Конструкции основных современных автомобилей и их двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Определение необходимой мощности двигателя

2. Тепловой расчет двигателя

3. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

4. Подбор передаточных чисел трансмиссии

5. Динамический расчет автомобиля

6. Топливная экономичность автомобиля



Введение

Автомобили в структуре современного промышленного и сельскохозяйственного производства являются мобильными транспортными средствами, получившими широкое распространение. От знания устройства автомобилей и умения грамотно эксплуатировать их во многом зависит эффективное и экономичное использование транспортных средств.

При изучении дисциплины "Автомобили" рассматриваются конструкции основных современных автомобилей и их двигателей, теория, конструирование и расчет двигателей и автомобилей.

Курсовая работа, выполняемая студентами, является завершающим этапом изучения дисциплины "Тракторы и автомобили". Проведение практических расчетов закрепляет основы теории и расчета автомобилей и позволяет освоить основные технические показатели и характеристики современных автомобилей.

Составной частью курсовой работы является проведение теплового расчета двигателя проектируемого автомобиля. Тепловой расчет позволяет аналитически с достаточной степенью точности определить основные параметры вновь проектируемого или модернизируемого двигателя, а также оценить индикаторные и эффективные показатели его работы. Результаты теплового расчета ДВС в дальнейшем используются для расчета и построения теоретической внешней скоростной характеристики двигателя, в свою очередь, используемую при расчете динамики автомобиля.



1. Определение необходимой мощности двигателя

При установившимся движении мощность автомобиля расходуется на преодоление сопротивлений дороги и воздуха.

где Gа, Gг - вес автомобиля и груза, Н;

Pw - сила сопротивления воздуха при скорости движения V(м/с), Н;

тр - КПД трансмиссии;

Для пары цилиндрических шестерен = 0,98; конических = 0,97; КПД отдельных механизмов:

коробки передач - 0,96 - 0,98

раздаточной коробки - 0,93 - 0,97

колесной передачи - 0,96 - 0,98

карданного шарнира - 0,995

главной передачи - 0,93 - 0,97

В целом тр = 0,8 - 0,92 (меньшее значение относится к многоприводным грузовым автомобилям, большие к легковым).

f - осредненный коэффициент сопротивления качению, который обычно находится экспериментально для определенных дорожных условий и шин (л. 6. с. 4).

Сила сопротивления воздушного потока Pw. Основной составляющей сопротивления воздушного потока является лобовое сопротивление, которое достигает 60% общего. Лобовое сопротивление вызывается тем, что при движении автомобиля впереди его создается зона повышенного давления, а сзади - зона разряжения. Различают также сопротивление, вызываемое выступающими частями автомобиля (добавочное сопротивление около 15%); сопротивление, обусловленное трением воздуха о наружные поверхности автомобиля (сопротивление поверхностного трения - 5-10%); сопротивление, возникающее при прохождении воздуха внутри автомобиля (внутреннее сопротивление - 10-15%) и др.

Равнодействующую сил сопротивления воздушного потока называют полной аэродинамической силой :

Pw = k F V2,

где k - коэффициент обтекаемости, Н с2/м4.

Величину коэффициента обтекаемости для грузовых автомобилей, созданных на безе легковых, следует принимать как для легковых автомобилей.

Каждый прицеп автопоезда увеличивает коэффициент обтекаемости на 15-30%, полуприцеп седельного тягача на 10% по сравнением с одиночным автомобилем.

F - площадь лобового сопротивления, м2.

Для грузовых автомобилей и автобусов:

F = B Hг = 1,69 · 2,35 = 3,97 м2;

где B- колея, м;

Hг - габаритная высота, м.

Значения габаритных размеров автомобиля необходимо принимать по прототипу из справочных данных [4].

Произведение kF называют фактором обтекаемости. Точку приложения силы сопротивления воздушного потока Pw называют центром парусности автомобиля.

Рассчитаем полную аэродинамическую силу:

Pw = 0,5 · 3,97 · 27,82 = 1534,67 H;

Рассчитаем необходимую мощность двигателя:

Перед проведением теплового расчета двигателя полученное значение требуемой мощности следует округлить до большего целого значения.

