Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра менеджмент на автомобильном транспорте
Проектировочный расчет автомобиля ВАЗ-2108
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине
Автомобили
1.0011.00.00 ПЗ
Выполнил студент группы
шифр подпись И.О. Фамилия
Нормоконтроллёр _______________
Иркутск 2006 г.
Задание на проектирование
Прототип автомобиля: ВАЗ-2108
Максимальная скорость на прямой передаче на горизонтальном участке пути: Vmax=150 км/ч =42 м/с.
Максимальный коэффициент сопротивления дороги: ymax=0,35
Номинальная грузоподъёмность: mН=425 кг.
База автомобиля: L=2460 мм.
Вид топлива: бензин.
Удельный эффективный расход топлива: ge=308 г/кВт*ч.
Частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности: nN=5400 мин-1.
Содержание
Введение
1. Определение полной массы автомобиля
2. Подбор размера шин и расчет радиуса качения
3. Расчет внешней характеристики двигателя
3.1 Частота вращения коленчатого вала двигателя
3.2 Максимальная мощность двигателя
3.3 Построение внешней характеристики двигателя
3.4 Вращающий момент двигателя
4. Выбор передаточных чисел
4.1 Определение передаточного числа главной передачи
4.2 Подбор передаточных чисел коробки передач
4.3 Определение числа передач и передаточных чисел коробки передач
5. Построение тяговой характеристики автомобиля
6. Определение основных показателей динамики автомобиля с механической трансмиссией
6.1 Динамический фактор
6.2 Ускорение автомобиля
6.3 Время разгона
7. Построение графика мощностного баланса
8. Построение экономической характеристики автомобиля
Заключение
Список литературы
Введение
Целью курсовой работы является определение основных параметров двигателя, трансмиссии и компоновки автомобиля. А так же закрепление знаний по лабораторным работам по курсу «Автомобили».
Делая оценку тягово-скоростных свойств автомобиля, определяется конструктивные параметры, которые могут обеспечить заданные значения скоростей и ускорений в заданных дорожных условиях движения, а также нахождение предельных дорожных условий, т.е. выполню проектировочный тяговый расчёт.
Для проектирования нового автомобиля, за основу, т.е. за прототип, я взял легковой автомобиль-седан ВАЗ-2108. Я сделал свой выбор на этом автомобиле, потому что ВАЗ-2108 и вообще всё семейство автомобилей ВАЗ является одним из лидеров в Отечественном автомобилестроении. Автомобили ВАЗ-2108 и его модификации пользовались огромной популярностью у потребителя Отечественного автомобиля для семьи и работы.
1. Определение полной массы автомобиля
Полную массу ma автомобиля определяют как сумму масс снаряженного автомобиля mб и груза mн по номинальной грузоподъемности и число мест пассажиров, включая водителя.
Снаряженная масса определяется по формуле:
/>, (1)
где ηб — коэффициент снаряженной массы, зависящий от номинальной грузоподъемности. У легковых автомобилей ηб=0,2-0,6
mб= 400/0,4 = 1000 кг
Полная масса легкового автомобиля определяется следующим образом из выражения:
ma= mб +80*z (2)
где z — число мест в салоне, включая водителя.
ma=1000+80*5=14000 кг
Полный вес автотранспортного средства определяется по формуле:
Gа=mа*10, (3)
Gа=1400*10=14000 H.
2. Подбор размера шин и расчет радиуса качения
Для подбора шин и определения по их размерам радиуса качения колеса необходимо знать распределение нагрузки по мостам.
У легковых автомобилей распределение нагрузки от полной массы по мостам зависит в основном от компоновки. При классической компоновке на задний мост приходится 52…55% нагрузки от полной массы, для переднеприводных автомобилей 48%.
Радиус качения колеса rк выбирается в зависимости от нагрузки на одно колесо. Наибольшая нагрузка на колесо определяется положением центра масс автомобиля, которое устанавливается по предварительному эскизу или прототипу автомобиля.
