Расчетно-графический анализ тягово-скоростных свойст автомобиля ВАЗ-21083

Министерство образования Украины
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Кафедра автомобилей
Курсовая работа
Расчетно-графический анализ тягово-скоростных свойств автомобиля ВАЗ -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 Dn.
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/с
2 — 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=13439,7Н, 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 м
2

Сила сопротивления разгону, Н

где
d — коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся масс;
j — ускорение автомобиля в поступательном движении, м/с
2.

При построении и анализе графиков силового баланса величина Pj не рассчитывается, а определяется как разность тягового усилия Pk и суммы сопротивлений движению (PY+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 uki2 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 0.9vmax. 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 0.9vmax 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 0.9vmax 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; NY ,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 NY и Nw рассчитывают с использованием величин PY и Pw , взятых из табл.2 для высшей передачи с целью обеспечения всего диапазона скоростей движения автомобиля

Полученные значения величин NY 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; NY=f(v), NY+Nw=f(v).
Мощности Nr и Nj определяются на графике как разности Nr=Ne-Nk, Nj=Nk-(NY+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 Ymax 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
Ymax1 = Dmax1 =0,3782 vкр1 =20 км/ч
Ymax2 =Dmax2 =0,205 vкр2 = 39 км/ч
Ymax3 =Dmax3 =0,143 vкр3 = 56 км/ч
Ymax4 =Dmax4 =0,089 vкр4 = 46,4 км/ч
Ymax5 =Dmax5 =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%
imax4=0,089 – 0,10 =- 0,011 =- 0,1%
imax5 = 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
Jmax1 =2,77м/с2 ; Vпер 1-2= 48 км/ч ;
Jmax2 =1,53 м/с2 ; Vпер 2-3= 87 км/ч ;
Jmax3 = 1,08м/с2 ; Vпер 3-4= 112км/ч ;
Jmax4 = 0,64м/с2 ; t100 = 18,3 с ;
Jmax5 = 0,49м/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.