Условие по сцеплению колес с дорогой выполнено.

Курсовой проект

 Автомобиль грузовой

 (пояснительная записка)

 

 

Выполнил:__________________________________________  

Проверил:___________________________________________

 

Саратов 2011 г.

Содержание                                          

                                                                                                             

Введение…………………………………………………………………...4

1 Предварительный расчет основных характеристик автомобиля…….5

1.1 Выбор и обоснование выбора параметров, необходимых для

выполнения тягового расчета…………………………………………….5

1.1.1 Полезная масса автомобиля……..…………………………………5

1.1.2 Снаряжённая масса автомобиля……...…………………………….5

1.1.3 Полная масса автомобиля…………………………………………..6

1.1.4 Распределение массы по осям……………………………………...6

1.1.5 Подбор шин и радиуса качения……………………………………6

1.1.6 Коэффициент полезного действия трансмиссии………………….8

1.1.7 Лобовая площадь автомобиля……………………………………..9

1.1.8 Коэффициент сопротивления воздуха…………………………...10

1.2 Расчет максимальной мощности двигателя………………………..11

1.2.1 Мощность, необходимая для движения автомобиля с заданной

максимальной скоростью……………………………………………….11

1.2.2 Максимальная мощность двигателя по условию обеспечения

максимальной скорости автомобиля…………………………………...12

1.2.3 Расчет мощности двигателя, необходимой для обеспечения

заданного значения максимального динамического фактора на

высшей передаче………………………………………………………...13

1.2.4 Максимальная мощность двигателя по условию обеспечения

заданного максимального значения динамического фактора на

высшей передаче………………………………………………………...14

1.2.5 Окончательный выбор максимальной мощности двигателя…...14

1.3 Расчет передаточного числа главной передачи……………………14

1.4 Расчет передаточных чисел коробки передач……………………..15

1.5 Построение внешней скоростной характеристики двигателя…….18

2 Расчет тягово-экономических характеристик автомобиля………....19

2.1 Тяговая характеристика и тяговый баланс автомобиля…………..19

2.2 Мощностной баланс автомобиля…………………………………..21

2.3 Расчет динамической характеристики автомобиля……………….23

2.4 Расчет ускорения автомобиля………………………………………24

2.5 Расчет времени  и пути разгона автомобиля………………………25

2.6 Расчет топливной экономичности автомобиля……………………26

3 Тормозное управление автомобиля…..………………………………29

3.1 Выбор тормозного управления.…………………………………….29

3.2 Исходные данные, выбор основных параметров.………………...32

3.3 Расчет приводных сил……………………………………………...33

3.4 Расчёт работоспособности тормозных механизмов.……………...34

3.5 Расчет тормозного привода…………………………………………36

Заключение…………..…………………………………………………..40

Список используемой литературы……………………………………..41

 

 

Введение

 

 

В данном курсовом проекте требовалось спроектировать грузовой автомобиль, грузоподъёмностью 3,5 тонны, максимальная скорость которого 110 км/ч, динамический фактор на высшей передаче D ₀ = 0,042, а максимальный суммарный коэффициент сопротивления дороги, преодолеваемый на первой передаче ψ _I = 0,32. В результате выполнения данного проекта был получен автомобиль с дизельным двигателем, полная масса которого составляет 7,280 т. В качестве прототипа был выбран автомобиль ЗИЛ-5301КЕ (3,450т., «Бычок»), как наиболее легкий представитель данного семейства автомобилей.

 

 

1 Предварительный расчет основных характеристик автомобиля

 

1.1 Выбор и обоснование выбора параметров, необходимых для выполнения тягового расчета

 

1.1.1 Полезная масса автомобиля

 

Полезная масса автомобиля определяется по формуле:

,

где m – грузоподъёмность, m = 3000 кг;

n _каб – число мест в кабине, n _каб = 3;

кг.