G2=Ga*48%=14000*48%=6720Н
G1=Ga*52%=14000*52%=7280Н
Следовательно, нагрузку на каждое колесо передней и задней оси автомобиля соответственно можно определить по формулам:
Р1=G1/2, (4)
Р2=G2/8. (5)
P1=7280/2=3360Н
P2=6720/2=3640Н
Расстояние от передней оси до центра масс найдем по формуле:
a=G2*L/Ga (6)
L-база автомобиля, мм.
a= (6720*2,46) /14000=1,18м.
Расстояние от центра масс до задней оси:
в=L-a (7)
в=2,46-1,18=1,27м
Тип шин (по таблице ГОСТов) — 165-13/6,45-13. По этим размерам можно определить радиус колеса, находящегося в свободном состоянии:
rc=d/2+b (8)
Где b-ширина профиля шины (165 мм)
d — диаметр обода шины (13 дюймов)
1дюйм=25,4мм
rc=13*25,4/2+165=330 мм
Радиус качения колеса rk определяется с учетом деформации, зависящей от нагрузки:
rk=0.5*d+ (1-k) *b (9)
где k — коэффициент радиальной деформации. Для стандартных и широкопрофильных шин k принимают 0,3
rk=0,5*330+ (1-0,3) *165=280мм=0,28м
3. Расчет внешней характеристики двигателя
Расчет начинается с определения мощности Nev, необходимой для обеспечения движения с заданной максимальной скоростью Vmax.
При установившемся движении автомобиля мощность двигателя в зависимости от дорожных условий может быть выражена следующей формулой (кВт):
Nev=Vmax* (Ga*ψv+Kв*F*V²max) / (1000*ηт*Kp), (10)
где ψv — коэффициент суммарного дорожного сопротивления для легковых автомобилей определяется по формуле:
ψv=0,01+5*10-6*V²max (11)
ψv=0,01+5*10-6*1764=0,018
Kв — коэффициент обтекаемости, Кв=0,3 Н*с²*м-4
F — лобовая площадь автомобиля, м²
ηт — КПД трансмиссии=0,95
Кр — коэффициент коррекции=0,8
При рекомендуемых температурах масла в агрегатах механической трансмиссии ηт =0,8…0,95. Коэффициент коррекции в данном случае рекомендуется применять Kp=0,6…0,8.
Лобовую площадь для легкового автомобиля находим из формулы:
Fa=0,8*В*Нг (12)
где В — габаритная ширина В=1650 мм
Нг — габаритная высота Нг= 1402 мм
Fa=0,8*1,65*1,4=1,848 м²
Nev=42* (14000*0,018+0,3*1,848*42²) / (1000*0,95*0,8) =68,6 кВт
3.1 Частота вращения коленчатого вала двигателя
Частота вращения коленчатого вала двигателя nv, соответствующая максимальной скорости автомобиля, определяется из уравнения мин-1:
nv= Vmax*ηn (13)
где ηn — коэффициент оборотистости двигателя.
У существующих легковых автомобилей коэффициент оборотистости двигателя ηn лежит в приделах 30…35.
nv=150*35= 5250 мин-1
3.2 Максимальная мощность двигателя
Максимальную мощность двигателя найдем из формулы:
Nmax=Nev/ (a*nv/nN+b* (nv/nN) ²-c*(nv/nN) ³) (14)--PAGE_BREAK--
где nv/nN-отношение частоты вращения коленчатого вала двигателя при максимальной скорости движения автомобиля к частоте вращения при максимальной мощности двигателя;
a, b, c — коэффициенты, постоянные для каждого двигателя.
В случае прощеного расчета можно применять для бензиновых двигателей a=b=c=1.
