Тягово-экономический расчет автомобиля

Внешняя скоростная характеристика двигателя

Внешняя скоростная характеристика двигателя представляет собой зависимость эффективной мощности и крутящего момента двигателя от частоты вращения коленчатого вала при полной подаче топлива. Ее строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде и часто приводят в инструкциях заводов-изготовителей автомобилей. Студенту необходимо сравнить экспериментальную внешнюю скоростную характеристику двигателя с полученной при расчетах.

Если данные по испытанию двигателя отсутствуют, эффективная мощность  (кВт) его может быть определена по эмпирической формуле:

,                       (1)

где:  – наибольшая эффективная мощность двигателя, кВт;

   a,b,c – расчетные коэффициенты, зависящие от модели двигателя;

 – частота вращения коленчатого вала, при которой определяется мощность, ;

  – частота вращения коленчатого вала при , .

Коэффициенты  формулы (1) выявляют в зависимости от соотношений крутящих моментов ( / и частоте ( / ) вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности ( , ) максимальном крутящем моменте( , ) по уравнениям:

,                             (2)

Крутящий момент  (Н·м) двигателя определяют в зависимости от мощности  (кВт) и соответствующей частоты вращения  (мин^-1) коленчатого вала по формуле:

 ,                             (3)

Последовательность расчета характеристики:

– значения величин , , ,  берут из краткой эксплуатационно-технической характеристики автомобиля (см. табл. 1);

– определяют величину  по формуле (3) и рассчитывают по уравнениям (2) коэффициенты c,b,a;

– подставив значения расчетных коэффициентов a,b,c в формулу (1) приступают к расчету кривых  и в зависимости от .

Частота вращения коленчатого вала при работе двигателя изменяется от минимально устойчивой – , принимаемой при расчетах 400-800 мин^-1, до максимальной частоты вращения, равной при наличии ограничителей или регуляторов частоты .

На карбюраторные двигатели легковых автомобилей и автобусов ограничители частоты вращения коленчатого вала не устанавливают, поэтому максимальная частота может быть равна = (1,05-1,20)· . Однако на современных высокооборотных двигателях заводы не рекомендуют работать с частотой вращения коленчатого вала выше , поэтому для всех двигателей следует рассчитывать характеристики в диапазоне частот: .

Интервал частот вращения коленчатого вала выбирают с таким расчетом, чтобы для построения кривых иметь не менее 10 расчетных точек. Например, для двигателя грузового автомобиля и автобуса 400, 800,1200, 1600, 2000, 2400, 2800, 3000, 3200, 3500 ; легкового автомобиля 800, 1600, 2400, 3200, 3600, 4000, 4800, 5200, 5600, 6000 .

Расчет проводят в табл.2, по столбцам  которой развернуты формулы (1), (3). По результатам расчета строят график внешней скоростной характеристики двигателя (рис.1).

На графике (рис.1) отмечены три характерные частоты вращения коленчатого вала:, – минимальная устойчивая;  – соответствующая ;  – соответствующая .

Таблица 2 – Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

№ п/п	об/мин							А	кВт		Нм

а) зависимость мощности от частоты вращения коленчатого вала

б) зависимость крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала

Рисунок 1. – Внешняя скоростная характеристика двигателя                        автомобиля

2.2 Тягово-скоростная характеристика автомобиля

Тяговая характеристика автомобиля представляет собой зависимость между силой тяги ( ) и скоростью ( , км/ч) движения автомобиля. График тягового баланса автомобиля состоит из тяговой характеристики и зависимостей сил сопротивления движению от скорости автомобиля.

Силу тяги( , Н) на ведущих колесах автомобиля рассчитывают по формуле:

                                                        (4)

где: – крутящий момент двигателя, Н·м;

– передаточное число коробки передач;

– передаточное число главной передачи;

– радиус качания колеса, м;

– к.п.д. трансмиссии.

Входящий в формулу (4) крутящий момент ( ) берут из табл.2. Он зависит от частоты вращения ( )коленчатого вала двигателя. Скорость движения автомобиля ( ) определяют по формуле:

 км/ч                                          (5)

Радиус ( ) качения колеса, входящий в формулы (4), (5), приближенно определяется по формуле:

                                                     (6)

где: d – внутренний диаметр шины (диаметр обода колеса), м;

Н – высота профиля шины в свободном состоянии, м;

λ_Ш – коэффициент нормальной деформации шины.

Для шин коэффициент (λ_Ш) можно принять равным 0,1-0,16.

Величины d и Н определяют по маркировке шин, которая включает ширину профиля шины – В (первое число) и внутренний диаметр шины – d (второе число). Для шин грузовых автомобилей и автобусов допускается считать высоту и ширину профиля равными (Н=В), а для низкопрофильных шин легковых автомобилей Н=0,8В. Для проверки расчета можно пользоваться величинами статического радиуса колеса [3].