1.1.2 Снаряжённая масса автомобиля

 

Снаряжённая масса автомобиля m_c, кг, определяется по величине  показателя снаряженной массы, η_с:

,

Потенциальным прототипом для проектируемого автомобиля является следующий автомобиль [9]:

ГАЗ -33104 ;

Учитывая действующие тенденции к снижению массы автомобиля за счет совершенствования конструкции и применения новых прогрессивных материалов снижаем  выбранного прототипа на 15%, установив карбоновые элементы кузова, заменив некоторые стальные и чугунные элементы конструкции легкосплавными материалами:

.

Собственную массу проектируемого автомобиля определяем исходя из значения :

кг.

1.1.3 Полная масса автомобиля

 

Полная масса автомобиля вычисляется по формуле:

.

 = 2409 + 3210 = 5619 кг.

 

1.1.4 Распределение массы по осям

 

Масса, приходящаяся на переднюю ось,

, кг.

Масса, приходящаяся на заднюю ось,

, кг.

Для обеспечения нейтральной поворачиваемости автомобиля, ориентируясь на данные прототипа [9], принимаем:

q ₁ = 0,38 – доля полной массы автомобиля, приходящаяся на переднюю ось;

q ₂ = 0,62 – доля полной массы автомобиля, приходящаяся на заднюю ось.

Масса, приходящаяся на переднюю ось,

кг.

Масса, приходящаяся на заднюю ось,

кг.

 

1.1.5 Подбор шин и определение радиуса качения

 

Тип шин выбирается исходя из условий эксплуатации автомобилей. Размер и марка шины определяются по величине статической нагрузки на наиболее нагруженное колесо.

Определим нагрузку на одно переднее и заднее колесо:

, ,

где G_{k 1} и G_{k 2} – статическая нагрузка на переднее или заднее колесо

соответственно, Н;

n ₁ – число передних колес;

n ₂ – число задних колес;

g – ускорение свободного падения ( g = 9,81 м/с²).

 Н.

 Н.

Таким образом, наиболее нагруженными являются колеса передней оси (G_kmax = G_{k 2}), что собственно и следует из п.1.1.4.

Учитывая нагрузку и максимальную скорость (V_amax = 115 км/ч) автомобиля  производим  подбор  шин,  ориентируясь  на данные справочника [5].

Шины 205/75R16, для которой предельно допустимая скорость составляет 170 км/ч, а допустимая нагрузка – 1300 кг (12750 Н), полностью удовлетворяет условиям эксплуатации автомобиля.

Произведем проверочный расчет, предложенный в методической разработке [2], и определим приближенное значение радиуса качения.

Коэффициент, характеризующий степень использования допустимой максимальной скорости шины:

,

где V_amax – максимальная скорость автомобиля, км/ч.

V _{ш max} – допустимая  для  данной  шины  максимальная  скорость движения, км/ч.

.

По рассчитанной величине λ находим значение коэффициента загрузки шины ξ.

Подсчитаем допустимую нагрузку на шину с учетом скоростного фактора:

 .

Н.

Сравним G_λ c максимально допустимой нагрузкой на шину:

.

Т.о. эксплуатационная нагрузка на шину на 11 % меньше максимально допустимой.

Радиус качения колеса r_k, м, берем из параметров выбранной шины:

=0,322

 

1.1.6 Коэффициент полезного действия трансмиссии

 

Коэффициент полезного действия трансмиссии η_тр характеризует потери мощности при передаче ее от двигателя к колесам.

 

Схема трансмиссии представлена на рисунке 1.

Рис.1 Схема трансмиссии автомобиля

Для выбранной компоновочной схемы ориентировочное значение КПД можно определить по формуле [2]:

,

где z, k, n – соответственно число цилиндрических и конических шестерен и

число карданных шарниров, передающих нагрузку при прямолинейном движении.

В конструкции применяются 2 карданных шарнира, и 1 коническая и 0 цилиндрических шестерен. Тогда:

.

