КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: «Расчет параметров конструктивной безопасности транспортныхсредств»
Введение
В настоящее время автомобильный транспорт является важнойсоставляющей практически всех отраслей экономики всех стран мира. Без егоучастия трудно представить себе жизнь какого-либо города. На улицах городовстановится все больше и больше транспортных средств. С одной стороны этоувеличивает мобильность населения, его подвижность, характеризует повышениеблагосостояния людей, а с другой стороны – к сожалению, приводит к увеличениючисла ДТП, жертв. Поэтому сейчас перед специалистами в автомобильной сфереостро встал вопрос как о безопасности движения в целом, так и о безопасностиавтомобиля как самого опасного элемента дорожного движения.
Автомобиль представляет собой источник повышенной безопасности, поэтомубезопасность движения в целом зависит от конструкции автомобиля. Конструктивнаябезопасность автомобиля является его сложным свойством, и ее структурапредставляет собой следующие аспекты: активная, пассивная, послеаварийная,экологическая безопасности.
Активная безопасность – это его свойство предотвращать ДТП илиснижать вероятность их возникновения. Она проявляется в период соответствующийначальной фазе ДТП, тогда водитель имеет возможность влиять на характердвижения автомобиля.
Пассивная безопасность – свойство автомобиля уменьшать тяжестьпоследствий от ДТП. Она проявляется в период соответствующий кульминационнойфазе ДТП, когда водитель уже не может повлиять на характер движения автомобиля.
Послеаварийная безопасность – свойство автомобиля уменьшатьтяжесть последствий ДТП после остановки автомобиля (конечная фаза ДТП). Онахарактеризуется возможностью быстро ликвидировать последствия ДТП ипредотвратить возникновение новых опасных ситуаций.
Экологическая безопасность – свойство автомобиля позволяющее уменьшитьвред, наносимый окружающей среде и человеку в процессе эксплуатации автомобиля.Основной вред, наносимый автомобилем это токсичные компоненты отработанныхгазов и шум.
Целью настоящей курсовойработы является приобретение практических навыков по определению показателей эксплуатационныхсвойств автомобиля, непосредственно влияющих на его конструктивнуюбезопасность.
Таблица 1. Исходные данные к курсовой работеИсследуемый автомобиль Toyota corolla
Габаритные размеры, мм:
– длина
– ширина
– высота
4180
1710
1475 База, мм 2600 Колея передних колес, мм 1480 Масса снаряженного автомобиля, кг 1140 -на переднюю ось 670 -на заднюю ось 470 Полная масса автомобиля, кг 1655 -на переднюю ось 840 -на заднюю ось 815 Двигатель бензиновый
Максимальная мощность, кВт (мин-1) 81 (6000) Коробка передач -число передач 5
-передаточные числа
1
2
3
4
5
3,285
1,904
1,310
0,969
0,815 Передаточное число главной передачи 4,312 Размер шин 195/60 R15 к.п.д. трансмиссии 0,92 Радиус качения колеса, м 0,308
Коэффициент обтекаемости, Н с2/м4 0,3
Лобовая площадь, м2 1,97 Коэффициент сопротивления качения 0,02
1. Определение тягово-скоростных свойств транспортного средства
1.1 Внешняя скоростная характеристика двигателя
Внешняя скоростная характеристика двигателя – это зависимость развиваемоймощности />в кВт и крутящего момента /> на коленчатом валудвигателя при полной подаче топлива от частоты оборотов коленчатого вала.
Мощность двигателя определяется по следующей формуле Лейдермана:
/>,кВт
где /> — максимальнаямощность двигателя, кВт;
/> — частота вращения коленчатого вала при />, рад/с;
/>-текущее значение частоты вращения, рад/с.
Крутящий момент на валуколенчатого вала двигателя определяем следующим образом
/>, Нм
Расчет проводится при помощи компьютера и приведен в распечатке.
По результатам расчета строим внешнюю скоростную характеристику.
