Теория трактора и автомобиля

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ПЕРМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Д.Н. ПРЯНИШНИКОВА

Кафедра «Тракторы и автомобили»

Теория трактора и автомобиля

Методические указания к курсовой работе

Пермь – 2009

Методические указания к курсовой работе по теории трактора и автомобиля подготовлены доцентом Третьяковым В.И. Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета ПГСХА (протокол № 2 от 22 октября 2008 года).

Предназначены для студентов очного и заочного обучения по специальностям 110301 – «Механизация сельского хозяйства» и 110304 – «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК»

Введение

Задачей курсовой работы является систематизация и закрепление знаний студентов по основным вопросам теории трактора и автомобиля, имеющим для инженера-механика сельскохозяйственного производства первостепенное значение.

В соответствие с этим предусматривается выполнение следующих разделов.

1. Тяговый расчет трактора:

определение эксплуатационного веса (массы) трактора;

определение номинальной мощности двигателя трактора;

расчет и построение регуляторной характеристики дизельного двигателя;

определение передаточных чисел трансмиссии;

расчет и построение теоретической тяговой характеристики трактора.

  1.  Тяговый расчет автомобиля:

определение собственной и полной массы (веса) автомобиля;

расчет номинальной мощности двигателя автомобиля;

расчет и построение теоретической скоростной (внешней) характеристики карбюраторного двигателя автомобиля;

расчет передаточных чисел трансмиссии автомобиля;

расчет и построение универсальной динамической характеристики автомобиля;

расчет и построение экономической характеристики автомобиля.

Все полученные расчетные характеристики анализируются в соответствии с методическими указаниями.

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графиков.

Расчетно-пояснительная записка должна быть написана ручкой и содержать ответы на вопросы, поставленные в задании; в ней приводятся формулы, используемые в каждом разделе задания, обосновываются выбранные для расчетов коэффициенты. Черновые вычисления в записке не приводятся; данные расчетов сводятся в таблицы, приведенные в методических указаниях.

Графики рекомендуется вычерчивать карандашом на миллиметровой бумаге следующих форматов: теоретическая тяговая характеристика трактора - А1; скоростные характеристики двигателей, динамическая и экономическая характеристики автомобиля - А4.

На графиках должны быть проставлены масштабные шкалы с указанием соответствующих параметров и их размерностей. Масштабы должны быть приняты из рекомендуемого ряда масштабов.

На графических листах должны быть заполнены основные надписи в соответствии с ЕСКД.

Необходимые для расчетов трактора и автомобиля коэффициенты должны приниматься обоснованно, с соответствующими пояснениями и ссылками на литературу. Список использованной литературы приводится в конце пояснительной записки.

Основными рекомендуемыми учебными пособиями для выполнения курсовой работы являются:

  1.  Скотников В.А., Мащенский А.А., Солонский А.С. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. - М.: Агропромиздат, 1986.
  2.  Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля. – М.: Колос, 1996.
  3.  Кутьков Г.М. Тракторы и автомобили. Теория и технологические свойства. – М.: Колос, 2004.
  4.  Гуськов В.В., Велев Н.Н., Атаманов Ю.Е. Тракторы: Теория. - М. Машиностроение, 1988.
  5.  Ревуцкий Л.Д. Справочник по эксплуатации и ремонту шин в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1979.

Тяговый расчет трактора

Основными параметрами трактора, от которых зависят его тяговые показатели, являются: вес (сила тяжести), передаточные числа трансмиссии (скорости движения) и мощность двигателя. Эти параметры определяют при тяговом расчете трактора.

  1.  Определение тягового диапазона

Трактор должен быть рассчитан на выполнение всех работ, соответствующих его тяговому классу, и некоторой части работ, относящихся к тяговой зоне соседнего с ним предыдущего класса. Для определения минимальной силы тяги  на высшей рабочей передаче (основного ряда передач) необходимо знать тяговый диапазон трактора , который можно определить по формуле

                                         ,                                    (1)

где  - номинальная сила тяги трактора предыдущего тягового класса;

- коэффициент расширения тяговой зоны, учитывающий степень перекрытия смежных тяговых зон.

Для тракторов тяговых классов до 30 кН можно принять =1,25...1,30; для тракторов с =40 кН и выше = до 1,5.

Для тракторов тягового класса =6 кН тяговый диапазон =2.

Зная тяговый диапазон и номинальную силу тяги, определяют минимальную силу тяги

                                        ,кН.                                          (2)

  1.  Определение эксплуатационного веса трактора

Следует различать конструктивный (сухой) вес  и эксплуатационный (полный) вес . Под конструктивным весом понимается вес трактора в незаправленном состоянии без тракториста, дополнительного оборудования и балласта. Эксплуатационный вес, т.е. вес трактора в работе всегда больше конструктивного веса. Для большинства тракторов .

Эксплуатационный вес колесных тракторов часто специально увеличивают, чтобы улучшить их тягово-сцепные качества. Максимальное значение  эксплуатационного веса должно быть выбрано таким образом, чтобы при работе трактора в соответствующих условиях с установленной на него по типажу номинальной силой тяги на крюке буксование движителей не превышало допустимых в этом случае пределов .

                                        ,                                       (3)

где  - значение коэффициента использования сцепного веса, которого можно достичь в данных почвенных условиях при допускаемом буксовании ведущих колес;

и  - коэффициенты нагрузки ведущих колес и сопротивления качению, соответствующие принятым условиям работы.

Для тракторов с задними ведущими колесами 42 принимают =0,75...0.80; для тракторов со всеми ведущими колесами 44 =1.

