Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

3. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

Расчет внешней скоростной характеристики двигателя проектируемого автомобиля ведем по источнику [6] с. 26 – 27, а также при помощи компьютерной программы для данного расчета.

Согласно исходным данным получаем соответствующие параметры внешней скоростной характеристики.

Графический материал прилагается.

4. Подбор передаточных чисел трансмиссии

 

Передаточное число трансмиссии состоит из трех составляющих:

i_тр=i_k•i_д•i₀,

где i_k – передаточное число коробки передач (на высшей передаче), по НИИАТ i_k=1

i₀ – передаточное число главной передачи;

i_д – передаточное число в дополнительной коробке – делителе, i_д=1,25 (1 – 1.5).

Максимальную скорость автомобиль развивает на высшей передаче:

V=2•π•r_k•n_н/i_тр,

где r_k – радиус качения колеса.

Отсюда i₀=2•π•r_k•n_н/i_k•i_д•V.

Для определения радиуса качения колеса находится нормальная нагрузка на одну шину полностью нагруженного автомобиля:

;

,

где R_з1, R_п1 – нагрузка на одну шину задней и передней оси соответственно, Н;

m_а и m_г – масса автомобиля и груза соответственно, кг;

n_шз и n_шп – число шин задней и передней оси соответственно;

β – степень загруженности задней оси: β=R_з/R₀,

где R_з – масса, приходящаяся на заднюю ось автомобиля – прототипа с грузом (полная масса), кг.

R₀ – общая масса автомобиля-прототипа с грузом.

β= 3610/5170=0.698

По нагрузке на одну шину подбирается её модель. Принимаем шину 235–15/9,35–15, [1]

Затем определяется радиус качения колес с учетом коэффициента вертикальной деформации шины.

r_k=0.5•d+λ_см•H

где λ_см – коэффициент вертикальной деформации шины (коэффициент смятия); λ_см=0,8–0,85; [1]

принимаем λ_см=0,82

Н – высота профиля, м; Н=В•0,82=0,1927

d – посадочный диаметр обода, м; d=0,381 м;

r_k=0,5•0,381+0,82•0,1927=0,3485 м

i₀=2•π•r_k•n_Н/i_k2•V

n_H=2580 об/мин=43 об/с

V=70 км/ч=19,44 м/с

i_0(расч)=2•3,14•0,3485•43/19,44=4,84

уточним i_0(расч), принимаем z₁=15

z₂=z₁•i_0(расч)

z₂=15•4.84=72.6; принимаем z₂=73

i_0(уточ)=z₂/z₁

i_0(уточ)=73/15=4.86

Максимальная окружная сила, определяемая сцеплением колес с дорогой реализуется на низких передачах при малых скоростях движения, при которых

R_kmax=φ•λ_k•G

где λ_k – коэффициент нагрузки ведущих колес движущегося автомобиля.

λ_k=K•λ_ст;

где К – коэффициент перераспределения нагрузки по осям при разгоне с максимальным ускорением, при приводе на заднюю ось К=1,05–1,12 [1]; принимаем К=1,08

λ_ст=G_B/G

λ_ст=0,698

λ_к=1,08•0,698=0,75

φ – коэффициент сцепления для сухой грунтовой поверхности, φ=0,65–0,7; принимаем φ=0,68

Максимальный динамический фактор автомобиля:

D_max=φ•λ_k

D_max=0,68•0,698•108=103

Отсюда передаточное число в КПП на первой передаче:

где z – число степеней коробки передач; z=4

Передаточные отношения на следующих передачах определяются по формулам:

i_k2 = i_k1/q = 10.6/2.2 = 4.8

i_k3 = i_k2/q = 4.8/2.2 = 2.2

i_k4 = i_k3/q = 2.2/2.2 = 1

Уточним передаточные числа:

