 0,2361 δ1 = 1,56882 j,м/с2 2,0216 2,1767 2,2549 2,2542 2,1767 2,021 1,7878 1,4764 1/j 0,4947 0,4594 0,4435 0,4436 0,4594 0,4948 0,5593 0,6773 V,км/ч 11,203 22,406 33,609 44,812 56,014 67,217 78,42 89,6231 2-я передача D 0,1836 0,1969 0,2036 0,2035 0,1969 0,1835 0,1635 0,1368 Uк2 = 1,95 D - ψ 0,1646 0,1779 0,1846 0,1845 0,1779 0,1645 0,1445 0,1178 δ2 = 1,1921 j,м/с2 1,3545 1,464 1,5191 1,5183 1,464 1,3537 1,1891 0,9694 1/j 0,7383 0,6831 0,6583 0,6586 0,6831 0,7387 0,841 1,0316 V,км/ч 16,098 32,197 48,295 64,394 80,492 96,591 112,69 128,788 3-я передача D 0,1278 0,137 0,1417 0,1416 0,137 0,1277 0,1138 0,0952 Uк3 = 1,357 D - ψ 0,1088 0,118 0,1227 0,1226 0,118 0,1087 0,0948 0,0762 δ3 = 1,11366 j,м/с2 0,9584 1,0394 1,0808 1,08 1,0394 0,9575 0,8351 0,6712 1/j 1,0434 0,9621 0,9252 0,9259 0,9621 1,0444 1,1975 1,4899 V,км/ч 23,215 46,431 69,646 92,861 116,08 139,29 162,51 - 4-я передача D 0,0872 0,0894 0,0857 0,0759 0,0601 0,0383 0,0105 - Uк4 = 0,941 D - ψ 0,0682 0,0704 0,0667 0,0569 0,0411 0,0193 -0,008 - δ4 = 1,075419 j,м/с2 0,6221 0,6422 0,6084 0,519 0,3749 0,1761 -0,078 - 1/j 1,6075 1,5571 1,6437 1,9268 2,6674 5,6786 -12,9 - V,км/ч 27,864 55,729 83,593 111,46 139,32 167,19 - - 5-я передача D 0,0718 0,0711 0,0638 0,0497 0,0289 0,0014 - - Uk5=0.784 D - ψ 0,0528 0,0521 0,0448 0,0307 0,0099 -0,018 - - δ5 =1.06459 j,м/с2 0,4865 0,4801 0,4128 0,2829 0,0912 -0,162 - - 1/j 2,0555 2,0829 2,4225 3,5348 10,965 -6,165 - - Время разгона получают как интеграл функции графическим интегрированием функции 1/ j= f( v) , используя график величин, обратных ускорениям. Для этого площадь под кривыми 1/ j= f( v) в интервале от vmin до 0.9 vmax разбивают на произвольное число участков. Переход с одной передачи на другую выбирают при равных или при наиболее близких значениях j и 1/ j. При этом каждый участок будет ограничен частью оси абсцисс, частью кривой зависимости 1/ j= f( v) и ординатами точек этой кривой, соответствующих начальной и конечной скоростям выбранного интервала. Площади этих участков представляют собой в определенном масштабе время разгона в соответствующем интервала скоростей на данной дороге. Подсчитав площади участков и нарастающую сумму площадей, вычисляют время разгона, сводят расчеты в табл.4 и строят график времени разгона. Таблица 4 Результаты расчетов времени разгона Параметр Значение параметра V,км/ч 6 26,5 47,5 68 88 109 128 139 140 Fti,мм2 0 157,5 189 241,5 304,5 378 462 330 138,6 ΣFti,мм2 0 157,5 346,5 588 892,5 1270,5 1732,5 2062,5 2201,1 Σ t,c 0 2,612 5,746 9,751 14,8 21,07 28,731 34,204 36,502 Путь разгона определяют по аналогии графическим интегрированием функции t= f( v) , т.е. подсчетом соответствующих площадей графика времени разгона, поскольку Методика расчета и построения аналогична предшествующей. Для этого площадь над кривой t= f( v) в интервале от vmin до 0.9 vmax разбивают на произвольное число участков. Каждый участок ограничен частью оси ординат, частью кривой t= f( v) и абсциссами точек этой кривой, соответствующих начальной и конечной скоростям выбранного интервала. Площади этих участков представляют собой в определенном масштабе путь разгона в соответствующем интервале скоростей на данной дороге Подсчитав площади участков и нарастающую сумму площадей, вычисляют путь разгона, сводят расчеты в табл.5 и строят график пути разгона. Таблица 5 Результаты расчетов пути разгона Параметр Значение параметра V,км/ч 6 43,5 69,3 89 119,5 140 Fsi,мм^2 0 643,5 1466,4 2057,9 5421 7785 ΣFsi,мм^2 0 643,5 2109,9 4167,8 9588,8 17373,8 S,м 0 123,75 405,75 801,5 1844 3341,12 4.