1.2 Тяговая диаграмма транспортного средства
Тяговая диаграмма автомобиля – зависимость между силами тяги /> на ведущих колесахавтомобиля на передачах переднего хода от скорости его движения.
Расчет проводим по формуле
/>
где /> — КПДтрансмиссии (/>=0,92).
Расчеты по определению тягово-скоростных свойств автомобиляпроводились на ЭВМ по программе, разработанной на кафедре ОАП и ДД. Результатырасчета приведены в распечатке. Также в распечатке приводятся значениядинамического фактора и ускорения автомобиля для каждой передачи. Порезультатам расчета строим тяговую диаграмму.
Для построения на тяговой диаграмме автомобиля кривой суммарныхсил сопротивления необходимо определить силу сопротивления качению и силусопротивления воздуха.
Силу сопротивления качению определяем по формуле:
/>, Н
где f– коэффициент сопротивлениякачению (0,02);
G-весаавтомобиля, Н.
При скоростях движения более 55 км/ч коэффициентсопротивления качению определяют по формуле:
/>
Силу сопротивления воздуха определяем по формуле:
/>, Н
где Кв – коэффициент обтекаемости (0,3), Нс2/м4;
Fв – лобовая площадь автомобиля, м2;
/>,/>
где Ва – ширина автомобиля (1,710 м)
На – высота автомобиля (1,475 м).
Пример расчёта Pк и Pв для скорости 60 км/ч:
/>
/>=384,39(Н)
/>=164,2(Н)
Результаты расчётов сводим в таблицу.
Таблица 2. Силы сопротивления движениюV км/ч 10 20 30 40 50 60 70 м/с 2,78 5,56 8,33 11,11 13,89 16,67 19,44 Pк, кН 0,324 0,324 0,324 0,324 0,324 0,384 0,406 Pв, кН 0,005 0,018 0,041 0,073 0,114 0,164 0,223
Р/>, кН 0,329 0,342 0,365 0397 0,438 0,548 0,629 V км/ч 80 90 100 110 120 м/с 22,22 25 27,78 30,56 33,33 Pк, кН 0,606 0,431 0,460 0,491 0,526 Pв, кН 0,771 0,292 0,369 0,456 0,552
Р/>, кН 1,377 0,723 0,829 0,947 1,078 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
2. Расчет параметров торможения транспортного средства
Во время движения водитель постоянно изменяет скорость автомобиляв соответствии с изменением дорожной обстановки. Он постоянно должен быть готовв случае необходимости к экстренной остановке и для этого на автомобиле имеютсяспециальные системы, которые создают дополнительное сопротивление и называютсятормозными.
2.1 Определение остановочного времени транспортногосредства с полной нагрузкой и без нагрузки
Водитель, заметив,препятствие оценивает обстановку, принимает решение о торможении и переноситногу с педали подачи топлива на педаль тормоза. Время затрачиваемое на эти действияназывается временем реакции водителя и обычно находится в пределах 1,3–2,5секунд. Она зависит от опыта и квалификации водителя, его возраста, состоянияздоровья, степени усталости и т.п. Кроме того зависит от вероятности появления препятствия,т.е., чем более неожиданно препятствие появится тем больше время реакции. Далееводитель нажимает педаль тормоза: перемещаются детали главного тормозногоцилиндра, поршневого тормозного цилиндра, выбираются зазоры между тормозныминакладками, дисковыми или барабанными. Время затрачиваемое на это называетсявременем срабатывания или временем запаздывания тормозной системы. Оно зависитот конструкции тормозной системы и тех. состояния (для автомобилей сгидравлической тормозной системой tс=0,2–0,3 сек., для пневматической – 0,6–0,8 сек.).
Остановочное время автомобиля – это время, прошедшее от момента,когда водитель заметил препятствие, до полной остановки автомобиля.