 

1.1.7 Лобовая площадь автомобиля

 

Значение лобовой площади автомобиля , м², автомобиля выбираем ориентируясь на прототип. Для ориентировочной оценки  используем зависимость:

 

,

Где – наибольшая колея автомобиля-прототипа, м; –габаритная высота автомобиля-прототипа, м; - поправочный коэффициент. Поправочный коэффициент принимаем .

 

 

1.1.8 Коэффициент сопротивления воздуха

Коэффициент сопротивления воздуха , Н×с²/м⁴:

 

,                    (12)

где – плотность воздуха (для нормальных условий ≈ 1,22 кг/м³).

– коэффициент обтекаемости, безразмерная величина, зависящая, главным образом, от формы автомобиля (определяется экспериментально путем продувки автомобиля в аэродинамической трубе). Для современных грузовых автомобилей коэффициенты  могут принимать значения: 0,75 ÷ 1,30. Для снижения коэффициента используются кабины с обтекаемой формой, накладные элементы, обтекатели, регулируемые щитки, облицовка шасси и установка фартука под передним бампером[2]. С учетом этого примем коэффициент обтекаемости = 0,75.

    Снижения аэродинамического сопротивления автомобиля можно добиться за счет [8]:

1 оптимизации формы передка для безотрывного обтекания потоком воздуха (дает уменьшение C_x около 8–10% от первоначального состояния);

2 установки спойлера передка, согласовав его с формой передней части автомобиля (снижает C_x на 11–16%);

3 оптимизации формы стойки ветрового стекла. Влияние стойки ветрового стекла на аэродинамическое сопротивление очень сильно зависит от положения и формы ветрового стекла, а также от формы передка. (Дает снижение C_x до 7%);

4 оптимизация формы крыши. Увеличение выпуклости крыши может привести к уменьшению C_x;

5 оптимизация задка автомобиля (позволяет снизить C_x до 15% за счет изменения угла наклона панели задка и оформления кромок в районе задней части автомобиля);

6 установка элементов пола (наблюдается уменьшение C_x до 9%);

7 установка спойлера задка (дополнительное снижение C_x до 7% от исходного состояния).

 

 

1.2 Расчет максимальной мощности двигателя

 

1.2.1 Мощность, необходимая для движения автомобиля с заданной максимальной скоростью

 

Расчет мощности, необходимой для движения автомобиля с заданной максимальной скоростью, N _υ ведется по уравнению мощностного баланса для данного режима движения:

,

где  -мощность двигателя на режиме максимальной скорости автомобиля, кВт;

   - полный вес автомобиля, Н;

  - суммарный коэффициент сопротивления дороги на режиме максимальной скорости;

   _max - максимальная скорость автомобиля, м/c;

V_amax =115 км/ч = 31,94 м/с.

  - коэффициент сопротивления воздуха, Н∙с²/м⁴;

  - лобовая площадь, м²;

  - КПД трансмиссии.

Величина суммарного коэффициента сопротивления дороги в режиме максимальной скорости ψ_υ выбирается из соображений, что максимальная скорость развивается автомобилем на горизонтальном участке дороги с усовершенствованным покрытием, находящимся в хорошем состоянии. Для этих условий значение суммарного коэффициента сопротивления дороги ψ_υ может быть принято равным значению коэффициента сопротивления качению на указанной дороге f_V. Согласно экспериментальным данным для асфальтированного шоссе

f_V = 0,01 2 – 0,018.

Принимаем f_V = 0,015.

кВт.

1.2.2 Максимальная мощность двигателя по условию обеспечения максимальной скорости автомобиля

 

Максимальная мощность  определяется по формуле С.Р. Лейдермана, связывающей мощность в произвольной точке внешней скоростной характеристики  с максимальной мощностью двигателя :

,

где

ω _e – текущее значение угловой скорости вращения коленчатого вала, рад/с.

ω_N – скорость вращения коленчатого вала на режиме максимальной

мощности, рад/с.

Из

,

где – скорость вращения коленчатого вала двигателя при .