2. Тепловой расчет двигателя

Тип двигателя - карбюраторный;

Потребная мощность рассчитываемого двигателя, кВт - 84.057

Число цилиндров двигателя - 8

Отношение хода поршня к диаметру цилиндров - 0.869

Диаметр цилиндра двигателя-прототипа, мм - 92

Частота вращения коленчатого вала, об/мин - 3200

Температура окружающей среды То = 293 К

Давление окружающей среды Ро = 0,1013МПа

Суммарный коэффициент, учитывающий затухание скорости движения заряда и сопротивление систем впуска - 2.5

Средняя скорость воздуха в проходных отверстиях впускных клапанов, м/с - 50

Подогрев заряда от стенки цилиндра, К - 10

Степень сжатия - 6.698999881744385

Давление остаточных газов, МПа - 0.105

Температура остаточных газов, К - 900

Показатель политропы сжатия - 1.34

Свойства моторных топлив приняты в соответствии с таблицей 2 методических указаний

Коэффициент избытка воздуха - 0.85

Коэффициент использования теплоты - 0.85

Показатель политропы расширения - 1.23

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы - 0.939

Результаты расчёта:

Ориентировочная средняя скорость поршня, м/с	8.53
Давление заряда в начале сжатия, МПа	0.0975
Коэффициент остаточных газов	0.0673
Температура заряда в начале сжатия, К	339.5
Коэффициент наполнения	0.9168
Давление газов в конце процесса сжатия, МПа	1.24
Температура газов в конце процесса сжатия, К	648.2
Кол-во свежего заряда на 1 кг топлива, кМоль	4.438
Общее кол-во продуктов сгорания на 1 кг топлива, кМоль	0.4874
Хим-й коэффициент молекулярного изменения	1.0984
Действительный коэффициент молекулярного изменения	1.0923
Максимальная температура сгорания, К	2537.8
Теоретическое максимальное давление цикла, МПа	5.334
Действительное максимальное давление цикла, МПа	4.534
Степень предварительного расширения	1
Давление газов в конце процесса расширения, МПа	0.437
Температура газов в конце процесса расширения, К	1638.6
Температура отработавших газов по формуле Мазинга Е.К., К	1021.8
Среднее индикаторное давление теоретического цикла, МПа	1.135
Среднее индикаторное давление действительного цикла, МПа	1.067
Индикаторный КПД	0.2823
Удельный индикаторный расход топлива, г/(кВт*ч)	289.7
Среднее давление механических потерь, МПа	0.1516
Среднее эффективное давление, МПа	0.9157
Механический КПД	0.8579
Эффективный КПД	0.2422
Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт*ч)	337.7
Эффективный крутящий момент двигателя, Н*м	250.9
Рабочий объём всех цилиндров двигателя, л	4.25
Рабочий объём одного цилиндра, л	0.43
Диаметр цилиндра, мм	92
Ход поршня, мм	80
Часовой расход топлива, кг/час	28.38
Средняя скорость поршня, м/с	7.95
Объём камеры сгорания, л	0.075
Полный объём цилиндра, л	0.505

Исходные данные для построения политроп сжатия и расширения

V	Pc	Pp
0.07549	1.24744	4.53472
0.11852	0.68163	2.60392
0.16155	0.45011	1.77906
0.20457	0.32802	1.33063
0.2476	0.25399	1.05218
0.29063	0.20491	0.86397
0.33365	0.1703	0.72904
0.37668	0.14475	0.628
0.41971	0.12522	0.54977
0.46273	0.10987	0.48758
0.50576	0.09753	0.43707

где V - объём камеры над поршнем, л

Pc - давление сжатия, МПа

Pp - давление расширения, Мпа

3. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

При проектировании автомобиля характеристики двигателя не известны и тягово-динамические расчеты ведут по приближенным скоростным характеристикам.

Тип проектируемой машины - 2

Минимально устойчивое число оборотов двигателя принято - 0.25 Nном двигатель трансмиссия автомобиль топливный

Минимально устойчивое число оборотов двигателя (об/мин) - 800

Параметры внешней скоростной характеристики



n	Ne	Ge	Me	Gt
800	24.95471	337.72927	298.02609	8.427
1040	33.31192	324.05123	306.02575	10.794
1280	41.69276	313.41275	311.20199	13.067
1520	49.88448	305.81384	313.55484	15.255
1760	57.67429	301.25451	313.08425	17.374
2000	64.84943	299.73471	309.79028	19.437
2240	71.19712	301.25451	303.67291	21.448
2480	76.5046	305.81384	294.73211	23.396
2720	80.55908	313.41275	282.96792	25.248
2960	83.14781	324.05123	268.38034	26.944
3200	84.05799	337.72927	250.96934	28.388

Примечание:

n - Расчётные точки скоростной характеристики (об/мин)

Ne - мощность в расчётных точках (кВт)

Ge - удельный эффективный расход топлива (г/кВт*ч)

Me - эффективный крутящий момент (Н*м)

Gt - часовой расход топлива (кг/ч)

4. Подбор передаточных чисел трансмиссии

Передаточное число трансмиссии состоит из трех составляющих

iтр = iк iд i0,

где iк - передаточное число коробки передач [на высшей передаче iкz = 1(0,65)];

iд - передаточное число в дополнительной коробке - делителе (iд = 1,2 -1,5). При отсутствии дополнительной коробки - делителя принимать iд = 1,0.