Расчет проводим по следующей формуле
/>, с
где /> — время реакцииводителя (/>с);
/>-время срабатывания тормозного привода (для гидравлического тормозного привода tc= 0,2с);
/>-время нарастания тормозных сил, с;
/>-начальная скорость торможения (/>км/ч=11,11 м/с);
/>-ускорение свободного падения (/>/>);
/>-коэффициент продольного сцепления с дорогой колёс автомобиля (принимаем 0,6);
/>-коэффициент эффективности торможения.
Для автомобиля без нагрузки принимаем Кэ=1,1, снагрузкой – Кэ=1,15.
Время нарастания тормозных сил рассчитывается по формуле
/>, с;
где /> — вестранспортного средства с данной нагрузкой, Н;
b –расстояние от центра тяжести автомобиля до заднего моста, м;
/>-высота центра тяжести автомобиля от поверхности дороги, м;
/>-скорость нарастания тормозных сил на колесах переднего моста (К1=30 кН/с).
Расстояние от центра тяжести автомобиля до заднего моста вычисляемпо формуле
/>, м
где М1 – масса автомобиля, приходящаяся на переднююось, кг;
М – масса всего транспортного средства с данной нагрузкой, кг;
/>-колесная база (L=2,6 м).
Для загруженного автомобиля М=1655 кг; hц=0,62 м; М1=840 кг.
Тогда
/> (м)
/>(с)
/>(с)
Для порожнего автомобиля М=1140 кг; hц=0,51 м; М1=670 кг.
Следовательно
/>(м)
/>(с)
/>(с)
2.2 Определение остановочного пути транспортногосредства с полной нагрузкой и без нагрузки
Остановочный путь – расстояние, проходимое автомобилем от момента,когда водитель заметил препятствие до полной остановки.
Расчёт будем проводить по следующей формуле:
/>, м
Для автомобиля без нагрузки
/>м
Для автомобиля с нагрузкой
/>м.
2.3 Определение замедления транспортногосредства с полной нагрузкой на уклоне и на подъеме
При торможенииавтомобиля на уклоне или на подъеме сила инерции уравновешиваетсяалгебраической суммой тормозной силы и силы сопротивления подъему. При движениина подъем эти силы складываются, а на уклоне – вычитаются:
/>, Н
Отсюда замедление автомобиля на уклоне или подъеме:
/>, м/с2
где РТ – тормозная сила, Н;
РП – сила сопротивления подъему, Н;
М – масса автомобиля, кг.
Сила тяги и сила сопротивления подъему рассчитываются по следующимформулам:
/>, Н
/>, Н
где α – угол подъема (уклона) дороги, α=0,05 радиан;
G – вес автомобиля, кг;
ΦХ – коэффициент сцепления колес автомобиля споверхностью дороги.
Конечная формула для расчета замедления автомобиля на уклоне и подъемебудет иметь следующий вид:
/>, м/с2
При движении на подъем для загруженного автомобиля:
/>(м/с2)
При движении на подъем для порожнего автомобиля:
/>(м/с2)
При движении на уклоне для загруженного автомобиля:
/>(м/с2)
При движении на подъем для порожнего автомобиля:
/>(м/с2)
2.4 Расчёт показателей тормознойдинамики
Для построенияграфика показателей тормозной динамики необходимо определить путь и времяторможения, а также замедление автомобиля без нагрузки и с нагрузкой.
Расчёт проводим по следующим формулам:
/>, с
/>, м
/>, />
Пример расчёта для скорости 40 км/ч:
/>(с)
/>(с)
/>(с)
/>(с)
/>(/>)
/>(/>)
Расчёт проводим для автомобиля без нагрузки и с нагрузкой вдиапазоне скоростей 10/>90 км/ч сшагом 10 км/ч.
Основные результаты расчётов сводим в таблицу.