Для первой передачи

i_k1^// = i_k1/i_k1^/ = 10.6 / 2 = 5.3

i_k1 = 10.6

i_k1^/ = 2

принимаем z₁ = 34

z₂ = z₁•i_k1^/ = 34•2 = 68

∑z = 34+68 = 102

z₃ = ∑z / (1+i_k1^//) = 102/(1+5.3) = 16.199 ≈ 16

z₄ = ∑z – z₃ = 102 – 16 = 86

i_k1^// = z₄ / z₃ = 5.375

i_k1(уточ) = i_k^/ • i_k1(уточ)^// = 2 • 5.375 = 10.75

Для второй передачи

i_k2^// = i_k2^/i_k1^/ = 4,8 / 2 = 2.4

i_k2 = 4.8

i_k2^/ = 2

∑z = 102

z₅ = ∑z / (1+i_k2^//) = 102 / (1+2.4) = 30

z₆ = ∑z – z₅ = 72

i_{k2 (уточ)}^// = z₆ / z₅ = 2.4

i_k2(уточ) = i_k2^/ • i_k2(уточ)^// = 2 • 2.4 = 4.8

Для третьей передачи

i_k3^// = i_k3 / i_k3^/ = 2.2 / 2 = 1.1

i_k3 = 2.2

i_k3^/ = 2

∑z = 102

z₇ = ∑z / (1+i_k3^//) = 102 / (1+1.1) = 48.57 ≈ 48

z₈ = ∑z – z₇ = 102 – 48 = 54

i_k3(уточ)^// = z₈ / z₇ = 1.1

i_k3(уточ) = i_k3 • i_k3(уточ)^// = 2 • 1.1 = 2.2

i_{тр (на 1)} = 10.75 • 1 • 4.84 = 52.03

i_{тр (на 2)} = 4.8 • 1 • 4.84 = 23.232

i_{тр (на 3)} = 2.2 • 1 • 4.84 = 10.65

i_{тр (на 4)} = 1 • 1 • 4.84 = 4.84

5. Динамический расчёт автомобиля

Графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости движения автомобиля называется динамической характеристикой автомобиля. Для построения теоретической динамической характеристики необходимы данные внешней скоростной характеристики двигателя [M_e=f(n)], параметры ходовой части (r_k) и передаточные числа трансмиссии (i_тр).

На зависимости M_e=f(n) выделяют не менее пяти точек. Для выделенных точек последовательно определяют:

1.  Скорость движения автомобиля

V = 2 • π • r_k • n / i_тр

2.  Силу сопротивления воздушного потока

P_w = k • F • V²

3.  Касательную силу тяги на колесах

P_k = M_e • i_тр • ξ_тр / r_k

4.  Динамический фактор порожнего автомобиля

D = (P_k – P_w) / G_a

Каждая линия динамической характеристики автомобиля определяется не менее чем по пяти точкам. Вышеперечисленную последовательность повторяют для каждой передачи КПП, изменяя величину передаточного отношения трансмиссии.

Рассмотрим 1-ю передачу:

i_k1 = 10.75; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 52.03

Берем любые пять точек из данных внешней скоростной характеристики. Для них:

n (об/мин)	645	1032	1419	1999	2580
Me (H • M)	196.56809	205.25848	206.49996	194.3955	165.53103

1.  Ищем скорость движения автомобиля по заданным пяти точкам:

V₁ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 645 / 52.03 • 60 = 0.1666

V₂ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 1032 / 52.03 • 60 = 0.7235

V₃ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 1419 / 52.03 • 60 = 0.9948

V₄ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 1999 / 52.03 • 60 = 1.4014

V₅ = 2 • 3.14 • 0.3485 • 2580 / 52.03 • 60 = 1.8087

Ищем силу сопротивления воздушного потока по заданным пяти точкам:

P_w(1) = 0.5 • 3.5 • (0.1666)² = 0.2916

P_w(2) = 0.5 • 3.5 • (0.7235)² = 0.916

P_w(3) = 0.5 • 3.5 • (0.9948)² = 1.7319

P_w(4) = 0.5 • 3.5 • (0.4014)² = 3.4369

P_w(5) = 0.5 • 3.5 • (0.8087)² = 5.7249

2.  Ищем касательную силу тяги по заданным пяти точкам:

P_k(1) = 196.56809 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 24064.56

P_k(2) = 205.25848 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 25128.47

P_k(3) = 206.49996 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 25280.45

P_k(4) = 194.3955 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 23798.58

P_k(5) = 165.53103 • 52.03 • 0.82 / 0.3485 = 20264.89

3.  Ищем динамический фактор порожнего автомобиля по заданным пяти точкам:

D₍₁₎ = (24064.56 – 0.2916) / 24525 = 0.9812

D₍₂₎ = (25128.47 – 0.916) / 24525 = 1.0246

D₍₃₎ = (25280.45 – 1.7319) / 24525 = 1.0307

D₍₄₎ = (23798.58 – 3.4369) / 24525 = 0.9702

D₍₅₎ = (20264.89 – 5.7249) / 24525 = 0.8261

Рассмотрим 2-ю передачу:

i_k2 = 4.8; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 23.232

n	Me	V	Pw	Pk	D
645	196.58609	1.0127	1.7947	10745.11	0.4381
1032	205.25848	1.6203	4.5944	11220.15	0.4573
1419	206.49996	2.2279	8.68625	11288.02	0.4599
1999	194.3955	3.1386	17.2389	10626.34	0.4326
2580	165.53103	4.0508	28.7357	9048.51	0.3678

Рассмотрим 3-ю передачу:

i_k3 = 2.2; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 10.65

n	Me	V	Pw	Pk	D
645	196.58609	2.2091	8.5402	4925.77	0.2005
1032	205.25848	3.5346	21.8635	5143.54	0.2088
1419	206.49996	4.8601	41.3360	5174.65	0.2093
1999	194.3955	6.8466	82.0329	4871.32	0.1952
2580	165.53103	8.8365	136.6465	4148.01	0.1635

Рассмотрим 4-ю передачу:

i_k4 = 1; i₀ = 4.84; r_k = 0.3485; i_тр = 4.84

n	Me	V	Pw	Pk	D
645	196.58609	4.8610	41.3513	2238.56	0.0896
1032	205.25848	7.7776	105.8594	2337.53	0.091
1419	206.49996	10.6942	200.1403	2351.53	0.0877
1999	194.3955	15.0653	397.1857	2213.82	0.0741
2580	165.53103	19.4440	661.621	1890.11	0.0501

 

Динамическую характеристику строят для автомобиля определенного веса. Для того, чтобы её применить для анализа динамических свойств автомобиля различного веса, её необходимо дополнить, то есть сделать универсальной.

В начале строят характеристику порожнего автомобиля, а затем её дополняют. Определяют максимальное значение коэффициента загрузки:

Г_max = (m_a+ m_г) / m_a

где m_a и m_г – соответственно масса автомобиля и груза.

Г_max = (2500+2500) / 2500 = 2

Из точки, заданной максимальной скорости движения проводят вторую вертикальную координатную ось, с уменьшением в Г_max раз масштабом динамического фактора. Горизонтальную ось разбивают на разные отрезки и проводят вертикальные линии. На вертикальных осях равные значения динамического фактора соединяют наклонными прямыми.

 

6. Топливная экономичность автомобиля

Статистической обработкой топливно-экономических характеристик ДВС установлено, что удельный расход топлива определяется удельным расходом его при максимальной мощности двигателя и степенью использования мощности и частоты вращения.

Топливно-экономическую характеристику строят в предложении установившегося движения автомобиля по горизонтальной дороге с полной нагрузкой в следующей последовательности:

1.  Задаются коэффициенты сопротивления качению автомобиля f:

f₁ = f = 0.025

f₂ = f + 0.03 = 0.055

f₃ = f + 0.05 = 0.075

2.  По универсальной динамической характеристике автомобиля определяют необходимую передачу для движения автомобиля.

3.  Задаются пятью значениями скорости движения на определённой передаче.

4.  Определяют соответствующие заданным значения скорости, величины частот вращения коленчатого вала двигателя.

n = 30 • V • i_тр / (π • r_k), об/мин

5.  Определяют величины сил сопротивления воздушного потока P_w и сопротивление качению автомобиля P_f

P_f = f • (G_a + G_r)

При известных сопротивлениях P_w и P_f определяют необходимую для движения автомобиля мощность двигателя.

N_e^/ = [(P_w + P_f) • V] / (10³ • ξ_тр), кВт

6.  Используя внешнюю скоростную характеристику двигателя, определяют степени использования мощности и частоты вращения И и Е

И = N_e^/ / N_eg

E = n^/ / n_N

7.  По расчётным формулам определяют значения К_И и К_Е – коэффициенты, учитывающие степень использования мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Для карбюраторных двигателей:

К_И = 3.27 – 8.22 • И + 9.13 • И² – 3.18 • И³

К_Е = 1.25 – 0.99 • Е + 0.98 • Е² – 0.24 • Е³

8.  Определяют удельный расход топлива:

g_e = g_eN • К_И • К_Е, г/кВт•ч

Величину g_eN принимают по данным внешней скоростной характеристики.

9.  Определяют расход топлива на 100 км пути:

Q_s = (g_e • N_e^/) / (36 • V • ρ_т), л

где ρ_т – плотность топлива, кг/л

10.Строят топливно-экономическую характеристику автомобиля

Для коэффициента сопротивления качению автомобиля f₁

f₁ = 0.025

Определяем 4-ю передачу для движения автомобиля при f₁

4. n₁ = 645; n₂ = 1032; n₃ = 1419; n₄ = 1999; n₅ = 2580.

4.  P_f = 0.025 • (2500 + 2500) • 9.8 = 1225

P_w1 = 41.3513; P_w2 = 105.8594; P_w3 = 200.1403; P_w4 = 397.1857;