Величинами передаточного числа коробки передач на высшей передаче и передаточного числа дополнительной коробки - делителя необходимо обоснованно задаться (выбрать);

i0 - передаточное число главной передачи.

Максимальную скорость автомобиль развивает на высшей (чаще прямой) передаче

V = 2 r k nн / iтр.

rk - радиус качения колеса.

Отсюда

i0 = 2 r k nн / iкz iд V

Для определения радиуса качения колеса находится нормальная нагрузка на одну шину полностью нагруженного автомобиля

В выражениях RЗ1, RП1 - нагрузка на одну шину задней и передней оси соответственно, кгс; mа и mг - масса автомобиля и груза, кг; nшЗ и nшП - число шин задней оси (тележки) и передней оси; - степень загруженности задней оси (тележки). Определяется по данным автомобиля-прототипа по следующей формуле:

где RЗ - масса, приходящаяся на заднюю ось (тележку) автомобиля-прототипа; RО - общая масса автомобиля-прототипа с грузом.

По нагрузке на одну шину по табл. П1 - П6 подбирается ее модель. Затем определяется радиус качения колес с учетом коэффициента вертикальной деформации шины.

rk = 0,5 d + см H,

где см - коэффициент вертикальной деформации шины (коэффициент смятия);

H - высота профиля, м;

d - посадочный диаметр обода, м.

В маркировке шин первая цифра обозначает ширину профиля, вторая цифра - посадочный диаметр.

Для шин грузовых автомобилей, автобусов, шин с регулируемым давлением (кроме широкопрофильных), а также диагональных шин легковых автомобилей (табл. П1, П2) см = 0,85 - 0,9; для широкопрофильных шин с регулируемым давлением, арочных шин и радиальных шин легковых автомобилей (табл. П4) см = 0,8 - 0,85.

При нагрузке и внутреннем давлении воздуха, указанных в стандартах для шин грузовых автомобилей и автобусов (табл. П1), и шин с регулируемым давлением (кроме широкопрофильных) H/B 1. Для шин легковых автомобилей с дюймовым обозначением (табл. П2) H/B 0,95; при смешанном обозначении (миллиметрово-дюймовом) (табл. П3) H/B 0,8 - 0,85. У радиальных шин легковых автомобилей сверхнизкопрофильных серий 60 и 70 (табл. П5, П6) в обозначении введен индекс, соответствующий отношению H/B в процентах, например 165/80R13 - B = 165 мм, H/B = 80% или H/B = 0,8, d = 13' (дюймов; 1дм = 25,4 мм).

После подбора шины, определения радиуса качения колеса и передаточного числа главной передачи необходимо провести его уточнение с учетом числа зубьев шестерен этой передачи.

Окружная касательная сила тяги и сила сопротивления воздуха при заданной скорости движения целиком зависит от конструкции и состояния автомобиля. Разность окружной силы и силы сопротивления воздуха - свободная силы тяги, которая может быть использована для преодоления сил сопротивления дороги и разгона автомобиля. Отношение свободной силы тяги к весу автомобиля называется динамическим фактором автомобиля D

D = (Pk - Pw)\G.

При отсутствии сопротивления воздуха на первой передаче максимальное значение динамического фактора

Максимальная окружная сила, определяемая сцеплением колес с дорогой реализуется на низших передачах при малых скоростях движения, при которых Pw 0

Pk max = к G,

где к - коэффициент нагрузки ведущих колес движущегося автомобиля

к=к ст;

к - коэффициент перераспределения нагрузки по осям при разгоне с максимальным ускорением, для переднеприводного автомобиля к = 0,85-0,9; при приводе на заднюю ось (тележку) к = 1,05-1,12;

ст = Gв / G

коэффициент нагрузки ведущих колес неподвижного автомобиля. Для полноприводного автомобиля ст = 1.

Следовательно,

Dmax = к.

Отсюда передаточное число в коробке передач на первой передаче

Чтобы определить передаточные числа коробки передач на остальных передачах, необходимо выбрать число ступеней коробки передач z.

Для легковых автомобилей z = 4 - 5 (чаще 4).

Для грузовых автомобилей z = 4 - 6 (чаще 5).