Для построения внешней характеристики при известной мощности Nmax и выбранных коэффициентах a, b, c, принимаем частоту вращения коленчатого вала при максимальной мощности от 5250 мин-1
Nmax=68,6/ (1*5250/5400+1* (5250/5400) ²+1* (5250/5400) ³) =68,7 кВт
3.3 Построение внешней характеристики двигателя
Внешнюю характеристику двигателя с достаточной для практических расчетов можно определить по формуле Лейдермана (кВт):
Nе = Nмах * [a * /> + b * (/>) 2 — c * (/>) 3],
где nТ — текущее значение частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Текущее значение частоты вращения коленчатого вала двигателя выбирают произвольно через определенный интервал (например, 500, 1500, 2500 и т.д.), но так, чтобы полученных точек характеристики было не меньше семи.
Ne1=68,7* (1*500/5400+1 (500/5400) ²-1* (500/5400) ³) =6,9 кВт
Ne3=68,7* (1*1500/5400+1* (1500/5400) ²-1* (1500/5400) ³) =22,94 кВт
Аналогично проводим расчет для следующих значений nТ и результаты расчетов сводим в Таблицу 1.
3.4 Вращающий момент двигателя
Определим вращающий момент двигателя по формуле:
Mв=30*Ne/ (nT*π) (16)
Mв1=30*6,9*1000/ (500*3,14) =131,93 кН*м
Мв3=30*22.94/ (1500*3,14) =146,12 кН*м
Аналогично проводим расчет для следующих значений nТ и результаты расчетов сводим в Таблицу 1.
Таблица 1 — Внешняя характеристика двигателя
Параметры двигателя
Скоростной режим двигателя
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Ne, кВт
6,90
14,66
22,94
31,42
39,76
47,65
54,75
60,74
65,28
68,06
Me, кН*м
131,93
140,07
146,12
150,09
151,96
151,76
149,46
145,08
138,61
130,05
По полученным данным таблицы 1 строится внешняя скоростная характеристика рисунок 1.
/>
Рисунок 1 — Внешняя скоростная характеристика двигателя
4. Выбор передаточных чисел
4.1 Определение передаточного числа главной передачи
Передаточное число главной передачи из условий обеспечения Vmax на высшей передаче
Uг=0,105*rк*nv/ (Uдк*Vmax*Uкв) (17)
где Uкв — передаточное число высшей передачи дополнительной коробки: Uдк=1…1.44 (Uдк=1, при ее отсутствии). Uкв — высшее расчетное передаточное число коробки передач: Uкв=1
Uг=0,105*0,28*5250/ (42*1,2*1) =3,06
4.2 Подбор передаточных чисел коробки передач
Передаточное число первой передачи Uк1 находим из условия преодоления автомобилем максимального сопротивления дороги ψmax
Uk1=Ga* ψmax*rg/ (Mвmax*Uдк*Uг*ηT*Kp) (18)
Здесь и далее условно можно считать rg=rk
Uk1=14000*0,35*0,28/ (149,6*1,2*3,06*0,95*0,8) =3.28
Полученное Uk1 нужно проверить по условию отсутствия буксования. Буксования не будет, если выполняется неравенство (для заднеприводных автомобилей)
/> (19)
где: jх — суммарный коэффициент сопротивления дороги.
3.28≤ (7280*0,7*0,28) / (151*3,06*1,2*0,95*0,8) *1,049=3.55
Т.к. 3.28≤3.55, то условие выполняется.
Проверку ведут на сухом шоссе, находящемся в хорошем состоянии, при φх=0,6…0,8. Выбор центра масс hg и база автомобиля L ими задаются в соответствии с эскизным проектом или по прототипу.
4.3 Определение числа передач и передаточных чисел коробки передач
Число ступеней зависит от типа, удельной мощности и предназначения автомобиля. Общее число ступеней зависит от диапазона передаточных чисел трансмиссии. Определение структуры ряда передач производится с использованием геометрической прогрессии по формуле:
/>, (20)
где n — число передач в коробке передач, включая прямую (без учета ускоряющей).