Значения к.п.д. ( ) трансмиссии выбирают в зависимости от типа автомобиля. Так, НИИАТ [3] рекомендует принимать значения этого коэффициента равными 0,85-0,9 для автомобилей с одинарной главной передачей и 0,8-0,85 - для автомобилей с двойной главной передачей.

Подставляя значения и  в формулу (5), а затем  для каждой ступени коробки передач (кроме заднего хода), получаем расчетные формулы скоростей движения автомобиля на различных передачах.

Расчет скорости движения автомобиля на передачах производят подстановкой в формулу (5) значений частоты вращения коленчатого вала ( ). 3а наименьшую частоту принимают минимально устойчивую частоту ( ), соответствующую началу кривых на внешней скоростной характеристике двигателя, а за наибольшую частоту вращения – соответствующую конечным точкам кривых на внешней скоростной характеристике (см. рис.1). Количество расчетных точек внешней скоростной характеристики и тяговой характеристики автомобиля на каждой передаче должно быть одинаково.

Расчет ведут в такой последовательности (табл.3). Подставляя значение частоты вращения коленчатого вала( ) в формулу (5), определяют соответствующую скорость ( ) движения автомобиля на данной передаче (I, II, Ш и т.д.) коробки передач. Для принятого значения ( ) по табл. 2 берут значение крутящего момента (  ), а затем по формуле (4) определяют величину силы тяги ( ) на каждой из передач.

Таблица 3 - Расчет тяговой характеристики автомобиля

Расчет тяговой характеристики целесообразно вести непосредственно в табл.3, начиная с прямой передачи ( =1).

По данным табл.3 строят тяговую характеристику автомобиля. На рис.2 приведена тяговая характеристика (кривыеI,II,III,IV,V) автомобиля с пятиступенчатой коробкой передач. Масштаб скорости ( ) по оси абсцисс является общим для всех кривых, а масштаб частоты вращения ( ) различен для каждой из передач.

На рис.2 откладывают величины силы суммарного сопротивления дороги ( ) и силы сопротивления воздуха( ). Полученная кривая +  определяет сумму сил сопротивления движению автомобиля с равномерной скоростью по дороге с заданным коэффициентом (ψ) суммарного сопротивления дороги. Тяговую характеристику дополненную кривыми   и + , называют графиком тягового баланса автомобиля.

Рисунок 2 - График тягового баланса автомобиля

Суммарная сила сопротивления дороги ( )определяется по формуле:

                                                    (7)

где: ψ – коэффициент суммарного сопротивления дороги;

 – полный вес автомобиля, кН.

Коэффициент суммарного сопротивления дороги рассчитывается так:

                                                  (8)

где: f – коэффициент сопротивления качения;

 a – угол подъема дороги.

При расчете тягового баланса следует принять, что автомобиль движется по горизонтальной дороге (a=0) с асфальтобетонным покрытием. Тогда коэффициент (ψ) суммарного сопротивления дороги (8) равен коэффициенту (f) сопротивления качению.

При скоростях движения автомобиля, превышающих 60-80 км/ч коэффициент (f)надо определять по эмпирической формуле:

                                                    (9)

где:  – коэффициент сопротивления качению, относящийся к 

          малым скоростям движения автомобиля;

 – скорость движения автомобиля, км/ч.

Cила, суммарного сопротивления дороги в этих условиях такова:

                          (10)

Для дорог с асфальтобетонным покрытием, находящихся в хорошем состоянии, коэффициент ( ) можно принять равным 0,015. Силу сопротивления воздуха ( ) в кН определяют по формуле:

                                                    (11)

где: – коэффициент сопротивления воздуха;

F – лобовая площадь автомобиля, м².

Приближенно можно принять для:

– легковых автомобилей

                                     (12)

– грузовых автомобилей и автобусов

                                  (13)

где:  – наибольшая ширина автомобиля, м;

– наибольшая высота автомобиля, м;

В – колея автомобиля.

Коэффициент ( ) сопротивления воздуха можно принять (в Н·с²/м⁴) [1] для:

- легковых автомобилей – 0,20-0,35;

- автобусов – 0,24-0,40;

- грузовых автомобилей – 0,60-0,7.

В табл.4 приводят расчет значений сил ( и ), определяемых для скоростей движения автомобиля от 0 до наибольшей скорости на высшей передаче. Промежуточные значения скорости ( ) следует взять по табл.3 для высшей передачи. По результатам расчета строят зависимости силы ( ) и суммарной ( + ) от скорости автомобиля, приведенные на рис.2.

Таблица 5 - Расчет сил сопротивления движению

№ п/п	км/ч	км/ч			ψ	кН	кН	+ ,кН
1	2	3	4	5	6	7	8	9

График тягового баланса используют для решения практических задач. На рис. 2 показан запас ( ) силы тяги, равный (при равномерном движении автомобиля по горизонтальной дороге)

Запас силы тяги может использоваться для разгона автомобиля, преодоления подъемов и буксировки прицепа.