Материал: 3 Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна, визначення параметрів трансмісії, побудова силового балансу автомобіля

3 Побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна, визначення параметрів трансмісії, побудова силового балансу автомобіля

3.1 Визначення параметрів автомобільного двигуна

3.1.1 Визначення швидкохідності двигуна.

При виборі швидкохідності двигуна автомобіля, що проектується, слід враховувати досвід вітчизняного і зарубіжного двигунобудування і тенденції його розвитку.

Найчастіше в тягових розрахунках частоту обертання колінчастого вала n_N двигуна при максимальній потужності N_max вибирають на підставі прототипу проектованого автомобіля. Орієнтирні значення n_N (хв^-1) змінюються в наступних межах:

Бензинові двигуни:

– легкових автомобілів.............................................................4500…6000.

Приймаємо для чисельних розрахунків згідно прототипу n_N = 5500 хв^-1.

3.1.2 Визначення максимальної потужності двигуна

Потужність автомобільного двигуна витрачається на подолання сил опору: дороги, повітря, тертя в трансмісії, на розгін автомобіля і подолання сили тяги на крюку.

Для одиночного автомобіля потужність двигуна (кВт) визначають з умови забезпечення руху із заданою максимальною швидкістю за формулою:

(3.1)

де V_max - максимальна швидкість автомобіля, км/год;

М_a - повна маса автомобіля, кг;

η_т - коефіцієнт корисної дії трансмісії:

– для легкових автомобілів η_т = 0,92…0,95;

Згідно з завданням на проектування легкового автомобіля приймаємо: η_т = 0,93

η_гп – коефіцієнт корисної дії (ККД) гідропередачі. ККД гідропередачі визначається по безрозмірній характеристиці і знаходиться у межах: η_гп = 0,96…0,98 при роботі в режимі гідромуфти або η_гп = 1,0 при блокуванні гідротрансформатора.

Чисельний розрахунок :

при F = 2,048 м²;

К_в ∙F = 0,3·2,048 = 0,61 Н·с²/м²;

ψ = 0,034;

η_гп =1 (гідротрансформатор відсутній);

η_т = 0,93;

при максимальній швидкості автомобіля V_max = 145 км/год;

повна маса автомобіля М_а = 1460 кг

Використовуючи потужність двигуна Nv, обчислену за формулою (3.1), визначають його максимальну потужність за формулою:

_(3.2)

де λ = (n_vmax / n_N) – відношення частоти обертання колінчастого вала двигуна при максимальній швидкості до частоти обертання при максимальній потужності (коефіцієнт швидкохідності). Значення коефіцієнта швидкохідності приймають рівними:

– для бензинових двигунів без обмеження частоти обертання – λ = 1,0…1,1.

Коефіцієнти а, b і с характеризують тип двигуна і спосіб сумішоутворення і становлять:

– для бензинових двигунів – а = b = с = 1.

кВт.

3.1.3 Розрахунок і побудова зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

Зовнішня швидкісна характеристика є залежністю ефективної потужності Ne, крутного моменту Ме, питомої g_e і погодинної G_т витрат палива від числа обертів n_e колінчастого вала двигуна при повному навантаженні.

Залежність ефективної потужності Ne у функції від числа обертів n_e колінчастого вала двигуна можна побудувати, використовуючи формулу С.Р.Лейдермана:

(3.3)

де n_N – частота обертання колінчастого вала двигуна при максимальній (N_emax= N_max) потужності, приймаємо згідно з прототипом 5500 об/хв;

N_e і n_e – поточне значення потужності і частоти обертання колінчастого вала.

При побудові графіків, слід задатися 6…8-мома значеннями частоти обертання n_e в діапазоні від n_min до n_vmax. Мінімальну стійку частоту обертання колінчастого вала приймаємо згідно з прототипом – n_min = 850хв^-1.

Частоту обертання колінчастого вала при максимальній швидкості (n_vmax) знаходять залежно від вибраного значення коефіцієнта швидкохідності за формулою: n_Vmax = λ ∙ n_N. Значення ефективного моменту Ме двигуна (Н·м) визначається за формулою:

M_e = 9550 (N_e / n_e), Н·м (3.4)

Поточні значення питомого g_e (г/кВт·год) і погодинного G_т (кг/год) витрат палива можна визначити за формулами:

(3.5)

де g_N - ефективна витрата палива при N_emax (г/кВт·год); для бензинових двигунів: g_N = (250…350).

G_т = N_e g_e 10^-3, кг/год (3.6)

Прийнявши для чисельних розрахунків мінімальні оберти колінчастого вала n_min = 850 хв^-1, номінальні оберти (при максимальній потужності) – n_N = 5500 хв^-1 і максимальні для не завантаженого автомобіля – n_mах = 5600хв^-1, а = b = с = 1, g_N = 285,6 г/кВт·год (за прототипом) проводимо розрахунки, результати яких заносимо в таблицю 3.1.

Таблиця 3.1 – Параметри зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

ne, хв.-1	ne / nN	(ne / nN)2	Ne, кВт	Me, Нм	ge,г/кВт·год	Gт, кг/год
n1 = 850	0,155	0,024	11,27	126,6	310,6	3,5
n2 = 1700	0,309	0,096	24,11	135,4	293,0	7,1
n3 = 2550	0,464	0,215	37,27	139,6	281,8	10,5
n4 = 3400	0,618	0,382	49,12	138,0	277,2	13,6
n5 = 4250	0,773	0,598	58,41	131,3	279,1	16,3
n6 = 5100	0,927	0,859	63,67	118,7	287,6	18,2
n7 = 5500	1,0	1,0	64,31	111,7	293,8	18,9
n8 = 5600	1,018	1,036	64,29	109,6	295,6	19,0

За даними таблиці 3.1 будується зовнішня швидкісна характеристика двигуна: графіки N_e = f(n_e); М_е = f(n_e); g_e = f(n_e); G_т = f(n_e).

Загальний вигляд зовнішньої швидкісної характеристики наведено на рисунку 3.1.

Рисунок 3.1 – Зовнішня швидкісна характеристика бензинового двигуна

Із швидкісної характеристики визначається також коефіцієнт пристосованості двигуна за відношенням:

(3.7)

де М_max – максимальний крутний момент двигуна, Н·м;

М_Ne – крутний момент при максимальній потужності двигуна, Н·м

Розрахункові значення К для бензинових двигунів знаходяться в межах:

К = 1,25…1,35.

Отримане значення знаходиться в допустимих межах.

3.1.4 Визначення робочого об’єму циліндрів двигуна

Приймаємо за прототипом діаметр поршня D = 72 мм, хід поршня S = 67 мм, кількість циліндрів двигуна і = 4.

Тоді робочий об'єм (літраж) V_h циліндрів двигуна визначаємо за формулою:

л (3.8)

де τ – число тактів робочого процесу; τ =4.

Чисельний розрахунок:

л.

Розрахунок літражу двигуна можна також провести за формулою:

л (3.9)

де N_eмах – максимальна потужність двигуна в кВт;

р_е – середній ефективний тиск, МПа;

n_e – частота обертання колінчастого вала двигуна при максимальній потужності, хв.^-1.

Взагалі обчислення робочого об'єму циліндрів двигуна можна здійснювати, виходячи з різних режимів роботи двигуна, наприклад, при N_emax або М_emax. Значення N_e, n_e і р_е повинні відповідати вибраному режиму роботи двигуна.

Наприклад, середній ефективний тиск р_е в МПа при М_max може мати наступні значення:

чотиритактний карбюраторний двигун – р_е = 0,59…0,78 МПа.

Приймаємо: р_е= 0,7 МПа.

Для вибраного значення р_е у формулу (3.9) підставимо значення N_e і n_е, відповідні максимальній потужності двигуна N_emax = 64,31 кВт. Значення вказаних параметрів параметри визначаються за допомогою, побудованою вище, зовнішньої швидкісної характеристики або з таблиці 3.1

Чисельний розрахунок робочого об’єму циліндрів двигуна:

л.

Приймаємо згідно розрахунків л.

3.2 Параметри і показники трансмісії автомобіля, силовий баланс

3.2.1 Визначення параметрів трансмісії автомобіля

Передавальне число головної передачі визначають за умови забезпечення заданої максимальної швидкості автомобіля V_max (в м/с) при прийнятому значенні n_max за формулою:

(3.10)

де i₀ – передавальне число головної передачі;

r_к – радіус колеса, м; для чисельного розрахунку r_к = 0,32 м;

i_кв - передавальне число КП на вищій ступені; приймаємо i_кв =0,85;

i_д - передавальне число вищої ступені додаткової передачі (роздавальна коробка, демультиплікатор); i_д = 1,0;

i_s - ковзання гідротрансформатора.

Якщо в гідротрансформаторі передбачено блокування, а також у випадку вживання трансмісії механічного типу, коли гідротрансформатор відсутній, i_s = 1. На вищому швидкісному режимі i_s = 0,97… 0,98. Якщо в трансмісії автомобіля не передбачена прискорювальна передача, то вищою є пряма передача, а i_кв = 1. За наявності прискорювальної передачі приймають i_кв = 0,75…0,85. Передавальне число вищої ступені додаткової передачі вибирають у межах i_д = 1,0…1,5 .

Чисельний розрахунок:

Передавальне число КП на першій передачі визначається з умови можливості подолання автомобілем при рівномірному русі заданого максимального дорожнього опору ψ_max.

Передавальне число КП на першій передачі визначають за формулою:

(3.11)

де М_emax – максимальний крутний момент двигуна, Н·м;

η_т – ККД трансмісії;

Приймаємо: η_т = 0,93.

Чисельне значення:

Отримане передавальне число i_кi, необхідно перевірити по умові забезпечення зчеплення провідних коліс з дорогою.

Максимально можливе передавальне число коробки на першій передачі по умові зчеплення провідних коліс визначають за формулою:

(3.12)

де φ – коефіцієнт зчеплення (значення, що рекомендуються φ = 0,2…0,8); приймаємо – φ = 0,65;

m_p2 – коефіцієнт зміни нормальних реакцій на ведучих колесах автомобіля (при розгоні m_p2max = 1,15…1,20);

Якщо проектується автомобіль зі всіма ведучими колесами, то m_pmax = 1, а М₂ = М_а.

Можливість руху автомобіля на дорогах з прийнятим коефіцієнтом зчеплення буде забезпечена за умови дотриманні нерівності i_φ ≥ i_к1.

Чисельний розрахунок:

Отже умова виконується.

Визначення передавальних чисел проміжних ступеней коробки передач. Передавальні числа проміжних передач вибирають з умови забезпечення оптимальних показників тягово-швидкісних і паливно-економічних властивостей.

Перш за все доцільно визначати передавальне число на вищій передачі, яке визначають за формулою:

(3.13)

Чисельний розрахунок:

при коефіцієнті, рівному 1,00;

r_k = 0,32 м;

n_{e max} = 5500 об/хв;

V_max = 40,28 м/с:

.

Визначають максимальну тягову силу при найтяжчих умовах руху автомобіля (ґрунтова дорога, підйом α=12^◦; V= 5 км/год. = 1,38 м/с; f_кmax = 0,05) за формулою:

_(3.14)

Чисельне значення:

Н.

Сила зчеплення коліс з дорогою:

_(3.15)