Для тракторов с пневматическими шинами расчетные значения коэффициента использования сцепного веса =0,50...0,65 в зависимости от конструкции и размеров шин ведущих колес.

Иногда балласт, требуемый для повышения эксплуатационного веса до значения , полностью используют непосредственно для догрузки ведущих колес трактора, например при навешивании на колеса дополнительных грузов или заливке воды в шины. Тогда вес балласта равен

                                       .                                       (4)

Для определения минимального эксплуатационного веса  в формуле (3) значения  и  принимаются в соответствии с заданным агрофоном (табл. 1).

Для гусеничных тракторов, вес которых полностью используется в качестве сцепного =1. В процессе расчетов по формуле (3) для гусеничных тракторов можно принимать =0,60...0,65. Так как для преодоления внутренних сопротивлений в гусеничном движителе сцепления с почвой не требуется, то коэффициент  может быть принят равным

(табл.5),

т.е. учитываются только внешние сопротивления качению.

  1.  Расчет буксования в зависимости от нагрузки на крюке трактора

Характер кривой буксования зависит от физико-механических свойств агрофона и конструктивных параметров трактора. Величина коэффициента буксования  для ориентировочных расчетов при курсовом проектировании может быть определена с помощью вспомогательных графиков, представленных на рис.1(а, б).

У гусеничных и колесных тракторов со всеми ведущими колесами весь вес является сцепным. Зная сцепной вес и задаваясь силой тяги в пределах от  до , определяют отношение  и по графику определяют величину буксования в процентах. Результаты расчетов сводятся в таблицу 1.

Таблица 1

Зависимость буксования от тягового усилия

Ркр, кНРкр/Gcц, %

При работе колесного трактора со схемой  при изменении силы тяги на крюке происходит перераспределение нормальных нагрузок между передними и задними колесами. При увеличении тягового усилия снижается нагрузка на передние колеса и увеличивается нагрузка на задние колеса, т.е. сцепной вес увеличивается. Для точного определения изменения сцепного при этом требуется знание координат центра тяжести трактора, его продольной базы, координат точки прицепа. Для ориентировочных расчетов можно принять

.

В нормальных эксплуатационных условиях величина буксования движителей не должна превышать допускаемые пределы. На основании обобщения результатов испытаний колесных тракторов следует считать допустимыми пределами буксования ведущих колес 15...18% на плотных почвах и 25...30% на рыхлых. В обычных полевых условиях при нормальной влажности почвы буксование гусениц на основных рабочих режимах трактора составляет всего 2...4%. на болотах, сыпучих песках и других особо неблагоприятных условиях считается допустимой работа гусеничного трактора с буксованием до 10...15%.

4. Определение номинальной мощности двигателя трактора

Требуемая мощность тракторного двигателя определяется исходя из заданных номинальной силы тяги на крюке, соответствующей этому тяговому усилию рабочей скорости движения и установленными предыдущими расчетами веса трактора и буксования его движителей. При определении потребной мощности тракторного двигателя необходимо резервировать некоторую часть мощности для преодолевания систематически возникающих пиковых сопротивлений движению. Чем больше может быть перегрузка двигателя во время работы, тем больше должен быть резерв мощности.

Рис. 1. Кривые буксования на различных почвенных фонах:

а) – колесные тракторы; б) – гусеничные тракторы: 1 – поле, подготовленное под посев; 2 – стерня; 3 – залежь

При определении потребной мощности двигателя резерв учитывается введением коэффициента эксплуатационной нагрузки тракторного двигателя =0,85...0,90.

                                           , кВт,                                       (5)

где  и  - заданные номинальное тяговое усилие в кН и рабочая скорость движения трактора при номинальной силе тяги в км/ч;

- коэффициент эксплуатационной нагрузки тракторного двигателя =0,85...0,90;

- тяговый коэффициент полезного действия, который можно предоставить в следующем виде

                                       ,                                          (6)

где  - КПД, учитывающий механические потери в трансмиссии;

- КПД, учитывающий потери на буксование ведущих колес (гусениц);

- КПД, учитывающий потери на качение трактора;

- КПД, учитывающий внутренние механические потери гусеничного движителя.

Механический КПД трансмиссии  может быть определен по формуле

                                     ,                                           (7)

где  - КПД цилиндрической пары шестерен,

- КПД конической пары шестерен;

и  - количество пар шестерен, работающих в трансмиссии на данной передаче, соответственно, цилиндрических и конических.

=0,985...0,990; =0,975...0,980.

- КПД, учитывающий потери холостого хода трансмиссии. На основе имеющихся опытных данных можно принимать, что при достаточно прогретом масле в механизмах трансмиссии =0,95...0,97.

Коэффициент  определяют из выражения

                                                                =1-.                                               (8)

Для этого необходимо знать коэффициент  буксования ведущих колес в заданных условиях работы. Зависимость буксования от тягового усилия рассчитана выше. В формулу (8)  подставляется в долях единицы, т.к.  = 1,0= 100%.

Коэффициент , учитывающий потери на качение трактора, определяется из выражения

                                ,                                   (9)

где  - сила сопротивления качения, кН;

- касательная сила тяги, равная при установившемся движении трактора по горизонтальному участку

                                                , кН.                                         (10)

При расчете сопротивления качению используют уравнение

                                                  , кН,                                        (11)

где  - коэффициент сопротивления качению (табл. 5);

- эксплуатационный вес трактора, кН.

Коэффициент , учитывающий внутренние потери в гусеничном движителе, определяется из эмпирической формулы

                                                ,                                 (12)

где  - рабочая скорость трактора, м/с.

5. Расчет и построение регуляторной характеристики дизельного двигателя

Регуляторная характеристика дизельного двигателя показывает изменение эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, крутящего момента, удельного и часового расходов топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов при работе двигателя на регуляторе.

Расчет и построение регуляторной характеристики двигателя в функции частоты вращения коленчатого вала выполняется в следующем порядке.

1. Рассчитывается регуляторная ветвь характеристики в диапазоне частот вращения от холостого хода до номинального режима.

Частота вращения холостого хода двигателя определяется по формуле

                                              , об/мин,                              (13)

где  - коэффициент неравномерности регулятора, для современных тракторных дизелей =0,07...0,08;

- номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя (по заданию), об/мин.

На регуляторной ветви характеристики принимают изменение мощности  и крутящего момента  двигателя по закону прямой линии от =0 до  и =0 до .

Крутящий момент определяется по формуле

, кНм

или

, кНм,

где  - эффективная мощность, кВт;

- угловая скорость, рад/с;

n - частота вращения, об/мин.

По удельному расходу топлива  при номинальной мощности двигателя определяют максимальный часовой расход топлива по формуле

                                  , кг/ч.                              (15)

Для холостого хода принимают

, кг/ч.

Промежуточные точки часового расхода топлива на регуляторной ветви принимают по закону прямой линии. По часовому расходу топлива и соответствующей мощности двигателя на регуляторной ветви определяют удельный расход топлива по формуле

                                               , г/кВтч.                                 (16)

Кривая удельного расхода топлива по мере снижения мощности (нагрузки) двигателя поднимается вверх.

2. Рассчитывается безрегуляторная (перегрузочная) ветвь характеристики в диапазоне частот вращения от номинального режима  до режима максимального крутящего момента . При перегрузках крутящий момент двигателя продолжает несколько возрастать, главным образом за счет корректора, увеличивающего цикловую подачу топлива в цилиндры двигателя. При частоте вращения  крутящий момент двигателя достигает максимального значения . При дальнейшем снижении частоты вращения крутящий момент уменьшается из-за ухудшения условий протекания рабочего процесса.

На участках характеристики с частотами вращения ниже  двигатель работает неустойчиво и при малейшей дополнительной перегрузке может заглохнуть.

На режиме максимального крутящего момента двигателя трактор развивает максимальные касательные силы тяги и тяговые усилия на крюке. В диапазоне частот вращения от  до  текущие значения эффективной мощности двигателя определяют по эмпирической формуле

                      , кВт,                   (17)

где  и  - текущее и номинальное значения частот вращения коленчато-

      го вала, об/мин;

     =0,5; =1,5 - для дизелей с непосредственным впрыском топлива,

     =0,7; =1,3 - для дизелей с вихрекамерным смесеобразованием.

Задаваясь значениями частот вращения коленчатого вала двигателя, определяют текущие значения  и крутящего момента . Шаг изменения частот вращения от  до  принимают равным 50...100 об/мин.

Расчеты с изменяющейся частотой вращения коленчатого вала двигателя производят до определения максимального крутящего момента и соответствующей ему частоты вращения.

Удельный расход топлива на безрегуляторной ветви при максимальном крутящем моменте двигателя принимают равным

                                  , г/кВтч.                       (18)

Зная удельный расход топлива на безрегуляторной ветви, определяют соответствующий часовой расход топлива  по формуле

кг/ч.

Результаты расчетов показателей работы двигателя заносят в сводную таблицу для построения регуляторной характеристики.

Таблица 2

Параметры регуляторной скоростной характеристики

N, об/мин, кВт, кНм, кг/ч, г/кВтч      . . .   . . .   . . .   

Пользуясь полученными расчетными данными, строят график регуляторной скоростной характеристики тракторного дизельного двигателя в функции частоты вращения коленчатого вала (формат А4 миллиметровой бумаги) (рис.2).

Рис. 2. Скоростная характеристика дизельного двигателя

6. Расчет касательных сил тяги, передаточных чисел трансмиссии, теоретических (расчетных) скоростей движения трактора.

Разнообразие работ, выполняемых тракторами, вызывает необходимость иметь у них соответствующий набор различных передач. В задании представлены три группы передач:

а) основные передачи, на которых производятся большинство сельскохозяйственных операций;

б) транспортные передачи, применяемые для перевозки грузов и для холостых переездов;

в) технологические передачи для работ, при производстве которых допускаемые скорости движения ограничиваются по условиям выполняемого технологического процесса.

Число основных рабочих передач Z для современных сельскохозяйственных тракторов равно 3...4. Обычно в основу построения ряда основных передач трактора закладывается принцип геометрической прогрессии. Такой ряд передач называется геометрическим и имеет вид

                                          ,                        (19)

где  - номинальные или расчетные скорости, индексы при номинальных скоростях  обозначают порядковый номер передачи,

q - знаменатель геометрической прогрессии.

Номинальными или расчетными скоростями трактора  называются его теоретические скорости при номинальной частоте вращения коленчатого вала.

Так как между номинальными скоростями и соответствующими им передаточными числами трансмиссии имеется обратно пропорциональная зависимость, то уравнение геометрического ряда передач может быть записано как

                                            ,                         (20)

где  и индексы при них указывают значения передаточных чисел и порядковые номера передач.

Аналогично можно записать геометрический ряд и для касательных сил тяги, имеющих прямо пропорциональную зависимость от передаточных чисел

                                              ,                    (21)

где  и индексы при них указывают значения касательных сил тяги и порядковые номера передач.

Знаменатель геометрической прогрессии

                                          ,                    (22)

где z - число передач основного ряда.

                                                                                         (23)

Здесь  - номинальная сила тяги на первой основной передаче (согласно заданию), кН;

- сила тяги на крюке трактора на высшей рабочей передаче, кН.

                                                        (24)

Передаточное число трансмиссии колесного трактора на первой передаче определяется по формуле

                                                 ,                                (25)

где  - теоретический радиус качения ведущих колес, м;

- номинальный крутящий момент двигателя, кНм,

- коэффициент эксплуатационной нагрузки.

Теоретический радиус качения ведущих колес подсчитывается по формуле

                              , м               (26)

где d - посадочный диаметр шины в дюймах;

b - ширина профиля шины в дюймах;

(0,80...0,85) - коэффициент деформации (усадки) шины ведущих колес.

Размеры шин подбираются по таблице 6 в зависимости от нагрузки на одно ведущее колесо трактора

                                                     , кН,                                           (27)

где  - количество ведущих колес.

Для гусеничного трактора передаточное число на первой передаче определяется по формуле

                                           ,                             (28)

где  - радиус начальной окружности ведущей звездочки, м; который можно принять:  = 0,320 м для тракторов с   20 кН;  = 0,355 м для тракторов с  = 30 кН;  = 0,385 м для тракторов с  = 40 кН;  = 0,420 м для тракторов с   50 кН.

Остальные передаточные числа основного ряда передач подсчитываются по формуле

                              ; ; .                    (29)

Номинальная расчетная скорость движения определяется по формуле

                                                 , км/ч                                (30)

или

                                                  , м/с,                                   (31)

где  - номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин.

С целью проверки правильности предыдущих расчетов целесообразно сравнить величины расчетных скоростей, полученных по формуле (30) и рассчитанных из выражения

                                                     ,                                     (32)

где  - рабочая скорость движения на первой передаче при номинальной силе тяги на крюке;

- КПД буксования при номинальной силе тяги.

Ошибка расчетов  должна быть не более .

Остальные расчетные (номинальные) скорости движения на передачах основного ряда определяются по формуле

                      ;  ;  .        (33)

Высшая транспортная скорость принимается согласно заданию. При наличии двух транспортных скоростей (передач) по заданию, промежуточную транспортную скорость определяют как среднегеометрическую величину между высшей транспортной  и высшей скоростью основного ряда  по формуле

                                                    .                                     (34)

Для известных значений  и  определяют передаточные числа трансмиссии и касательные силы тяги на транспортных передачах, используя формулы

                                              ,                                         (35)

                                                 , кН.                                (36)

Для расчета передаточного числа трансмиссии и касательной силы тяги на технологической (замедленной) передаче необходимо выбрать скорость движения.

Допустимая скорость движения при выполнении посадочных работ ограничивается, с одной стороны, агротехническими условиями возделывания данной культуры, диктующими величину шага посадки, а с другой - техническими возможностями, определяющими пропускную способность посадочной машины. На некоторых посадочных работах скорость движения должна быть меньше 0,28 м/с или 1 км/ч. В некоторых случаях применяют также диапазон скоростей 0,5...1,0 м/с (1,8...3,6 км/ч).

Для принятой скорости движения на технологической передаче определяют передаточное число трансмиссии  и касательную силу тяги  по формулам

                                            , км/ч                          (35)

и

                                         , кН.                           (36)

При расчете  и  за расчетную частоту вращения коленчатого вала  принимается

, об/мин,

а

, кНм,

где  и  - частоты вращения коленчатого вала двигателя соответственно холостого хода и номинальная, об/мин;

- номинальный крутящий момент двигателя, кН м (согласно регуляторной скоростной характеристике).

Так как на технологической передаче используется ходоуменьшитель, то КПД трансмиссии на технологической передаче

.

Результаты расчетов касательных сил тяги, передаточных чисел и теоретических скоростей движения заносят в сводную таблицу 3.

Таблица 3

Расчетные значения Рк, iтр и VТ

ПередачаРк, кНiтрVТ, км/чМрасч, кН мnрасч, об/мин1 основная2 основная3 основная4 основная1 транспортная2 транспортнаятехнологическая

7. Расчет и построение теоретической тяговой характеристики трактора.

Определив основные конструктивные параметры тракторного двигателя и трактора в целом, приступают к аналитическому расчету и построению теоретической тяговой характеристики. Тяговая характеристика строится в функции силы тяги на крюке применительно к установившейся работе на горизонтальном участке. Характеристика рассчитывается и строится для заданного агрофона на основных и технологической передаче. Для транспортных передач в качестве агрофона принимается гравийное шоссе или сухая грунтовая дорога.

На каждой передаче основного и транспортного рядов трактора расчеты выполняются для четырех расчетных режимов: номинальный режим работы двигателя  и , режим максимального крутящего момента  и , режим крутящего момента , а также режим холостого хода трактора (,).

На технологической передаче расчеты выполняют для расчетного режима работы двигателя и холостого хода трактора (,).

Для построения теоретической тяговой характеристики трактора расчетные тяговые показатели для каждой передачи заносятся в таблицу 4 параметров тяговой характеристики.

Основные расчетные зависимости для определения  и  приведены выше.

Для конкретных значений крюкового усилия  буксование  определяется из графика , построенного по результатам таблицы 1, (стр. 7).

Теоретическая скорость определяется из выражения

, км/ч.

Зная величину буксования  и теоретическую скорость движения, рабочие скорости подсчитываются по формуле

.

Мощность на крюке для каждой передачи и каждой расчетной точки определяют по формуле

, кВт.

Для оценки топливной экономичности трактора определяется удельный расход топлива по формуле

, г/кВтч.

где  - соответствующий часовой расход топлива по регуляторной скоростной характеристике, кг/ч.

Тяговый КПД трактора подсчитывается по формуле

.

Проверку  производят по формуле

.

Если расчет по двум формулам для  произведен правильно, то результаты расчетов должны совпадать или быть близкими.

Выполнив расчеты параметров теоретической тяговой характеристики, приступают к построению теоретической тяговой характеристики.

Теоретическая тяговая характеристика представляет из себя график, состоящий из четырех частей - квадрантов, выполненный на миллиметровой бумаге формата А1 (рис. 3).

В левом нижнем квадранте строится регуляторная скоростная характеристика двигателя: , , , .

В левом верхнем квадранте наносится лучевая диаграмма теоретических скоростей движения .

В правом нижнем квадранте строится лучевая диаграмма .

В правом верхнем квадранте наносятся основные эксплуатационные показатели: буксование ведущих органов ; рабочие скорости

Таблица 4

Параметры тяговой характеристики

ПередачаРасчетнаяточкаngоб/минNeкВтMkкН мGткг/чPккНPкрКНVткм/чVркм/чNкркВтgкрг/кВтчтягNкр/NетрfмгI1234II1234

Рис. 3. Тяговая характеристика трактора

, тяговая мощность ; удельный расход топлива и тяговый КПД трактора.

После построения графика тяговой характеристики трактора составляется баланс мощности для установившегося движения. В заключение данного раздела курсовой работы следует проанализировать расчетные показатели трактора в целом и сделать краткие выводы по эффективным режимам его работы.

Таблица 5

Коэффициенты сопротивления качению f и коэффициенты сцепления  тракторов

Вид почвы или дорогиТракторы на пневматических шинахГусеничные тракторыffАсфальтированное шоссеГравийное шоссеГрунтовая сухая до-рогаЦелина, плотная за-лежьЗалежь 2-3-х летСтерняВспаханное полеПоле, подготовленное под посевСкошенный луг, влажныйСлежавшаяся пахотаУкатанная снежная дорогаОбледенелая дорогаБолотно-торфяная целина осушеннаяПесок0,01-0,020,020-0,030,025-0,0450,03-0,070,06-0,080,08-0,100,12-0,180,16-0,180,080,08-0,120,03-0,040,02-0,025-0,16-0,180,8-0,90,60,6-0,80,7-0,90,6-0,80,6-0,80,5-0,70,4-0,60,6-0,80,50,03-0,40,1-0,3-0,3-0,4--0,02-0,070,06-0,070,06-0,070,06-0,080,08-0,100,10-0,120,070,080,06-0,070,03-0,040,11-0,140,10-0,15--0,9-1,01,0-1,10,9-1,00,8-1,00,6-0,80,6-0,70,7-0,90,60,5-0,70,2-0,40,4-0,60,4-0,5

Таблица 6

Справочные данные по тракторным шинам

Размер шин в дюймахДавление воздуха в шинах, МПаГрузоподъемность шины в кг при указанном давлении воздухаВедущие колеса8-329-209-4210-2811-3812-3813-3015-200,08-0,170,08-0,140,08-0,140,08-0,110,08-0,150,08-0,140,1-0,130,11-0,14535-680500-695695-1180690-845975-14101130-15701360-15502100-2420

Тяговый расчет автомобиля

1. Определение собственной и полной массы автомобиля

Исходным параметром для определения собственной и полной массы автомобиля является заданная грузоподъемность или пассажиро-вместимость. Отношение грузоподъемности автомобиля Мг к его собственной массе Мо называется коэффициентом грузоподъемности

                                                   .                                                  (37)

Тогда из выражения (37) имеем:

                                                .                                                 (38)

Коэффициент грузоподъемности существенно влияет на динамические и экономические показатели автомобиля: чем он больше, тем лучше эти показатели. При проектировании автомобиля его значения определяются из технических возможностей и экономической целесообразности.

Значения коэффициента грузоподъемности зависят от типа и конструктивных особенностей автомобиля. Для легковых автомобилей г=0,25...0,40, причем большему литражу автомобиля соответствует меньший коэффициент грузоподъемности. У грузовых автомобилей особо малой и малой грузоподъемности г=0,4...0,6. Для грузовых автомобилей типа 4К2, 6К4 средней и большой грузоподъемности г=0,9...1,4. С повышением грузоподъемности значения коэффициента растут. Для специальных автомобилей высокой проходимости коэффициент грузоподъемности ниже, чем для автомобилей общего назначения. Рекомендуется для автомобилей типа 44, 66 г=0,5...0,8.

Полная масса автомобиля (без прицепа) определяется по формуле

                                      ,    (39)

где n - число пассажиров, включая водителя; 75 кг – масса одного человека.

  1.   Расчет номинальной мощности двигателя автомобиля

Мощность двигателя автомобиля должна быть достаточной для движения полностью нагруженного автомобиля с заданной максимальной скоростью в заданных дорожных условиях.

Мощность, необходимая для установившегося движения в заданных условиях определяется из выражения

   ,    (40)

где Vmax - максимальная скорость движения автомобиля, км/ч;

тр - механический КПД трансмиссии, принимаемый для режима максимальной скорости тр=0,85...0,90 или рассчитываемый исходя из предполагаемой кинематической схемы трансмиссии;

Gа - сила тяжести (вес) автомобиля с полной нагрузкой, , Н;

 - приведенный коэффициент дорожного сопротивления, ; при движении по горизонтальному участку =0,  = f;

k - коэффициент обтекаемости автомобиля (см. приложение, табл. 13);

F - площадь лобового сопротивления автомобиля, которая принимается исходя из данных прототипа или автомобиля подобного класса по грузоподъемности и габаритам (табл. 12).

Для обеспечения лучших тяговых и динамических качеств автомобиля номинальную (максимальную) мощность двигателя определяют по формуле

.     (41)

Угловая скорость коленчатого вала двигателя на номинальном режиме определяется через коэффициент оборотности двигателя

, с-1     (42)

или принимается с учетом данных прототипа. Значения коэффициента оборотности двигателя принимают в пределах 3...4.

3. Расчет и построение скоростной (внешней) характеристики карбюраторного двигателя

Скоростная характеристика двигателя показывает изменение эффективной мощности, крутящего момента, удельного и часового расходов топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Текущие значения мощности Nei и крутящего момента Mki определяют по следующим формулам:

    ,      (43)

  ,        (44)

где i, н - текущее и номинальное значения угловой скорости коленчатого вала двигателя.

значения коэффициентов С1 и С2 для карбюраторного двигателя равны:

С1=С2=1.

При расчете скоростной характеристики карбюраторного двигателя необходимо задаться угловой скоростью, соответствующей 120, 100, 80, 60, 50, 40 и 20% от номинального значения, и определить текущие значения Nei и Mki , соответствующие этим угловым скоростям.

Данные расчетов заносим в табл. 7.

Для определения значений по расходу топлива следует, исходя из анализа расхода топлива существующих двигателей и перспектив развития, принять удельный расход топлива при 100%, а затем взять соответствующий процент (указанный в табл. 7) для остальных режимов. Для большинства современных карбюраторных двигателей удельный расход топлива 305...325 г/кВт ч.

Таблица 7

Параметры внешней скоростной характеристики двигателя

е, %2040506080100120е, с-1Nе, кВтМк, кНмgе, %110100979595100115gе, г/кВт чGт, кг/ч

Часовой расход топлива рассчитывают по формуле

       , кг/ч       (45)

Данные по gе и Nе берут из соответствующих колонок табл. 7.

По данным табл. 7 строится график скоростной характеристики двигателя (рис. 4).

  1.   Расчет передаточных чисел трансмиссии автомобиля

Расчет передаточных чисел трансмиссии начинают с расчета передаточного числа на первой и высшей передачах. Номер высшей передачи зависит от того, сколько ступеней предполагается у коробки передач проектируемого автомобиля (три, четыре, пять...). Передаточное число первой передачи должно обеспечивать преодоление наибольшего дорожного сопротивления движению автомобиля. В этом случае значения касательного усилия, исходя из подведенного крутящего момента двигателя при Мk max, желательно иметь равным максимальному касательному усилию по сцеплению, т.е.

 ,      (46)

где iтр1, тр1 - соответственно передаточное число и КПД на первой передаче;

к - коэффициент нагрузки ведущих колес; для 4х2 к = 0,70...0,75; для 4х4 к = 1,0;

rк - динамический радиус ведущих колес, м;

Ма - полная масса автомобиля;

g - ускорение свободного падения;

 - максимальное значение коэффициента сцепления (принимается в пределах 0,7...0,8).

Рис. 4. Внешняя скоростная характеристика карбюраторного двигателя

Для большинства автомобильных коробок передач при переходе с высшей передачи на первую включаются в работу дополнительно две пары цилиндрических шестерен, тогда

,        (47)

где тр - КПД трансмиссии на высшей передаче (значения его принимались при расчете мощности двигателя соответствующей максимальной скорости);

ц - КПД одной цилиндрической пары шестерен принимают равным 0,985.

Значения динамического радиуса ведущих колес принимают равными значению их расчетного радиуса качения. Величина расчетного радиуса качения принимается (после подбора размера шин, исходя из максимальной нагрузки и максимальной скорости движения) по справочной литературе или рассчитывается по следующей формуле:

       ,       (48)

где d - диаметр обода колеса, м;

b - высота профиля шины, м;

у - коэффициент усадки, принимается в пределах 0,92...0,95.

Из выражения (10) имеем

  .       (49)

При определении передаточного числа трансмиссии на высшей передаче iтр z исходим из того, что на этой передаче будет получена максимальная скорость движения при работе двигателя на режиме Vmax, тогда

,

откуда

    .       (50)

В выражении (50) следующие размерности параметров:

км/ч.

В выражении (50) угловая скорость v max соответствует максимальной заданной скорости движения. При этой угловой скорости двигатель развивает мощность Nev max, требуемую для движения с максимальной скоростью.

Не следует путать v max с н или же с  = 1,2 н.

Значение v max может быть определено с достаточной точностью из графика внешней скоростной характеристики двигателя или рассчитано по формуле (43) методом последовательного приближения.

Передаточные числа трансмиссии на остальных передачах определяются исходя из того, что наиболее рациональным является изменение передаточных чисел трансмиссии по закону геометрической прогрессии (это обеспечивает постоянный интервал изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, при разгоне на различных передачах - наибольшую производительность и экономичность), тогда

       и т.д.   ,    (51)

где z - принятое число передач коробки;

     q - знаменатель геометрической прогрессии.

Знаменатель определяют по формуле

  .        (52)

При необходимости определения передаточного числа коробки передач обычно принимают, что высшая передача прямая. Тогда iтр z представляет собой передаточное число главной передачи и бортовых редукторов (если они предусмотрены конструкцией трансмиссии). В этом случае передаточные числа коробки передач можно определить по следующим выражениям:

;

   и т.д.   ..     (53)

Если высшая передача будет ускоряющей, т.е. iкz<1, прямой передачей является передача (z-1). Тогда

  и т.д.

 .        (54)

5. Расчет и построение универсальной динамической характеристики автомобиля

Для сравнительной оценки тягово-динамических качеств автомобилей, имеющих различный вес и мощность, служит удельный показатель - динамический фактор.

Динамический фактор определяется по формуле

 ,        (55)

где Рк - касательная сила тяги автомобиля, Н;

Рw - сила сопротивления воздуха, Н;

G - вес автомобиля, Н.

Касательная сила тяги автомобиля и сила сопротивления воздуха определяется по формулам

    , Н       (56)

, Н       (57)

Динамической характеристикой автомобиля называют графически выраженную зависимость динамического фактора от скорости движения автомобиля на различных передачах.

Для расчета динамической характеристики используется скоростная (внешняя) характеристика двигателя.

Расчеты выполняют для режимов работы двигателя, соответствующих угловой скорости вращения коленчатого вала - 20, 40, 50, 60, 80, 100 и 120% от н в такой последовательности:

1. По формуле

      , км/ч       (58)

рассчитывают для всех режимов работы двигателя на каждой передаче скорости движения.

  1.  Для этих же режимов работы двигателя определяют величины касательной силы тяги и силы сопротивления воздуха по формулам (56) и (57).

Величина динамического фактора зависит от веса автомобиля. Поэтому расчет и построение характеристики ведут сначала для порожнего автомобиля, а потом путем дополнительных построений преобразуют ее в универсальную характеристику, позволяющую находить динамический фактор для любого веса автомобиля или автомобиля с прицепом (автопоезда). Порожний вес автомобиля равен собственному весу автомобиля Gо плюс вес водителя

Gпор=Go + Gв.

Результаты расчетов универсальной характеристики автомобиля заносятся в таблицу.

Таблица 8

Параметры универсальной динамической характеристики

Передача, с-1V, км/чРк, НРw, НDfГ=1Г=2

Коэффициент нагрузки автомобиля Г = 1 соответствует порожнему автомобилю, а Г = 2 - автомобилю, имеющему вес, равный удвоенному весу порожнего автомобиля

    ,        (59)

По результатам расчета, соответственно числу передач, в зависимости от скоростного режима движения автомобиля строится график динамической характеристики D=f(v) для коэффициента нагрузки Г=1 (порожний автомобиль) (рис. 5).

Рис. 5. Универсальная динамическая характеристика

На построенной характеристике наносят сверху вторую ось абсцисс, на которой откладывается значение коэффициента нагрузки Г = 2 и Г = 3.

На крайней слева точке верхней оси абсцисс коэффициент Г = 1, что соответствует порожнему автомобилю; на крайней точке справа откладываем максимальное значение Г = 3. Затем наносим на верхней оси абсцисс ряд промежуточных значений коэффициента нагрузки и проводим из них вниз вертикали до пересечения с нижней осью абсцисс.

Поскольку динамический фактор при Г = 2 вдвое меньше, чем у порожнего автомобиля (при Г = 3 - втрое меньше), то масштаб динамического фактора на второй оси ординат должен быть в два раза больше, чем на первой оси, проходящей через точку Г = 1. Однозначные деления динамического фактора на обеих ординатах соединяют наклонными прямыми линиями. Точки пересечения этих прямых с остальными вертикалями образуют на каждой вертикали масштабную шкалу для соответствующего значения коэффициента нагрузки автомобиля.

На построенной характеристике нужно указать стрелками, как определить, с какими скоростями возможно равномерное движение автомобиля по какой-либо выбранной дороге при двух разных значениях коэффициента нагрузки автомобиля. По универсальной динамической характеристике необходимо определить максимальные скорости движения и максимальные углы подъема по передачам при заданных дорожных условиях при коэффициентах нагрузки, соответствующих порожнему автомобилю и автомобилю с полной нагрузкой согласно заданной грузоподъемности.

При известном значении динамического фактора максимальный угол подъема определяется из следующего выражения

.

Движение на подъем с максимальным углом происходит при условии работы двигателя с максимальным крутящим моментом Мk max. При этом значения динамического фактора Dmax не должны превышать значения динамического фактора по сцеплению D

.

Коэффициент сопротивления качению f является функцией скорости движения

,       (60)

где - значение коэффициента сопротивления качению при скорости V<30 км/ч.

Т.к. по заданию дано значение  при движении с заданной скоростью на горизонтальном участке дороги, то

        .       (61)

Результаты расчетов максимальных скоростей движения и максимальных углов подъема автомобиля по передачам с различной нагрузкой заносятся в таблицу.

Таблица 9

Максимальные скорости движения и максимальные углы подъема

ПараметрыПередачаIIIIIIIVVVmax, км/чmax Г=1, градmax Гmax, град

6. Расчет и построение экономической характеристики автомобиля

Топливная экономичность автомобиля обычно оценивается расходом топлива на 100 км пути при равномерном движении на разных скоростях в разных дорожных условиях. Расход топлива автомобилем зависит от его конструкции и технического состояния, а также от дорожных условий, квалификации водителя и организации транспортных перевозок.

Зависимость расхода топлива на 100 км пути от скорости движения называется экономической характеристикой автомобиля. На оси абсцисс характеристики откладываются скорости движения V в км/ч, на оси ординат - расход топлива Qs в л/100 км.

На характеристике наносится ряд кривых, каждая из которых соответствует определенным дорожным условиям.

При выполнении курсовой работы должно быть рассмотрено движение автомобиля на дорогах с тремя разными значениями коэффициента сопротивления движению :

  1.  в соответствии с заданием, при =0, ;
  2.  = 0,05 сухая грунтовая дорога,  = 0;
  3.  = 0,10 грунтовая дорога после дождя,  = 0.

Экономическая характеристика в курсовой работе строится только для движения автомобиля с полной нагрузкой в соответствии с грузоподъемностью на высшей (прямой) передаче.

Расчет экономической характеристики выполняют в следующей последовательности:

  1.  Задаются 6...8 значениями скоростей движения от Vmin до Vmax, например: 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 км/ч.
  2.  Определяют угловую скорость вращения коленчатого вала двигателя и коэффициент сопротивления качению, соответствующие заданным скоростям движения.
  3.  Определяют мощность двигателя, требуемую для движения автомобиля с принятыми значениями скоростей движения

, кВт     (62)

  1.  Определяются значения удельного расхода топлива для разных скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя из следующего выражения

  , г/кВт ч       (63)

где kn, kN - коэффициенты, учитывающие изменение удельного расхода топлива от угловой скорости вращения коленчатого вала и эффективной мощности двигателя;

gен - удельный номинальный расход топлива по внешней скоростной характеристике, г/кВт ч.

Значения коэффициентов kn, kN определяют по графикам рис. 6а и рис. 6б.

,      (64)

Значение Nе вн принимается по внешней скоростной характеристике для соответствующей угловой скорости вращения коленчатого вала

, с-1        (65)

  1.  Согласно полученным значениям Nei и gei для различных скоростей движения на прямой (высшей) передаче автомобиля определяем расход топлива на 100 км пути по формуле

,  л/100 км       (66)

где gei, Nei - удельный расход топлива (г/кВт ч) и мощность двигателя (кВт), соответствующие движению автомобиля в заданных дорожных условиях со скоростью Vi (км/ч);

Т - плотность топлива, кг/л; для бензина Т=0,725 кг/л.

  1.  Аналогично производится расчет расхода топлива на 100 км пробега автомобиля для других сопротивлений дорог.

На основании расчетных данных (табл. 10) производится построение экономической характеристики автомобиля (рис. 7).

По графику экономической характеристики производится анализ работы автомобиля - определяется наиболее экономичная скорость движения автомобиля в различных дорожных условиях. Также необходимо отметить скорости движения с повышенными расходами топлива и объяснить причины таких расходов.

Таблица 10

Расчетные параметры экономической характеристики

fofVi,км/чi,c-1Nei,кВтNe вн,кВтiнNeiNe внknkNgei,г/кВт чQs,1/100 км

Рис. 6. Значение коэффициентов Кn и КN

1 – карбюраторный; 2 – дизельный.

Рис. 7. Экономическая характеристика автомобиля

Таблица 11

Коэффициент сопротивления качению и коэффициент

сцепления автомобиля

Вид дорогиfАсфальтированное шоссе0,015-0,0200,6-0,75Гравийно-щебеночная дорога0,020-0,0300,5-0,65Булыжная мостовая0,025-0,0350,4-0,50Сухая грунтовая дорога0,03-0,050,5-0,7Грунтовая дорога после дождя0,05-0,150,35-0,05Песок0,17-0,300,65-0,75Снежная укатанная дорога0,03-0,040,3-0,35

Таблица 12 Некоторые технические характеристики отечественных грузовых автомобилей

Марки автомобилейГАЗ-66УАЗ-452ГАЗ-52ГАЗ-53АЗИЛ-130КамАЗ-5320МАЗ-500Грузоподъемность, т2,012,54587,5Масса автомобиля3440151028153250430068006500Масса при наибольшей нагрузке577026605465740095251502514225Площадь лобового сопротивления4,42,93,23,64,15,085,30Радиус качения колес, мм470360436470480480Общие передаточные числа трансмиссии:на 1-й передаче44,321,142,744,348,046,537,8на 2-й передаче21,0513,620,0621,0526,424,019,5на 3-й передаче11,78,711,311,0914,814,812,1на 4-й передаче6,835,1256,676,839,59,17,43на 5-й передаче----6,455,94,85

Таблица 13

Коэффициенты обтекаемости и лобовые площади автомобилей

Типы машинКоэффициент обтекаемости автомобиляПлощадь лобовой поверхностиЛегковые с закрытыми кузовами0,2-0,351,3-1,8Грузовые автомобили0,6-0,754,5-6,5Тягачи с прицепом0,84,5-6,5

Таблица 14

Справочные данные по автомобильным шинам

Для грузовых автомобилей и прицепов

Размер шинв дюймахДавление воздухав шинахГрузоподъемность шины при указанном давлении воздуха, кг6,50-200,275-0,35500-7507,50-200,275-0,35850-10008,25-200,275-0,41000-13009,0-200,325-0,451250-155010,00-180,35-0,501400-170010,00-200,35-0,501500-180011,00-200,35-0,501700-205012,00-200,425-0,552100-2400

Теория трактора и автомобиля

Методические указания к курсовой работе

Составитель к. т. н., доцент Третьяков В. И.

Компьютерная верстка Тетенова А.Г.

Макет-оригинал изготовлен Тетеновым А.Г.

Отпечатано в множительном отделе Пермской государственной сельскохозяйственной академии им. акад. Д.Н. Прянишникова.

Тираж 500 экз.

614990, г. Пермь, Коммунистическая, 23