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 автомобиляВАЗ -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 (Ne_maxи n_N) воспроизвести всю кривую мощности:

где Ne, кВт – текущее значение мощности двигателя, соответствующее частоте вращения вала двигателя n, об/мин; Ne_max, кВт – максимальная мощность двигателя внутреннего сгорания при частоте вращения n_N , 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 n_min до n_N разбивают на произвольное число участков:

Так как у карбюраторного двигателя, не имеющего ограничителя частоты вращения, максимальная частота вращения коленчатого вала n_max при движении автомобиля с максимальной скоростью может на 10-20% превышать частоту n_N , для него берут еще одно значение n после n_Nc тем же интервалом Dn.

Минимальную частоту вращения коленчатого вала n_min 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 N_e=f(n) и M_e=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 r_д - динамический радиус колеса, который в нормальных условиях движения принимаем равным r_ст, м. Вторую составляющую силового баланса - силу суммарного дорожного сопротивления определяют по формуле, Н:

где G=gm - полный вес автомобиля, Н; g= 9.8I м/с² - ускорение свободного падения.

В расчетах не учитывается влияние скорости движения на коэффициент сопротивления качению, в связи c чем полагают Y=const.

Для ВАЗ-21083G=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 - 21083F = 0,78*1,65*1,402=1,804 м²

Сила сопротивления разгону, Н:

где d - коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся масс; j - ускорение автомобиля в поступательном движении, м/с².

При построении и анализе графиков силового баланса величина P_j не рассчитывается, а определяется как разность тягового усилия P_k и суммы сопротивлений движению (P_Y+P_w).

График силового баланса и все последующие строят в функции скорости автомобиля v, км/ч, которая связана с частотой вращения вала двигателя n зависимостью:

где r_k - радиус качения колеса, м, равный при отсутствии проскальзывания статическому радиусу r_ст.

Динамический фактор автомобиля D определяется для различных передач и скоростей движения по формуле:

Переменные по скорости величины P_k,P_w и Dрассчитывают 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 u_ki² 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 0.9v_max. 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 v_min до 0.9v_max 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 v_min до 0.9v_max 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 N_k:

где Nr - мощность, теряемая в трансмиссии; N_Y ,Nw- мощность, расходуемая на преодоление соответственно суммарных дорожных сопротивлений и сопротивления воздуха; Nj - мощность, используемая для разгона.

Вначале вычисляют мощность на ведущих колесах N_k. Эту величину определяют через мощность Ne, развиваемую на коленчатом валу двигателя, с учетом потерь в трансмиссии

Значения мощностей N_Y и Nw рассчитывают с использованием величин P_Y и Pw , взятых из табл.2 для высшей передачи с целью обеспечения всего диапазона скоростей движения автомобиля:

Полученные значения величин N_Y 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: N_e=f(v) - только для высшей передачи; N_k=f(v) - для всех передач; N_Y=f(v), N_Y+Nw=f(v).

Мощности Nr и Nj определяются на графике как разности Nr=Ne-Nk, Nj=Nk-(N_Y+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 Me_max , частоту вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте n_M и момент при максимальной мощности M_N. Полученные значения Me_max и n_M сравниваются с реальными данными. По значениям Me_max и M_N можно вычислить коэффициент приспособляемости двигателя

Для ВАЗ - 21083 значение M_emax= 89,872Н*м а M_N=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 Y_maxi, которое может преодолеть автомобиль, критическую скорость v_{кр i} и максимальный преодолеваемый продольный уклон дороги i_maxi.

Максимальный преодолеваемый продольный уклон дороги:

Для большей наглядности полученное значение уклона представляют в процентах.

Для автомобиля ВАЗ - 21083 перечисленные параметры составляют:

v_max= 156 км/ч

Y_max1 = D_max1 =0,3782 v_кр1 =20 км/ч

Y_max2 =D_max2 =0,205 v_кр2 = 39 км/ч

Y_max3 =D_max3 =0,143 v_кр3 = 56 км/ч

Y_max4 =D_max4 =0,089 v_кр4 = 46,4 км/ч

Y_max5 =D_max5 =0,073 v_кр5 = 44 км/ч

i_max1=0,3782 – 0,10 = 0,2782 = 27,8%;

i_max2=0,205 – 0,10 = 0,105 = 12,8%;

i_max3 = 0,143 – 0,10 = 0,043 =4,3%

i_max4=0,089 – 0,10 =- 0,011 =- 0,1%

i_max5 = 0,073 – 0,10 = -0,027 =-2,7%

По графику ускорений определяется максимальное ускорение j_max для каждой передачи и оптимальные скорости перехода v_пер 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 :

J_max1 =2,77м/с² ;V_{пер 1-2}= 48 км/ч ;

J_max2 =1,53 м/с² ; V_{пер 2-3}= 87 км/ч ;

J_max3 = 1,08м/с² ;V_{пер 3-4}= 112км/ч ;

J_max4 = 0,64м/с² ; t₁₀₀ = 18,3 с ;

J_max5 = 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.