При наличии делителя число передач удваивается. Структуру ряда передач выбирают с учетом обеспечения наибольшей интенсивности разгона. Для этой цели передаточные числа трансмиссии должны быть подобраны таким образом, чтобы разгон на каждой передаче начинался при одних и тех же частотах вращения вала двигателя n1 и заканчивался при одних и тех же n2. При этом используется средняя мощность двигателя. Для плавного перехода с одной передачи на другую необходимо, чтобы скорость начала разгона на данной передаче была бы равна скорости конца разгона на предыдущей передаче (рис. 5).

Из этого условия следует или

ikz-1/ ikz = n2/n1 = q



Это условие предполагает построение ряда передач по принципу геометрической прогрессии

где z - число передач.

Передаточные отношения на следующих передачах определяются по формулам:

ik2 = ik1 / q; ik3 = ik2 / q и т.д.

При переключении передач автомобиль некоторое время движется по инерции, в результате чего его скорость снижается. Чем выше скорость, тем интенсивнее происходит ее снижение. Окончательно передаточные числа подбирают так, чтобы выполнялось условие

ik1\ ik2 >ik2\ ik3>…> ikz-1\ ikz .

Передаточные числа коробки передач автомобиля ГАЗ - 3307:

на 1-й передаче: 6,55;

на 2-й передаче: 3,09;

на 3-й передаче: 1,71;

на 4-й передаче: 1,00;

на задней передаче: 7,77.

5. Динамический расчет автомобиля

Графическое изображение зависимости динамического фактора от скорости движения автомобиля называется динамической характеристикой автомобиля.



Для построения теоретической динамической характеристики необходимы данные внешней скоростной характеристики двигателя [Me = f (n)], параметры ходовой части (rk) и передаточные числа трансмиссии (iтр).

На зависимости Me = f (n) выделяют не менее пяти точек. Для выделенных точек последовательно определяют:

скорость движения автомобиля

V = 2 r k n / iтр ;

силу сопротивления воздушного потока

Pw = k F V2;

касательную силу тяги на колесах

Pk = Me iтр тр / rk;

динамический фактор порожнего автомобиля

D = (Pk - Pw)/Gа

Каждая линия динамической характеристики автомобиля определяется не менее чем по пяти точкам. Вышеперечисленную последовательность повторяют для каждой передачи коробки перемены передач, изменяя величину передаточного отношения трансмисии.

Динамическую характеристику строят для автомобиля определенного веса. Для того, чтобы ее применить для анализа динамических свойств автомобиля различного веса, ее необходимо дополнить, то есть сделать универсальной.

Вначале строят характеристику порожнего автомобиля, а затем ее дополняют. Определяют максимальное значение коэффициента загрузки:

Гmax = (mа + mг ) / mа,

где mа и mг - соответственно массы автомобиля и груза.

Из точки заданной максимальной скорости движения проводят вторую вертикальную координатную ось, с уменьшением в Гmax раз масштабом динамического фактора. Горизонтальную ось разбивают на равные отрезки и проводят вертикальные линии. На вертикальных осях равные значения динамического фактора соединяют наклонными прямыми.

пер-чи	nе, об/мин	800	1100	1400	1700	2000	2300	2600	2900	3200
1	Vа, км/ч	3,609	4,962	6,316	7,669	9,023	10,376	11,729	13,083	14,436
	Di	0,264	0,273	0,277	0,278	0,275	0,267	0,256	0,241	0,222
2	Vа, км/ч	7,650	10,519	13,388	16,257	19,126	21,994	24,863	27,732	30,601
	Di	0,125	0,128	0,130	0,130	0,129	0,125	0,119	0,112	0,103
3	Vа, км/ч	13,824	19,008	24,192	29,376	34,560	39,744	44,928	50,112	55,296
	Di	0,069	0,070	0,071	0,070	0,069	0,066	0,062	0,056	0,050
4	Vа, км/ч	23,639	32,504	41,369	50,233	59,098	67,963	76,827	85,692	94,557
	Di	0,041	0,041	0,040	0,038	0,034	0,030	0,025	0,019	0,012

6. Топливная экономичность автомобиля

В тех случаях, когда топливно-экономические характеристики предполагаемого к установке двигателя неизвестны, для определения удельных расходов топлива используют приближенные методы.

Статистической обработкой топливно-экономических характеристик ДВС установлено, что удельный расход топлива определяется удельным расходом его при максимальной мощности двигателя и степенью использования мощности и частоты вращения. Под степенью использования мощности И понимается отношение мощности двигателя на рассматриваемом режиме работы Ne' к его мощности по внешней характеристике при данной частоте вращения Neд,

И = Ne'/Neд.