P_w5 = 661.621

5.  N_e1^/ = [(41.3513 + 1225) • 4.861] / (10³ • 0.82) = 7.5071

N_e2^/ = [(105.8594 + 1225) • 7.7776] / (10³ • 0.82) = 12.6231

N_e3^/ = [(200.1403 + 1225) • 10.6942] / (10³ • 0.82) = 18.5863

N_e4^/ = [(397.1857 + 1225) • 15.0653] / (10³ • 0.82) = 29.8033

N_e5^/ = [(661.621 + 1225) • 19.44] / (10³ • 0.82) = 44.73

6.  И₁ = 7.5071 / 13.270.31 = 0.5657

И₂ = 12.6231 / 22.17119 = 0.5693

И₃ = 18.5863 / 30.66978 = 0.606

И₄ = 29.8033 / 40.68328 = 0.7326

И₅ = 44.73 / 44.7 = 1.0007

E₁ = 645 / 2580 = 0.25

E₂ = 1032 / 2580 = 0.4

E₃ = 1419 / 2580 = 0.55

E₄ = 1999 / 2580 = 0.78

E₅ = 2580 / 2580 = 1

7.  К_И1 = 3.27 – 8.22 • 0.5657 + 9.13 • (0.5657)² – 3.18 • (0.5657)³ = 0.9661

К_И2 = 3.27 – 8.22 • 0.5693 + 9.13 • (0.5693)² – 3.18 • (0.5693)³ = 0.9628

К_И3 = 3.27 – 8.22 • 0.606 + 9.13 • (0.606)² – 3.18 • (0.606)³ = 0.934

К_И4 = 3.27 – 8.22 • 0.7326 + 9.13 • (0.7326)² – 3.18 • (0.7326)³ = 0.898

К_И5 = 3.27 – 8.22 • 1.0007 + 9.13 • (1.0007)² – 3.18 • (1.0007)³ = 1.0003

К_Е1 = 1.25 – 0.99 • 0.25 + 0.98 • (0.25)² – 0.24 • (0.25)³ = 1.06

К_Е2 = 1.25 – 0.99 • 0.4 + 0.98 • (0.4)² – 0.24 • (0.4)³ = 0.996

К_Е3 = 1.25 – 0.99 • 0.55 + 0.98 • (0.55)² – 0.24 • (0.55)³ = 0.962

К_Е4 = 1.25 – 0.99 • 0.78 + 0.98 • (0.78)² – 0.24 • (0.78)³ = 0.959

К_Е5 = 1.25 – 0.99 • 1 + 0.98 • (1)² – 0.24 • (1)³ = 1

8.  g_e1 = 353.33316 • 0.9661 • 1.05 = 361.837

g_e2 = 327.89315 • 0.9628 • 0.996 = 314.433

g_e3 = 315.17315 • 0.934 • 0.962 = 283.186

g_e4 = 319.94317 • 0.898 • 0.959 = 275.53

g_e5 = 353.33316 • 1.0003 • 1 = 353.455

9.  Q_s1 = (361.837 • 7.5071) / (36 • 4.861 • 0.75) = 20.697

Q_s2 = (314.433 • 12.6231) / (36 • 7.7776 • 0.75) = 18.901

Q_s3 = (283.186 • 18.5863) / (36 • 10.6942 • 0.75) = 18.229

Q_s4 = (275.53 • 29.8033) / (36 • 15.0653 • 0.75) = 20.188

Q_s5 = (353.455 • 47.73) / (36 • 19.44 • 0.75) = 30.121

Для коэффициента сопротивления качению автомобиля f₂

f₂ = 0.055

Определим 3-ю передачу для движения автомобиля при f₂:

n, об/мин	V, м/с	Pw, H	Pf2	Ne/, кВт/ч	И	КИ	КЕ	ge, г/кВт•ч	Qs, л
645	2.2091	8.5402	2675	7.2295	0.5448	0.9874	1.06	369.814	44.824
1032	3.5346	21.8635		11.6248	0.5243	1.0118	0.996	330.435	40.250
1419	4.8601	41.3360		16.0996	0.5249	1.0109	0.962	306.501	37.604
1999	6.8466	82.0329		23.0199	0.5658	0.9659	0.959	296.363	36.905
2580	8.8365	136.6465		30.2989	0.6778	0.9027	1	318.954	40.505

Для коэффициента сопротивления качению автомобиля f₃

f₃ = 0.075

Определим 3-ю передачу для движения автомобиля при f₃:

n, об/мин	V, м/с	Pw, H	Pf2	Ne/, кВт/ч	И	КИ	КЕ	ge, г/кВт•ч	Qs, л
645	2.2091	8.5402	3675	9.9235	0.7478	0.8988	1.06	336.631	56.007
1032	3.5346	21.8635		15.9353	0.7187	0.8977	0.996	293.172	48.953
1419	4.8601	41.3360		22.0265	0.7182	0.8977	0.962	272.181	45.687
1999	6.8466	82.0329		31.3694	0.7711	0.9023	0.959	276.849	46.979
2580	8.8365	136.6465		41.0751	0.9189	0.9584	1	338.635	58.299

Заключение

Составной частью курсовой работы является проведение теплового расчёта двигателя проектируемого автомобиля. Тепловой расчёт позволил аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели его работы. Результаты теплового расчёта ДВС в дальнейшем использовались для расчёта и построения теоретической внешней скоростной характеристики двигателя, в свою очередь используемую при расчёте динамики автомобиля.

Список литературы

 

1.  Автомобиль: основы конструкции/ Н.Н. Вишняков, В.К. Вахламов, А.Н. Нарбут и др. – М.: Машиностроение, 1986. – 304 с.; ил.

2.  Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: анализ конструкций, элементов расчета. – М.: Машиностроение, 1989. – 304 с.; ил.

3.  Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: теория эксплуатационных свойств. – М.: Машиностроение, 1989. – 240.; ил.

4.  Устройство автомобиля/ Е.В. Михайловский, К.Б. Серебряков, Е.Я. Тур. – М.: Машиностроение, 1987. – 352 с.; ил.

5.  Краткий автомобильный справочник. – М.: Транспорт, 1982. – 464 с. – (НИИАТ)

6.  Автомобили: Методические указания по курсовому проектированию/ Сост. В.В. Макаров. – Йошкар–Ола: МарГТУ, 2001. – 44 с.