Следует заметить, что для определения по формуле (15) максимальной мощности двигателя нет необходимости знать абсолютные значения  и , которые в большой степени сами зависит от максимальной мощности двигателя. Поэтому целесообразно пользоваться их относительными величинами. Так, для дизелей  =  1.

Для расчета эмпирических коэффициентов a, b , c следует, ориентируясь на современные модели двигателей. Значения эмпирических коэффициентов a, b и c можно принять:

для дизелей со способом смесеобразования «непосредственный впрыск топлива»: a = 0,53; b = 1,56; c = 1,09 .

1.2.3 Расчет мощности двигателя, необходимой для обеспечения заданного значения максимального динамического фактора на высшей передаче

 

 

Мощность для режима максимального динамического фактора на высшей передаче N_{D ,}кВт. рассчитывается по формуле:

,

где D _{0 max} – заданное максимальное значение динамического фактора на

высшей передаче;

V_aD – скорость автомобиля в режиме максимального динамического

фактора на высшей передаче, м/с.

Для дизелей:

.               (17)

Скорость вращения коленчатого вала двигателя при максимальном крутящем моменте,  и скорость при максимальной мощности  связаны соотношением , где – коэффициент приспособляемости двигателя по скорости. При использовании формулы С.Р. Лейдермана величина  принимается для дизелей = 1,4.   

ω _N = 314 рад/с;

ω_М = 157 рад/с;

 

 

 

1.2.4 Максимальная мощность двигателя по условию обеспечения заданного максимального значения динамического фактора на высшей передаче

 

Значение мощности для дизелей определяется с помощью формулы С. Р. Лейдермана:

1.2.5 Окончательный выбор максимальной мощности двигателя.

Окончательно максимальная мощность двигателя выбираем как наибольшее значение из двух рассчитанных по описанной выше методике мощностей: .

 

 

1.3 Расчет передаточного числа главной передачи

 

Передаточное число главной передачи  рассчитывается из условия обеспечения заданной скорости автомобиля по выражению:

где  – угловая скорость коленчатого вала двигателя, соответствующая

максимальной скорости движения автомобиля, рад/с;

 – радиус качения колеса, м;

 – заданная максимальная скорость движения автомобиля, м/с;

 – передаточное число коробки передач.

Для прямой передачи в коробке передач . [2]

 – передаточное число дополнительной коробки передач.

 

1.4 Расчет передаточных чисел коробки передач

 

Передаточное число первой передачи  рассчитывается из условия преодоления заданного (для первой передачи) максимального сопротивления дороги, характеризующегося суммарным коэффициентом сопротивления дороги , по формуле:

,

где  – полный вес автомобиля, Н.

 – максимальный крутящий момент двигателя, Н·м.

   – КПД трансмиссии.

 

Значение максимального крутящего момента определяется из формулы:

где  – мощность двигателя при максимальном крутящем моменте, кВт.

 – скорость вращения коленчатого вала двигателя при , рад/с.

Окончательная мощность двигателя выбираем из условия обеспечения заданного максимального значения динамического фактора и .

= 48,796 кВт.

Рассчитанное значение  должно быть проверено по условию возможности реализации максимальной силы тяги по сцеплению колес с дорогой:

,

где  – максимальная сила тяги на первой передаче, Н;

 – максимальная сила тяги, которая может быть реализована по

условиям сцепления колес с дорогой, Н.

Значение передаточного числа первой передачи по условиям сцепления колес с дорогой должно удовлетворять неравенству:

Условие по сцеплению колес с дорогой выполнено.

 

Максимальная сила тяги по сцеплению определяется по формуле:

,

где  – сцепной вес автомобиля (вес, приходящийся на ведущие колеса), Н.

φ – коэффициент сцепления колес с дорогой (φ = 0,8). [2]

Для автомобиля с задними ведущими колесами:

 

,

где  – вес, приходящийся на задние колеса, Н;

  – коэффициенты перераспределения нагрузки на задние колеса при функционировании автомобиля на подъеме.

Значение коэффициента находится по выражению:

 

,  

где – база автомобиля, м;

   – высота центра масс автомобиля, м;

   – коэффициент сцепления колес с дорогой.