/>
Передаточные числа последующих передач находятся из выражений:
Uk2=Uk1*q=3,28*0,6=1.97
Uk3=Uk1*q²=3,28*0,6²=1,18
Uk4=Uk1*q³=3,28*0,6³=0,71 продолжение
--PAGE_BREAK--
Для отечественных автомобилей q лежит в пределах 0,5…0,7
5. Построение тяговой характеристики автомобиля
Тяговое усилие определяется из выражения:
PT=Mв*Uг*Uki*kр*ηт/rk (21)
I Pт1= (129*3,06*3,28*1,2*0,95*0,8) /0,28=4217H
II Pт1= (129*1,97*3,06*1,2*0,95*0,8) /0,28=2532H
Аналогично проводим расчет для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчетов сводим в таблицу 2.
Таблица 2— Тяговая характеристика автомобиля
Передача
Параметр
Частота вращения коленвала
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
I
Pт, Н
4217
4511
4708
4838
4871
4891
4819
4675
4479
4201
Va, м/с
1,22
2,44
3,66
4,88
6,10
7,32
8,54
9,76
10,98
12,21
II
Pт, Н
2533
2710
2827
2906
2926
2937
2894
2808
2690
2523
Va, м/с
2,03
4,06
6,10
8,13
10,16
12, 19
14,22
16,26
18,29
20,32
III
Pт, Н
1520
1626
1697
1744
1755
1763
1737
1685
1614
1514
Va, м/с
3,39
6,77
10,16
13,55
16,93
20,32
23,71
27,09
30,48
33,87
IV
Pт, Н
912
976
1018
1046
1053
1058
1042
1011
968
908
Va, м/с
5,64
11,29
16,93
22,58
28,22
33,87
39,51
45,15
50,80
56,44
Скорость движения автомобиля на данной передаче при данной частоте вращения коленвала двигателя nт вычисляется по формуле (м/с):
Va=0,105*rk*nт/Uг*Uдк*Uki(22) продолжение
--PAGE_BREAK--
Результаты расчетов сводим в таблицу 2.
I Va1=0,105* (0,28*500) / (3,28*3,06*1,2) =1,22
II Va1=0,105* (0,28*500) / (1,97*3,06*1,2) =2,03
Аналогично проводим расчёт для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчётов сводим в таблицу 2.
На основании таблицы строится тяговая характеристика автомобиля Pт=f (Va) для каждой передачи рисунок 2.
/>
Рисунок 2 — Тяговая характеристика автомобиля
Тяговое усилие, подводимое к ведущим колесам автомобиля, расходуется на преодоление сопротивлений качению, воздуха, подъему, инерции.
Сопротивление воздуха определяется соотношением (Н):
Рв=Кв*F*Va² (23)
Результаты расчетов сводим в таблицу 3
I Рв=0.3*1.848*1.22²=0.82 H
II Рв=0.3*1.848*2.03²=2.28 Н
Аналогично проводим расчёт для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя, и результаты расчётов сводим в таблицу 3.
Таблица 3 — Сила сопротивления воздуха
Передача
Параметр
Частота вращения коленвала
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
I
Va, м/с
1,221
2,441
3,662
4,882
6,103
7,323
8,544
Pв, Н
0,826
3,303
7,433
13,21
20,65
29,73
40,47
Pвс, Н
4216
4508
4700
4825
4850
4861
4778
II
Va, м/с
2,032
4,064
6,096
8,128
10,16
12, 19
14,22
Pв, Н
2,2894
9,1576
20,605
36,63
57,235
82,418
112,18
Pвс, Н
2531
2700
2807
2869
2868
2855
2782
III
Va, м/с
3,3
6,7
10,1
13,5
16,9
20,3
23,7
Pв, Н
6,037
24,89
56,55
101
158,3
228,5
311,4
Pвс, Н
1514
1601
1640
1643
1597
1534
1425
IV
Va, м/с
5,6
11,2
16,9
22,5
28,2
33,8
39,5
Pв, Н
17,39
69,54
158,3 продолжение
--PAGE_BREAK--
280,7
440,9
633,4
865
Pвс, Н
895
906
860
766
612
424
177
Определим свободную силу тяги автомобиля:
Рсв=Рт-Рв (24)
I Рсв=4217-0.82=4216 Н
II Рсв=2533-2.28=2531 Н
Аналогично проводим расчет Рт, Va, Рв, Рсв для каждой из передач для следующих значений оборотов коленвала двигателя и результаты расчетов сводим в таблицу 3. На основании таблицы строится тяговая характеристика автомобиля Pсв=f (Va) для каждой передачи рисунок 3.
/>
Рисунок 3 — Тяговая характеристика автомобиля
6. Определение основных показателей динамики автомобиля с механической трансмиссией
6.1 Динамический фактор
Универсальным измерителем динамических качеств автомобиля служит динамический фактор, представляющий отношение свободной тяговой силы к силе тяжести автомобиля, который находится по формуле:
D=Pсв/Ga (25)
Производим расчет динамического фактора при движении автомобиля с 500 до 6000 мин-1 оборотов коленчатого вала на первой передаче.
I D1=6592/17701,25= 0,37
II D1=4217,7/17701,25=0,24
Графическую зависимость динамического фактора от скорости на всех передачах называют динамической характеристикой автомобиля. Значения динамического фактора для различных передач заносят в таблицу 4
Таблица 4 — Динамический фактор
Передача
Параметр
Частота вращения коленвала двигателя, мин-1
500
1500
2500
3500
4500
5500
I
Va, м/с
1,2
3,6
6,1
8,5
11
13,4
D
,37
,41
,42
,4
,35
,26
II
Va, м/с
1,9
5,7
9,5
13,3
17,1
21
D
,24
,26
,27
,25
,21
,16
III
Va, м/с
2,9
8,9
14,9
20,9
26,7
32,7
D
,15
,16
,16
,15
,12
,07
IV
Va, м/с
4,7
14
23,4
32,7
42
51,4
D
,096
,1
,09
,06
,03
— ,02
На основании таблицы 4 строится динамическая характеристика автомобиля D=f (Va) для каждой передачи рисунок 4.
6.2 Ускорение автомобиля
Ускорение на горизонтальной дороге определяется из выражения (м/с2)
ja= (D-ψ) *g/δ, (26)
где ψ — коэффициент сопротивления дороги ψ=0,015;
δ — коэффициент учета вращающихся масс. продолжение
--PAGE_BREAK--
Определим коэффициент учета вращающихся масс по формуле:
δ= δ1+1+ δ2*Uk², (27)
где Uk — передаточное число коробки передач; δ1=0,05; δ2=0,07.