Таблица 3. Расчёт показателей тормозной динамикиСкорость Автомобиль с полной нагрузкой Автомобиль без нагрузки км/ч м/с
j, м/с2
SТ, м
tТ, с
j, м/с2
SТ, м
tТ, с 1 2 3 4 5 6 7 8 10 2,78 5,11 1,6 0,85 5,35 1,6 0,84 20 5,56 5,11 4,72 1,39 5,35 4,64 1,36 30 8,33 5,11 9,33 1,93 5,35 9,11 1,87 40 11,11 5,11 15,46 2,48 5,35 15,05 2,39 1 2 3 4 5 6 7 8 50 13,89 5,11 23,1 3,02 5,35 22,42 2,91 60 16,67 5,11 32,26 3,57 5,35 31,24 3,43 70 19,44 5,11 42,89 4,11 5,35 41,47 3,95 80 22,22 5,11 55,06 4,65 5,35 53,18 4,47 90 25,00 5,11 68,74 5,19 5,35 66,34 4,99
Тормозная диаграмма приведена в графической части курсовой работы.
3. Определение показателей устойчивостии управляемости транспортного средства
Устойчивость автомобиля – его свойства противостоять заносу иопрокидыванию. Это свойство непосредственно связано с безопасностью движения. Водитель,управляя неустойчивым автомобилем должен постоянно корректировать его движение.Длительно управляя таким автомобилем, водитель испытывает нервноеперенапряжение, быстро устает, что повышает вероятность ДТП. В зависимости отнаправления устойчивость различают поперечную и продольную.
Управляемость автомобиля – его свойства двигаться в направлении,заданном водителем. При плохой управляемости действительное направлениедвижения не совпадает с желаемым, и водитель вынужден прилагать дополнительные усилиядля нужного направления. Управляемость серьезно влияет на безопасностьдвижения, так как плохая управляемость может являться причиной столкновения,наезда на пешехода и выхода автомобиля за пределы проезжей части.
3.1 Определение критической скорости транспортногосредства по опрокидыванию
Расчет проводим по следующей формуле:
/>,м/с;
где B – передняя колея автомобиля, м;
R – радиусповорота, м.
Расчет проводим для порожнего автомобиля и гружёного автомобиляпри радиусе поворота R=50 м.
Без нагрузки />(м/с)
С нагрузкой />(м/с)
3.2 Определение критической скорости транспортногосредства по условиям заноса
Критическую скорость по заносу определим следующим образом:
/>,м/с
где /> — коэффициентпоперечного сцепления колес с поверхность дороги.
Принимаем радиус поворота R=150 м и />=0,6 и 0,2. Тогда
/>(м/с)
/>(м/с)
3.3 Определение времени, в течениекоторого центробежная сила увеличится до опасного придела
Данное время определим по следующей формуле:
/>, с
где /> — угловаяскорость поворота управляемых колес, рад/с;
Расчет проводим для />=0,1рад/с=0,016 с-1; V=60 км/ч=16,67 м/с;
/> и />.
При /> />(с)
При /> />(с)
3.4 Определение критического углакосогора по опрокидыванию транспортного средства
Критический угол косогора определяем по формуле:
/>, />.
Расчёты ведём для порожнего и гружёного автомобиля.
Для автомобиля без нагрузки: />.
Для автомобиля с нагрузкой: />.
3.5 Определение критического углакосогора по условию бокового скольжения
Критический угол косогора определим следующим образом:
/>,/>
Расчет будем проводить для различных значений />.
При/> />.
При/> />.
3.6 Определение критической скорости транспортногосредства по условиям управляемости
Критическую скорость автомобиля по условиям управляемостиопределим по формуле
/>,м/с;
где />-коэффициент сопротивления качению автомобиля;
/>-угол поворота управляемых колес.
Угол поворота управляемых колес определяем по формуле:
/>0
где R – радиус поворота (R=125 м).
Приняв />и />, получим
/>(м/с)
4. Определение динамического коридора транспортного средства
4.1 Определение динамического коридора при прямолинейном движении
Динамический коридоравтомобиля при прямолинейном движении рассчитывается по следующей эмпирическойформуле:
/>, м;
где /> — габаритнаяширина транспортного средства (/>=1,71 м).
Расчёт ведём для скоростей движения от 30 до 90 км/ч с шагом10 км/ч.
Для скорости 30 км/ч /> (м)
Таблица 4. ДинамическийкоридорСкорость автомобиля км/ч 30 40 50 60 70 80 90 м/с 8,33 11,11 13,88 16,67 19,44 22,22 25,00
Вк 2,46 2,61 2,76 2,91 3,06 3,21 3,36
4.2 Определение динамического коридора одиночного транспортногосредства на повороте
Расчет проводим по следующей формуле
/>, м
где С – передний свес автомобиля (с=0,830 м);
/>-наружный габаритный радиус поворота автомобиля, м.
Расчёт ведём для />=50 м.
/>(м)
4.3 Определение динамического коридора транспортногосредства с прицепом на повороте
Динамический коридорв этом случае определяется по формуле:
/>, м
где СК– смещение середины задней оси прицепа относительно середины задней оситягача.
Расчёты проводим для />=50 м,а СК = 0,7/>1 м.
/>(м)
5. Определение расстояния допрепятствия, на протяжении которого водитель сможет совершить маневр отворота
/>
Рис. 1 Схема маневрирования автомобиля.
Как видно из схемы расстояние до препятствия
/>;
/>.
Далее
/>;
/>;
/> или/>
Отсюда получаем
/>
Окончательно формула примет вид
/>, м
где /> — время реакцииводителя (/>с);
/>-время срабатывания рулевого привода (/>с);
/>-время вывода автомобиля на траекторию постоянного радиуса />
В свою очередь
/>, с
/>
/>.
Подставляя />м; />6 м, />60 км/ч=16,67 м/с;/> рад/с, /> =0,5 м получим:
/>(м)
/>(м)
/>
/>(с)
/>(м)
Наконец искомое расстояние
/>(м)
6. Определениепути и времени обгона с ускорением
Расчет поводим на высшей передаче. Для этого воспользуемсяданными, приведенными в распечатке.
Воспользуемся следующими формулами.
Время, необходимое для разгона автомобиля от скорости /> до скорости/>
/>, с
/>, />
Расстояние, проходимое транспортным средством при разгоне отскорости /> до скорости/>
/>, м
/>,м/с
Суммарное время и расстояние разгона определяются по следующимформулам
/>, с;
/>, м.
В расчётах принимаем,что скорость обгоняемого автомобиля равна 40 км/ч, а габаритная длинаобгоняемого и обгоняющего автомобиля равны.
Таблица 5. Параметры разгонатранспортного средства
/>
/>
м/с
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
с
/>
с
/>
м
/>
м /> км/ч м/с /> 24,768 6,88 3,44 0,65071 5,23 5,23 44,98 44,98 /> 8,6 0,65728 /> 37,152 10,32 3,44 0,66385 5,18 10,41 62,37 107,35 /> 12,04 0,66346 /> 49,535 13,76 3,44 0,66307 5,25 15,66 81,27 188,62 /> 15,48 0,65572 /> 61,919 17,20 3,44 0,64837 5,43 21,09 102,73 291,35 /> 18,92 0,63407 /> 74,303 20,64 3,44 0,61977 5,75 26,84 128,57 419,92 /> 22,36 0,598505 /> 86,687 24,08 3,44 0,57724 6,27 33,11 161,77 581,69 /> 25,8 0,549025 /> 99,071 27,52 3,44 0,52081 7,08 40,19 207,02 788,71 /> 29,24 0,485635 /> 111,455 30,96 3,44 0,45046 8,42 48,61 275,17 1063,88 /> 32,68 0,40833 /> 123,839 34,40 3,44 0,36620 10,85 59,46 391,9 1455,78 /> 36,12 0,317115 /> 136,223 37,84 3,44 0,26803 16,23 75,69 642,06 2097,84 /> 39,56 0,211985 /> 148,606 41,28 3,44 0,15594 37,01 112,7 1591,43 3689,27 /> 43 0,09294 /> 160,990 44,72 3,44 0,02994 - - - - /> 46,44 - /> 173,374 48,16 3,44 -0,10998 - - - - /> 49,88 - /> 185,750 51,60 3,44 -0,26381 - - - - /> 53,32 - /> 198,142 55,04 3,44 -0,43155 - - - - /> />
По результатам расчета строим график пути времени разгона, играфик пути времени обгона.
При построении графика пути времени обгона принимаем
/>4,18 м
/>(м)
/>(м)
где />-эмпирические коэффициенты, зависящие от типа автомобиля.
/>(м)
/>(м)
7 Определение параметров регулирования фар ближнего света
7.1 Определение дальности видимости всвете фар ближнего света
/>
Рис. 3 Схема параметров регулирования фар ближнего света
В соответствии с рис. 3 из подобия прямоугольныхтреугольников получим:
/>
Отсюда следует, что дальность видимости в свете фар ближнего светаравна
/>, м
где /> — расстояние отфар до экрана (/>м);
/>-высота центра фар над уровнем дороги (/>м);
/>-смещение светового пучка (/>м).
Подставляя известные значения, получаем
/>(м)
7.2 Определение максимальной скорости автомобиля по условиям видимости пешехода
Расстояние видимости пешеходов в свете фар ближнего светаопределим из соотношения
/>, м
где /> — минимальнаявысота от поверхности дороги, на которой различим пешеход (/>м).
Тогда
/>м
Условие, при котором не будет наезда на пешехода
/>
Остановочный путь рассчитываем по формуле
/>
Расчет проводим для автомобиля с полной нагрузкой при />=0,6.
/>;
/>;
с=Sвп=71,72 м
С учетом принятых обозначений получаем />.
Решив полученное уравнение второго порядка относительно V, определим максимальную скоростьтранспортного средства по условия видимости пешехода:
/>
7.3 Определение возможности ослепления светомфар водителя встречного автомобиля
/>
Рис. 4 Схема изменения положения продольной оси автомобиля
Так как при нагружении автомобиля его продольная осьповорачивается на некоторый угол />(рис. 4),то существует вероятность ослепления водителя встречного автомобиля. Даннуювероятность определим из условия отсутствия ослепления водителя встречногоавтомобиля
/>,
где /> — уголрасхождения светового пучка фар.
Угол />определимследующим образом:
/>,/>;
где /> — соответственнопрогиб передней и задней подвесок при нагружении автомобиля, м.
В свою очередь
/>(м)
/>(м)
где /> — соответственновес, приходящийся на переднюю и заднюю ось автомобиля при полной нагрузке, Н;
/>-соответственно вес, приходящийся на переднюю и заднюю ось автомобиля безнагрузки, Н;
/>-соответственно жесткость передней и задней подвесок, Н/м.
Тогда
/>
Угол расхождения светового пучка фар />складываетсяиз двух углов
/>.
Из подобия прямоугольных треугольников находим
/>
/>
где H – высота глаз водителя над поверхностью дороги (Н=1,25 м),м;
/> — расстояние от фар автомобиля до глаз водителя встречногоавтомобиля (/>=50 м), м.
Тогда
i=0,4+0,63=1,030
Так как условие /> выполняется,то ослепление светом фар ближнего света автомобиля при полной нагрузке водителявстречного автомобиля не произойдет.
Заключение
При выполнении курсовой работы определили некоторые из параметровконструктивной безопасности легкового автомобиля Toyota Corolla. Рассчитали основныеэксплуатационные свойства, такие как динамика автомобиля, управляемость,устойчивость, маневренность автомобиля. Получены графические зависимости (внешняяскоростная характеристика двигателя, тяговая диаграмма автомобиля, тормозныехарактеристики, время и путь разгона и обгона). Рассмотрели основы определенияпараметров регулирования фар ближнего света.
Литература
1. Афанасьев Л.Л. и др.» Конструкционная безопасность автомобилей», Москва,Машиностроение, 1983 г.
2. Боровский Б.Е. «Безопасность движения автомобильного транспорта»,Ленинград, Лениздат, 1984 г.
3. Краткий автомобильный справочник НИИАТ, М: Транспорт, 1979 (1985).