  – максимальный угол подъема, преодолеваемый проектируемым автомобилем.

Значения  и принимаются по прототипу: L = 3,800 м; =0, 85 м.

Максимальный преодолеваемый автомобилем угол подъема α находится по формуле:

где f – коэффициент сопротивления качению.

Принимается f = 0,015. [2]

 

Передаточные числа промежуточных передач рассчитываются из тех соображений, что общий ряд передаточных чисел коробки передач должен представлять собой геометрическую прогрессию. Тогда расчёт ведётся по формуле:

где U ₁ – передаточное число первой передачи;

n – число ступеней переднего хода, включая прямую передачу (для трёхвальной коробки передач);

s – номер ступени, для которой рассчитывается передаточное число.

Передаточное число второй передачи:

   Передаточное число третьей передачи:

    Передаточное число четвертой передачи:

 Передаточное число пятой передачи:

 

 

1.5 Построение внешней скоростной характеристики двигателя

Под внешней скоростной характеристикой двигателя обычно понимают зависимость показателей его работы от угловой скорости выходного (коленчатого) вала при полной подаче топлива в дизелях или полном открытии дросселя в карбюраторных двигателях.

Для построения внешней скоростной характеристики может быть использована формула С.Р. Лейдермана:

Интервал скоростей движения на высшей передаче от до  разбивается на 7 промежутков, которые включают в себя:

ω_{е min} – минимальная устойчивая скорость вращения коленчатого вала (ω_{е min}=80 рад/с);

ω_М – скорость вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте двигателя;

ω _N  – скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности двигателя.

По рассчитанным значениям мощности в каждой точке характеристики определяется крутящий момент двигателя:

Результаты расчета заносятся в таблицу 1.

  Результаты расчета внешней скоростной характеристики двигателя

Таблица 1

Скорость вращения коленчатого вала , рад/с	Мощность , кВт	Крутящий момент , Н×м
80,00	20,53	256,64
120,00	34,76	289,68
157,00	48,80	310,80
200,00	64,79	323,96
240,00	78,05	325,21
280,00	88,44	315,85
314,00	94,06	299,57

    По результатам расчета строится внешняя скоростная характеристика двигателя.

 

 

2 Расчет тягово-экономических характеристик автомобиля

 

2.1 Тяговая характеристика и тяговый баланс автомобиля

 

Тяговая характеристика представляет собой зависимость силы тяги на колесах автомобиля от скорости движения по передачам . Скорость автомобиля для всех ступеней коробки передач рассчитывается в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя. Расчет ведется по формуле:

.

где ω_е – скорость вращения коленчатого вала, рад/с;

r_k – радиус качения колеса автомобиля, м;

U ₀ – передаточное число главной передачи;

U _КП – передаточное число рассчитываемой ступени коробки передач;

Значения V_a  заносятся в столбец 4 таблицы 2.

Значение силы тяги Р_Т, Н, рассчитывается в отдельных точках по формуле:

где М_е – крутящий момент на валу двигателя, Н·м;

η_ТР – КПД трансмиссии.

Значения заносятся в столбец 5 таблицы 2.

Тяговый баланс автомобиля описывается уравнением:

где Р _f – сила сопротивления качению, Н;

P_n – сила сопротивления подъему, Н;

P_B – сила сопротивления воздушной среды, Н;

P_u – сила сопротивления разгону (сила инерции), Н.

Общая сила сопротивления дороги Р _d будет равна:

где  f – коэффициент сопротивления качению;

α – угол подъема;

G_a – полный вес автомобиля, Н.

Для практических значений уклонов дороги (до 10%) значение cos α весьма близко к единице и при расчетах обычно не учитывается. Тогда

,

где i – уклон дороги в долях единицы.

Суммарный коэффициент сопротивления дороги определяется по формуле:

.