Найдем коэффициент учета вращающихся масс на каждой передаче:
I δ=0.05+1+0.07*3,8²=2,06
II δ=0.05+1+0.07*2,432²=1,465
Найдем ускорение при движении автомобиля на горизонтальной дороге с 500 до 5500 мин-1 оборотов коленчатого вала на каждой передаче:
I ja1= (0,37-0,015) *9,8/2,06=1,736
II ja1= (0,24-0,015) *9,8/1,465=1,505
Данные расчета сводим в таблицу 5, в которую также заносим значения величин обратных ускорению 1/ja
Таблица 5 — Ускорение автомобиля
Передача
Параметр
Частота вращения коленвала двигателя, мин-1
500
1500
2500
3500
4500
5500
I
Va, м/с
1,2
3,6
6,1
8,5
11
13,4
ja м/с
1,736
1,88
1,927
1,831
1,6
1,16
1/ja с2/м
0,6
0,53
0,52
0,55
0,625
0,86
II
Va, м/с
1,9
5,7
9,5
13,3
17,1
21
ja м/с
1,505
1,64
1,706
1,57
1,304
0,97
1/ja с2/м
0,66
0,61
0,59
0,64
0,77
1,03
III
Va, м/с
2,9
8,9
14,9
20,9
26,7
32,7
ja м/с
1,085
1,165
1,165
1,085
0,84
0,44
1/ja с2/м
0,92
0,86
0,86
0,92
1,2
2,3
IV
Va, м/с
4,7
14
23,4
32,7
42
51,4
ja м/с
0,67
0,7
0,62
0,37
0,12
0,04
1/ja с2/м
1,5
1,43 продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
69,4
113,3
202,8
y=0,025
33,5
37,15
50,5
75,4
119,9
211,65
КИ
y=0,015
1,24
1,15
0,963
0,804
1,074
4,85
y=0,02
1,31
1,065
0,905
0,8
1,185
4,26
y=0,025
1,03
0,988
0,86
0,808
1,307
4,734
n/nN
0,106
0,32
0,53
0,745
0,96
1,17
Kr
1,15
1,05
0,98
0,96
1,03
1,25
QS, л/100 км.
y=0,015
1,53
1,89
2,4
2,935
5,63
35,64
y=0,02
1,83
2,14
2,6
3,2
6,6
32,73
y=0,025
2,07
2,36
2,75
3,5
7,73
38
Для каждого значения оборотов коленчатого вала находим коэффициент корректировки расхода топлива Кr по графику Кr=f (nT/nN). Его значения сводим в таблицу 10.
Принимается согласно [2; стр.90]. Его значения сводим в таблицу 10.
Определим коэффициент использования мощности двигателя по формуле:
/>, (37)
где А, В, С — коэффициенты А=1,7; В=2,63; С=1,92.
Определим коэффициент использования мощности двигателя на четвёртой передачи:
КИ500=1,7-2,63*0, 2054+1,92*0, 20542=1,24;
КИ1500=1,7-2,63*25,56+1,92*25,562=1,15.
Аналогично проводим расчёт для следующих значений оборотов коленвала двигателя и для различных коэффициентов y=0,015; y=0,025, и результаты расчётов сводим в таблицу 10.
Определим расход топлива на 100 км по формуле (л/100 км):
/>, (38)
где qN — удельный расход топлива (г/кВт*ч); rТ — плотность топлива rТ=750 г/л. Удельный расход топлива определяется из формулы:
/>. (39)
где qemin=250 г/кВт*ч.
qN=1,1*250=275 г/кВт*ч.
Аналогично находим значения QS для всех значений частоты вращения и для различных коэффициентов y=0,015; y=0,025 и результаты заносим в таблицу 10, по которой строим график экономической характеристики автомобиля — рисунок 10, а также определяем средний расход топлива на прямой передаче в л/100 км.
При nT=500 мин-1 и nT=1500 мин-1:
QS500=275*1,12*1,24* (1,25+0,066) / (36*16,92*0,75*0,9*0,8) =1,53 л/100 км.
QS1500=275*1,07*1,15* (3,72+1,75) / (36*50,4*0,75*0,9*0,8) =1,89 л/100 км.
Заключение
В результате проектирования нового автомобиля был конструктивно рассчитан автомобиль ГАЗ-31029.
Были определены все основные технические показатели автомобиля и подобраны шины (по ГОСТ).
Если сравнить полученные значения с прототипом, можно сделать вывод, что они практически совпадают
Список литературы
Глазунов А.В. Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальности 150200-«Автомобили и автомобильное хозяйство». — Иркутск: 2003. — Ч.1.24с.
Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплутационных свойств. — М.: Машиностроение, 1989. — 240 с.
Главный конструктор АО “ГАЗ”Ю.В. Кудрявцев. Автомобили"Волга" ГАЗ-31029. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. Издательство “За рулём", 1997. — 184с.