График мощностного баланса автомобиля Уравнения баланса мощности могут быть выражены через мощность двигателя Ne: или через мощность на колесах Nk : где Nr - мощность, теряемая в трансмиссии; N Y ,Nw - мощность, расходуемая на преодоление соответственно суммарных дорожных сопротивлений и сопротивления воздуха; Nj - мощность, используемая для разгона. Вначале вычисляют мощность на ведущих колесах Nk . Эту величину определяют через мощность Ne , развиваемую на коленчатом валу двигателя, с учетом потерь в трансмиссии Значения мощностей N Y и Nw рассчитывают с использованием величин P Y и Pw , взятых из табл.2 для высшей передачи с целью обеспечения всего диапазона скоростей движения автомобиля: Полученные значения величин N Y и Nw суммируют. Из табл.2 берут также значения скоростей движения автомобиля на всех передачах, соответствующие принятым ранее величинам частоты вращения коленчатого вали двигателя. Данные расчетов сводят в табл.6 и по ним строят график мощностного баланса автомобиля. На графике мощностного баланса строят следующие зависимости . мощностей от скорости движения автомобиля: Ne = f( v) - только для высшей передачи; Nk = f( v) - для всех передач; N Y = f( v), N Y + Nw= f( v). Мощности Nr и Nj определяются на графике как разности Nr= Ne- Nk, Nj= Nk-( N Y + Nw) . Таблица 6 Результаты расчета составляющих баланса мощности Параметр Значение параметра n,об/мин 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 Ne,кВт 8,437 18,094 28,067 37,414 45,241 50,606 52,6 50,301 Nк,кВт 7,6777 16,466 25,541 34,047 41,17 46,052 47,866 45,774 V,км/ч Uк1=3,636 6,0081 12,016 18,024 24,033 30,041 36,049 42,057 48,065 Uк2=1,95 11,203 22,406 33,609 44,812 56,014 67,217 78,420 89,623 Uк3=1,357 16,098 32,197 48,295 64,394 80,492 96,591 112,69 128,79 Uк4=0,941 23,215 46,431 69,646 92,861 116,08 139,29 162,51 - Uk5=0,784 27,864 55,729 83,593 111,46 139,32 167,19 - - Nψ,кВт 1,9764 3,953 5,9294 7,9058 9,8824 11,859 - - Nw,кВт 0,2091 1,6734 5,6476 13,387 26,147 45,181 - - Nψ+Nw,кВт 2,1856 5,6264 11,577 21,293 36,029 57,04 - - 5.Анализ тягово-скоростных свойств автомобиля Из внешней скоростной характеристики двигателя определяют значения максимального крутящего момента Memax , частоту вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте nM и момент при максимальной мощности MN . Полученные значения Memax и nM сравниваются с реальными данными. По значениям Memax и MN можно вычислить коэффициент приспособляемости двигателя Для ВАЗ - 21083 значение Memax = 89,872Н*м а MN =90,3Н*м. Тогда Kпр=0,995 По графику силового баланса определяют максимально возможную скорость движения автомобиля для заданных дорожных условий. Ее можно определить также по динамической характеристике, графику ускорений и мощностному балансу автомобиля. При правильном построении указанных зависимостей максимальные значения скорости будут для всех графиков одинаковы. По динамической характеристике автомобиля для каждой передачи определяют максимальное дорожное сопротивление Y max i , которое может преодолеть автомобиль, критическую скорость vкр i и максимальный преодолеваемый продольный уклон дороги imax i . Максимальный преодолеваемый продольный уклон дороги: Для большей наглядности полученное значение уклона представляют в процентах. Для автомобиля ВАЗ - 21083 перечисленные параметры составляют: vmax = 156 км/ч Y max1 = Dmax 1 =0,3782 vкр1 =20 км/ч Y max2 = Dmax 2 =0,205 vкр2 = 39 км/ч Y max3 = Dmax 3 =0,143 vкр3 = 56 км/ч Y max4 = Dmax 4 =0,089 vкр4 = 46,4 км/ч Y max5 = Dmax 5 =0,073 vкр5 = 44 км/ч imax1 =0,3782 – 0,10 = 0,2782 = 27,8%; imax2 =0,205 – 0,10 = 0,105 = 12,8%; imax3 = 0,143 – 0,10 = 0,043 =4,3% imax 4 =0,089 – 0,10 =- 0,011 =- 0,1% imax 5 = 0,073 – 0,10 = -0,027 =-2,7% По графику ускорений определяется максимальное ускорение jmax для каждой передачи и оптимальные скорости перехода vпер с одной передачи на другую на данной дороге. С помощью графиков времени и пути разгона для принятого дорожного сопротивления определяют соответственно время и путь разгона автомобиля до скорости 100 км/ч. Для автомобиля ВАЗ - 21083 : Jmax 1 =2,77 м/с2 ;Vпер 1-2 = 48 км/ч ; Jmax 2 =1,53 м/с2 ; Vпер 2-3 = 87 км/ч ; Jmax 3 = 1,08 м/с2 ;Vпер 3-4 = 112км/ч ; Jmax 4 = 0,64 м/с2 ; t100 = 18,3 с ; Jmax 5 = 0,49 м/с2 ; S100 = 315 м. Список литературы Алекса Н.Н., Алексеенко В.Н., Гредескул А.Б. Теория эксплуатационных свойств автотранспортных средств в примерах и заданиях: Учеб. пособ. –К.: УМК ВО, 1990. –100 с.