На горизонтальном ее участке (i = 0) ψ равен коэффициенту сопротивления качению на указанной дороге . В свою очередь, коэффициент сопротивления качению f зависит от скорости движения автомобиля. Однако учет этой зависимости сильно осложняет выполнение тягового расчета и в то же время практически не дает важного уточнения. Поэтому при выполнении тягового расчета значение f принимается постоянным и .

При выбранном значении  величина  остается постоянной для всех расчетных точек на всех передачах. Поэтому значение подсчитывается один раз и в таблицу не заносится:

 

.               

 

Сила сопротивления воздушной среды Р_В, Н, равна:

где k_B – коэффициент сопротивления воздуха, Н·с²/м⁴;

F – лобовая площадь автомобиля, м²;

V_a – скорость автомобиля, м/с.

Значения заносятся в столбец 6 таблицы 2.

Сила инерции автомобиля P_u после расчета P _д и P_B может быть определена как замыкающий член силового баланса:

Рассчитанные значения следует занести в столбец 7 таблицы 2.

 

2.2 Мощностной баланс автомобиля

 

Уравнение мощностного баланса автомобиля может быть получено из уравнения тягового (силового) баланса почленным умножением его на скорость автомобиля.

В общем случае уравнение мощностного баланса имеет вид:

где N_T – мощность, подводимая к колесам, кВт;

N_f – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления

качения, кВт;

N_n – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления

подъема, кВт;

N_B – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздушной

среды, кВт;

N_u – мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля, кВт.

Если, как это обычно делается, обозначить  (N _д – мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления дороги), то уравнение мощностного баланса примет вид:

Величина мощности, подводимая к колесам, равна:

где N_e – мощность в соответствующей точке внешней характеристики

двигателя, кВт.

Очевидно, что, если принять значение η_ТР постоянным, то для всех передач значения N _Т при одинаковых значениях скорости вращения коленчатого вала двигателя будут также одинаковы. Кривые  будут по своему характеру повторять форму внешней характеристики двигателя, но для высших передач они будут более растянуты по оси абсцисс.

Рассчитанные значения N _Т заносятся в столбец 9 таблицы 2.

Мощность, затрачиваемая на преодоление суммарного сопротивления дороги, кВт, рассчитывается по формуле:

где  – вес автомобиля, Н;

  – скорость автомобиля, м/с.

Для расчета принимается . Полученные значения  заносятся в столбец 10 таблицы 2.

Мощность сопротивления воздушной среды определяется из выражения:

Значения записываются в столбец 11 таблицы 2 и по ним строится график. При построении этого графика используется прием, аналогичный тому, который был использован при построении графика  в тяговом балансе. Значения откладывается не от оси абсцисс, а от ранее построенного луча, выражающего зависимость . Таким образом, ордината получившейся кривой представляет в принятом масштабе сумму мощностей, затрачиваемых на преодоление сопротивлений дороги и сопротивления воздуха – .

 

Мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля, может быть рассчитана, как замыкающий член мощностного баланса:

Значения  заносятся в столбец 12 таблицы 2. Графически значения  представляют собой отрезки прямых, проведенных параллельно оси ординат, от пересечения с кривой  до пересечения с кривой .

 

 

2.3 Расчет и построение динамической характеристики

 

Динамическая характеристика представляет собой зависимость динамического фактора автомобиля от скорости движения на разных передачах.

В каждой расчетной точке на каждой передаче динамический фактор рассчитывается по формуле:

Рассчитанные значения D заносятся в столбец 8 таблицы 2.

Динамическая характеристика позволяет очень просто и наглядно анализировать возможность движения автомобиля в заданных дорожных условиях (при различных значениях ψ). При этом следует помнить, что движение автомобиля без замедления возможно только в случае, когда динамический фактор по своей величине не меньше суммарного коэффициента сопротивления дороги, то есть при .

Рассчитанные значения  заносятся в столбец 8 таблицы 2. По этим значениям строятся графики  для каждой передачи.

 

 

2.4 Расчет ускорения автомобиля

 

Ускорение автомобиля j, м/с², в каждой точке определяется по формуле: