Улучшение эксплуатационно-технических показателей легкового автомобиля малого класса ВАЗ-2110

 

Начальные условия и исходные величины:

Температура окружающей среды  t° = 15°C;

Барометрическое давление H0 = 740 мм рт. столба,

т.е. t° и H0 - норма;

Nemax - максимальная эффективная мощность двигателя, кВт;

neN - частота вращения коленчатого вала при максимальной

эффективной мощности двигателя, мин–1.

a,b,c - константы Лейдермана. 

gemin - минимальный удельный расход топлива, г/кВт*час.

К внешним скоростным характеристикам двигателя внутреннего сгорания относят

 зависимости вида:

      Ne,Me, ge=f(ne),

 где:     Ne - эффективная мощность двигателя, кВт;

      Me - эффективный крутящий момент на коленчатом валу

                      двигателя, Н*м;

ge - удельный эффективный расход топлива, г/кВт*ч;

ne - частота вращения коленчатого вала ДВС, мин-1.

 

 Определение рабочего диапазона двигателя по частоте

             вращения коленчатого вала

 

Известно, что в рабочем диапазоне частота вращения коленчатого вала ДВС изменяется от nemin до nemax, при этом: 

 

 для автомобильных  бензиновых      - nemin = 600 - 1200  мин-1;

  nemax = (1.03-1.08) neN мин-1.

 

Принимаем:   nemin =  ne1 = nxx = 1000 мин-1 ;

                       nemax = 1.05* neN        nemax = ne7 = 7200 мин-1

 

Разбиваем диапазон:

ne1 = 1000

ne2 = 2000

ne3 = 3000

ne4 = 4000

ne5 = 5000

ne6 = 6000

ne7 = 7200

 

 

Определение текущего значения мощности в рабочем

диапазоне оборотов

Мощность двигателя определяется по формуле Лейдермана:

Nei = Nemax[a + b - c ],      кВт 

где:  Nei - текущее значение эффективной мощности, кВт

nei - текущее значение частоты вращения коленчатого вала, мин-1.

nei изменяется в диапазоне от nemin до nemax

i = 1, 2, 3 . . . - номера расчётных  точек.

      i = 1 . . . 7; 

nemin = neхх (холостой ход).

a, b, c - коэффициенты (константы Лейдермана), зависящие от конструкции ДВС.

Для бензиновых двигателей:

a = 1;   b = 1;    c = 1;

 

Определение эффективного крутящего момента

        Эффективный  крутящий момент на коленчатом  валу двигателя рассчитывается  по формуле:

Mei=9550*Nei/nei,        Н*м             

 

Определение текущих значений эффективного удельного

расхода топлива

Удельный эффективный расход топлива рассчитывается по выражению:

gei=Кg*gemin*(A - B +C ),      г/кВт*час        

где: gemin - минимальный удельный расход топлива, г/кВт*час;

             nei изменяется в диапазоне от nemin до nemax

А,В,С - коэффициенты,  характеризующие конструктивные  особенности

                           двигателя:

для бензиновых gemin  = 260 ... 360 г/кВт*час,

 

по заданию gemin = 256 г/кВт*ч;

А=1.3   В=0.85    С=0.6  

Кg - коэффициент, учитывающий равномерность горения заряда топлива

 для дизелей Kg = 0.995

 

Результаты  расчетов сводятся в Таблицу I и по ним строятся  графики зависимостей

Ne, Me, ge = f (ne)

 

Таблица I

 

i	1	2	3	4	5	6	7
ne	1000	2000	3000	4000	5000	6000	7200
Ne	15.37	33	50.62	66	76.87	81	73.78
Me	146	157	161	157	146	129	98
ge	298	276	261	255	258	267	291

 

 

Определение коэффициента приспособляемости двигателя

 

При росте внешнего сопротивления движению автомобиля, падают обороты двигателя (идет потеря скорости движения автомобиля в целом) при одновременном возрастании момента по ВСХ, от Mei до Memax.

Если момент сопротивления на колесах (с учетом КПД трансмиссии и номера выбранной передачи, т.е. величины передаточного отношения) превысит эффективный крутящий момент двигателя, то произойдет его остановка а значит и потеря подвижности автомобилем. Чтобы этого не произошло, необходимо увеличить крутящий момент на тяговых колесах путем переключения  на пониженную передачу (ввести большее передаточное отношение в коробке передач).

Следовательно, коэффициент приспособляемости двигателя к изменяющимся дорожным условиям (при движении автомобиля), устанавливает границы возможного движения без переключения передачи и определяется зависимостью:

Ke = Memax/MeN ,             

где:  Memax  – максимальный эффективный момент двигателя,

MeN  – момент на валу двигателя при максимальной мощности.

Memax = Me4 = 161 H*м

MeN = Me8 = 129 Н*м

Ke = 1,25

 

Коэффициент приспособляемости бензиновых  двигателей имеет следующие диапазоны значений:

Ke = 1.15 ... 1.28

Полученный коэффициент приспособляемости удовлетворяет данному диапазону

 

 Расчёт силовых  и тяговых характеристик проектируемого 

автомобиля

Тягово-динамический расчёт автомобиля выполняется при условии, что определены все исходные параметры автомобиля и, в частности, известны передаточные отношения: по ступеням коробки передач, по ступеням раздаточной коробки и главной передачи.

 

Силовые составляющие и тяговый баланс автомобиля

Целью силового расчёта автомобиля является определение возможности реализации силы тяги, развиваемой ведущими колёсами автомобиля при заданных условиях, для достижения максимальной скорости.

Из “Теории автомобиля” [1,6] известно, что уравнение движения автомобиля (в общем случае) имеет вид:

Pkni = Pfni + Pwni + Pani + Pjni + Pкр,       кН   

где: Pfni  -  сила сопротивления качению,   Н;

Pwni  -  сила лобового (аэродинамического) сопротивления,   Н;

Pani  -  сила сопротивления подъёму,   Н;

  Pani = Ga*sina ,     Н            

           a  - угол подъёма профиля дороги в градусах;

Pjni  -  сила инерции автомобиля,   Н;

Ga = ma*g

g = 9.81 м/с2

Ga = 14715 Н

 

Pjni  = jnidврn,      Н                                                                    

            dврn - коэффициент учета вращающихся масс двигателя, деталей         

                     трансмиссии и колёс автомобиля  на n-ом номере передачи в КП;

             jni  - линейное ускорение автомобиля в м/с2;

         Ga, g  -  те же, что и выше;

            Pкр  -  крюковая нагрузка, приложенная к автомобилю (прицеп и т.д.);

n  -  номер передачи  в трансмиссии автомобиля;

i  -  номер расчётнной  точки.

 

При расчёте силовых составляющих обычно полагают, что:

1.  Автомобиль движется  по горизонтальной опорной поверхности  вы-

сокого качества, т.е, a=0, а значит, в соответствии с формулой  (13)  Pa ni = 0.

2.  Опорная поверхность (дорога) высокого качества (асфальт, бетон), что предопределяет условие - fo = fomin.

3.  Эффективная мощность  и крутящий момент двигателя (в  расчётных точках) принимаются по  ВСХ, т.е. полной подаче топлива (дизели).

4.  Автомобиль в каждой  расчетной точке движется с  постоянной скоростью  - Vani = const. Тогда следует, что Pjni = 0, т.к. jni= 0.

5.  Автомобиль работает  без крюковой нагрузки, т.е. Pкр = 0.

6.  Параметры окружающей  среды - стабильны, т.е. Kw = const.

7.  КПД трансмиссии  на всех передачах - постоянно, т.е. hтр = const.

8.  Радиусы качения всех колес одинаковые, и не изменяются во всём диапазоне скоростей движения автомобиля, т.е. rк = const.

 

Тяговая характеристика автомобиля

Тяговая характеристика автомобиля строится по результатам аналитического расчёта сил тяги, развиваемых ведущими колёсами   -  Pкni, для ряда выбранных значений кинематической скорости  -  Vani. 

Сила тяги определится из зависимости:

Pкni = Mei*Uтрn*hтр/rк ,       Н                                          

Текущее значение кинематической скорости на n-ой  передаче рассчитывается по уравнению:

Vani = 0.377* rк *nei/Uтрn,    км/ч                                                       

где: Mei -  текущее значение крутящего момента двигателя в i-ой расчётной

          точке (берётся из ВСХ) в Нм;

nei    -  частота вращения вала двигателя в i-ой расчётной точке в мин-1;

rк    -  радиус качения шины (в метрах)

Uтрn - передаточное отношение трансмиссии на n-ом номере передач в

          каждом из агрегатов;

Uтрn = U0n*Un   

где:           U0n  - передаточное отношение главной передачи (ГП).  Обычно,

                                   главные передачи односкоростные (одноступенчатые). Если

                    это так, то принимают  U0n  = U0 = 3.7

           Un  - передаточное отношение в коробке передач на n-ой передаче;           

Uтр1 = 13.468        Uтр2 = 7.215       Uтр3 = 5.032      Uтр4 = 3.478      

Uтр5 = 2.886

 

  Силы внешних  сопротивлений

Обычно к силам внешних сопротивлений при расчёте силового баланса автомобиля относят: силы сопротивления качению шин автомобиля (Pfni) и силу лобового (аэродинамического) сопротивления площади его кузова.

Исходя из (4), сила сопротивления качению определяется зависимостью:

Pfni = Ga*fni  = Ga*fo

,     Н   

где: fni - текущее значение коэффициента сопротивления качению при

       движении  автомобиля на n-ой передаче со скоростью Vani (в км/час)

       в i-ой расчётной точке.

Исходя из (5), сила лобового (аэродинамического) сопротивления (при Van в км/час) рассчитывается по формуле:

Pwni = Kw*Fa*

,      Н                                                

Полагая, что на автомобиль со стороны дороги и окружающей среды действуют только силы Pfni и Pwni, тогда получим суммарную силу внешних сопротивлений:

PSni  =Pfni + Pwni ,      Н             

 

Силовой баланс автомобиля

Движение автомобиля, при нарастании скорости, будет ограничено силами внешних сопротивлений.

Pкni = Pfni + Pwni  = PSni ,      Н                                                

Это выражение называется уравнением силового баланса и оно характерно тем, что в точке Pкni = PSni автомобиль развивает максимальную возможную скорость  - Vа Р (по реализуемой силе тяги) с учётом всех принятых выше ограничений.

 

- если Pкni > PSni, то движение возможно,

- если Pкni < PSni, движение автомобиля исключено.

 

Следует учесть и то, что Vа Р = Vа max не равно максимальной кинематической скорости  - Vа nimax при nemax, т.к. при расчёте последней не учтены внутренние и внешние потери. Результаты  расчетов сводятся в Таблицу II  и по ним строятся  графики зависимостей Pкni(Vani),Pfni(Vani),Pwni(Vani), PSni(Vani).  

 

Таблица II 

i	1	2	3	4	5	6	7
ne	1000	2000	3000	4000	5000	6000	7200
Me	146	157	161	157	146	129	98
Передача I, передаточное отношение трансмиссии Uтр1 = 13.468
VaI	8	16	24	32	40	48	57.6
PkI	6.41	6.9	7	6.9	6.41	5.6	4.3
PfI	0.125	0.126	0.128	0.131	0.135	0.139	0.145
PwI	0.003	0.011	0.026	0.047	0.073	0.1	0.15
PåI	0.127	0.138	0.155	0.178	0.208	0.245	0.298
Передача II, передаточное отношение трансмиссии Uтр2 = 7.215
VaII	15	30	45	60	75	90	108
PkII	3.4	3.7	3.8	3.7	3.44	3	2.3
PfII	0.126	0.13	0.137	0.147	0.16	0.175	0.198
PwII	0.01	0.04	0.09	0.166	0.259	0.373	0.538
PåII	0.136	0.172	0.231	0.316	0.419	0.549	0.736
Передача III, передаточное отношение трансмиссии Uтр3 = 5.032
VaIII	21	43	64	86	107	129	154
PkIII	2.4	2.58	2.64	2.58	2.4	2.1	1.6
PfIII	0.128	0.136	0.150	0.171	0.197	0.228	0.273
PwIII	0.021	0.085	0.19	0.340	0.531	0.764	1.094
PåIII	0.149	0.221	0.341	0.510	0.728	0.993	1.367
Передача IV, передаточное отношение трансмиссии Uтр4 = 3.478
VaIV	31	62	93	124	155	186	223
PkIV	1.65	1.78	1.82	1.78	1.65	1.45	1.11
PfIV	0.130	0.148	0.176	0.221	0.275	0.341	0.437
PwIV	0.044	0.177	0.400	0.709	1.108	1.596	2.295
PåIV	0.175	0.325	0.575	0.930	1.383	1.937	2.732
Передача V, передаточное отношение трансмиссии Uтр5 = 2.886
VaV	37	75	112	150	187	224	269
PkV	1.37	1.48	1.52	1.48	1.37	1.2	0.92
PfV	0.133	0.160	0.203	0.265	0.343	0.438	0.577
PwV	0.064	0.258	0.581	1.038	1.613	2.315	3.4
PåV	0.198	0.418	0.784	1.303	1.956	2.753	3.9