Под степенью использования частоты вращения Е понимается отношение текущего значения частоты вращения коленчатого вала двигателя n' к частоте вращения при максимальной мощности nN

Е = n'/nN.

Исходя из этого Шлиппе И.С. предложил для определения ge формулу

ge = geNKИКЕ,

где geN - удельный расход топлива при максимальной мощности двигателя Nemax ;

KИ и КЕ - коэффициенты, учитывающие степень использования мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Для приближенных расчетов при определении коэффициентов KИ и КЕ можно пользоваться эмпирическими формулами или вспомогательными графиками (рис. 7).

Для дизельных двигателей

КИ = 1,2 + 0,14 И - 1,8 И2 + 1,46 И3.

Для карбюраторных двигателей

КИ = 3,27 - 8,22 И + 9,13 И2 - 3,18 И3.

Для всех типов двигателей

КЕ = 1,25 - 0,99 Е + 0,98 Е2 - 0,24 Е3.

Топливно-экономическую характеристику строят в предположении установившегося движения автомобиля по горизонтальной дороге с полной нагрузкой в следующей последовательности:

Задаются коэффициентом сопротивления качению автомобиля f

f1 = f; f2 = f + 0,03; f3 = f + 0,05 .

По универсальной динамической характеристике автомобиля определяют необходимую передачу для движения автомобиля.

Задаются пятью значениями скорости движения на определенной передаче.

Определяют соответствующие заданным значениям скорости величины частот вращения коленчатого вала двигателя

n = 30 V iтр / ( rк), об/мин

Определяют величины сил сопротивления воздушного потока Pw и сопротивления качению автомобиля.

При известных сопротивлениях Pw и Pf определяют необходимую для движения автомобиля мощность двигателя

Ne' = [(Pw + Pf) V]/(103 тр), кВт.

Используя внешнюю скоростную характеристику двигателя, определяют степени использования мощности и частоты вращения И и Е.

По расчетным формулам или вспомогательным графикам (рис. 7) определяют значения КИ и КЕ.



Определяют удельный расход топлива

ge = geNKИКЕ, г/кВтч

Величину geN принимают по данным внешней скоростной характеристики.

Определяют расход топлива на 100 км пути

Qs = (ge Ne) / (36 V т), л

где т - плотность топлива, кг/легковых; для бензина т = 0,75 кг/л; для дизельного топлива т = 0,82 кг/л.

Строят топливно-экономическую характеристику автомобиля.

f = 0,018; f = 0,048; f = 0,068

Таблицы 14 Значения путевого расхода топлива автомобиля ГАЗ-3307 на 3,4 передачах при движении автомобиля по асфальтобетону

ne, [об/мин]	800	1100	1400	1700	2000	2300	2600	2900	3200
Va, [км/ч]	13,82	19,01	24,19	29,38	34,56	39,74	44,93	50,11	55,30
Ne', [кВт]	22,58	32,04	41,46	50,46	58,67	65,71	71,20	74,78	76,05
ge, [г/кВт•ч]	301,2	283,4	271,1	264,4	263,1	267,3	277	292,2	313
Ku	2,09	2,09	2,06	2,00	1,91	1,79	1,64	1,46	1,25
Qs,[л/100км]	38,08	36,98	36,30	36,06	36,22	36,66	37,14	37,30	36,70
ne, [об/мин]	800	1100	1400	1700	2000	2300	2600	2900	3200
Va, [км/ч]	23,64	32,50	41,37	50,23	59,10	67,96	76,83	85,69	94,56
Ne', [кВт]	22,58	32,04	41,46	50,46	58,67	65,71	71,20	74,78	76,05
ge, [г/кВт•ч]	301,2	283,4	271,1	264,4	263,1	267,3	277	292	313
Ku	1,31	1,24	1,13	1,01	0,89	0,84	0,95	1,37	2,45
Qs,[л/100км]	24,59	23,81	22,99	22,30	22,22	24,14	31,82	54,99	118,8
ne, [об/мин]	800	1100	1400	1700	2000	2300	2600	2900	3200
Va, [км/ч]	23,64	32,50	41,37	50,23	59,10	67,96	76,83	85,69	94,56
Ne', [кВт]	22,58	32,04	41,46	50,46	58,67	65,71	71,20	74,78	76,05
ge, [г/кВт•ч]	301,26	283,47	271,19	264,40	263,12	267,33	277,05	292,28	313,00
Ku	0,85	0,84	0,85	0,90	1,05	1,40	2,11	3,49	6,14
Qs,[л/100км]	25,71	25,60	26,64	30,02	38,34	57,21	99,04	191,81	401,11

Размещено на Allbest.ru

...