Исходная информация о базовом автомобиле

Хусаинов А. Ш.

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
 АВТОМОБИЛЯ

учебное пособие для студентов специальности
 190109 – Автомобили и тракторы

Ульяновск,

2012

УДК 629.113 (075.8)

ББК 39.33-01я73       

    Х-98

Рецензенты

генеральный директор ООО «УНИТЕК» д.т.н., Епифанов В.В.

Зав. каф. «Автомобили» УлГТУ,

канд. техн. наук Обшивалкин М.Ю.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве
учебного пособия

Хусаинов, А. Ш.

Х-98 Динамические свойства автомобиля. Учебное пособие для студентов специальности 190109 – Автомобили и тракторы / А. Ш. Хусаинов – Ульяновск: УлГУ, 2012. – 32 с.

Пособие предназначено для выполнения курсовой работы по дисциплине «Теория автомобиля» студентами всех форм обучения.

В первой главе пособия рассмотрен пример задания на курсовую работу. Во второй главе подробно изложен порядок расчета параметров автомобиля, взятого в качестве базового. В третьей главе изложены альтернативные методики расчета мощности двигателя, необходимой для обеспечения максимальной скорости и динамичности автомобиля. В 4 – 7 вкратце приведен порядок расчета трансмиссии и разгонных характеристик автомобиля. В восьмой главе приведен подробный расчет тормозного баланса автомобиля. В последней главе изложена методика подбора давления в шинах с учетом управляемости автомобиля.

УДК 629.113 (075.8)

ББК 39.33-01я73       

© Оформление УлГУ, 2012

© Хусаинов А. Ш., 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. 5

1. Задание на курсовую работу. 5

2. Исходная информация о базовом автомобиле. 6

2.1. Масса снаряженного легкового автомобиля. 6

2.2. Расчетная масса легкового автомобиля. 7

2.3. Полная масса легкового автомобиля. 7

2.4. Развесовка по осям (координаты центра масс) 7

2.5. Характеристика шин и колес. 9

2.6. Коэффициент сопротивления качению колес. 10

2.7. Сила сопротивления воздуха. 11

2.8. Коэффициент полезного действия трансмиссии. 12

3. Расчет мощности двигателя. 12

3.1. Расчет мощности двигателя по максимальной скорости автомобиля. 12

3.2. Расчет мощности двигателя по динамическому фактору автомобиля. 13

3.3. Выбор двигателя по результатам расчетов. 17

3.4. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя. 18

4. Расчет передаточных чисел в трансмиссии. 19

5. Мощностной и силовой балансы автомобиля. 23

6. Динамический паспорт автомобиля. 24

7. Разгонная характеристика автомобиля. 24

8. Тормозной баланс автомобиля. 25

9. Определение давления воздуха в шинах. 29

Библиографический список. 32

Введение

Теория автомобиля – это наука о формировании следующих эксплуатационных свойств автомобиля: разгонная и тормозная динамика, топливная экономичность, устойчивость и управляемость, плавность движения. В курсовой работе по дисциплине выполняется расчет только разгонной динамики, тормозного баланса и основ управляемости автомобиля.

Целью настоящего пособия является формирование у студентов знаний, умений и навыков по анализу и выбору параметров автомобиля, обеспечивающих реализацию заданных показателей эксплуатационных свойств.

Задание на курсовую работу

Автомобиль и размерность шин выбирает студент по согласованию с преподавателем, но необходимо обосновать выбор шин. Максимальную скорость автомобиля, его динамический фактор и преодолеваемое дорожное сопротивление назначает преподаватель.

Ниже приведено типовое задание на курсовую работу на примере автомобиля Форд-Фокус II:

Задание на курсовую работу
«Динамический расчет легкового автомобиля»

1. В качестве базового принять автомобиль Форд-Фокус.

2. Для шин размерности 205/55R16 (применяются на Форд-Фокус в базовой комплектации) определить номинальный, статический и динамический радиусы качения. Обосновать назначение индексов скорости и несущей способности шин.

3. Рассчитать необходимую максимальную мощность двигателя автомобиля, если максимальная скорость автомобиля составляет не менее V_max = 200 км/ч, динамический фактор на прямой передаче не менее D = 0,13. Построить внешнюю скоростную характеристику двигателя.

4. Рассчитать передаточные числа в трансмиссии при коэффициенте дорожного сопротивления Ψ₁ = 0,38; (для полноприводных автомобилей, имеющих в раздаточной коробке понижающую передачу, задают еще и Ψ_max).

5. Построить силовой и мощностной балансы, динамический паспорт автомобиля.

6. Построить разгонную характеристику автомобиля.

7. Построить график тормозного баланса для снаряженного, расчетного и груженого автомобиля.

8. Определить давление воздуха в шинах для расчетного и полностью груженого автомобиля.

Характеристика шин и колес

Категорию скорости шин назначаем с запасом 5 %. Максимальная скорость автомобиля – 200 км/ч. Таким образом, назначаем 210 км/ч, что соответствует категории Н (табл. 1).

Индекс несущей способности определяем по статической вертикальной нагрузке на шину при полной загрузке автомобиля. Как видно из вышеприведенного расчета (см. формулу (7)), автомобиль имеет больше нагрузку на переднюю ось – 889 кг. Тогда на одно переднее колесо приходится половина этого веса, около М_к = 445 кг (округляем до целых). Для обеспечения несущей способности шин в динамике (при торможении или в повороте шина несет значительно большую нагрузку) следует статическую несущую способность увеличить на ¹/₃:

М_кmax= 1,33 М_к.                                             (10)

М_кmax= 1,33 ∙ 445 = 592 кг.

Округлив до ближайшего большего значение несущей способности шины (табл. 2), предварительно получили индекс 90 (600 кг).

1. Категория скорости автомобильных шин (из правила ЕЭК ООН № 30)

2. Индексы грузоподъемности автомобильных шин (из правила ЕЭК ООН № 30)

Таким образом, предварительно примем шины 205/55R16 Н90.

Номинальный радиус шин определим по формуле

,                              (11)

где d – посадочный диаметр шины, дюйм; В_ш – ширина профиля шины, мм;  Δ – профиль шины, %.

 м.

Статический радиус шин определим по формуле

,                                (12)

где λ_см – коэффициент смятия шины. λ_см = 0,8 для шин профиля 90 % и более, λ_см = 0,85 для шин профиля 55 % и менее. Для промежуточных профилей значения λ_см находим интерполированием.

 м.

Динамический радиус определим по формуле

.                                     (13)

.

Полная характеристика колес (дисков) автомобиля в базовой комплектации 6,5J´16 PCD 5/108 ET 52,5 (приводится для справки, в курсовой работе не используется):

6,5 – посадочная ширина шины в дюймах;

J – тип закраины диска (наиболее широко распространенный на колесах легковых автомобилей, высота закраины 17,8 мм);

´ – обод глубокий, неразборный;

16 – посадочный на колесо (диск) диаметр шины, в дюймах;

PCD 5/108 – 5 крепежных отверстий на диаметре 108 мм;

ET 52,5 – «вылет диска» – расстояние от вертикальной продольной плоскости симметрии шины до привалочной к ступице плоскости колеса. Вылет диска определяет устойчивость автомобиля против заноса при торможении на неоднородном дорожном покрытии, а также сильно влияет на ресурс подвески и подшипников ступиц.

Сила сопротивления воздуха

Аэродинамическое сопротивление автомобиля оценивается двумя его характеристиками: коэффициентом обтекаемости с_х и площадью миделева (поперечного) сечения автомобиля А. Эти составляющие силы сопротивления воздуха трудно определяются аналитически. Поэтому на практике нашла применение эмпирическая формула, имеющая для диапазона скоростей движения, характерного для реального автомобиля, следующий вид:

F_w = 0,5 ∙ с_х ∙ А ∙ ρ_w ∙ V ²,                                          (15)

где с_х – коэффициент обтекаемости; ρ_w – плотность воздуха ρ_w = 1,202…1,225 кг/м³; А – площадь миделева сечения автомобиля, м²; V – скорость встречного потока воздуха (скорость автомобиля), м/с.

Площадь миделева сечения определяют

А = α_А ∙ В_г ∙ Н_г,                                              (16)

где α_А – коэффициент заполнения миделева сечения. Принимают α_А = 0,78…0,8.  В_г – габаритная ширина автомобиля без учета выступающих наружных зеркал заднего вида, м; Н_г – габаритная высота автомобиля (без учета антенн, фар на крыше, рейлингов и т. п.), м.

Расчет мощности двигателя

В техническом задании на проектирование автомобиля приведены два параметра, которые влияют на итоговую мощность двигателя: максимальная скорость V_max автомобиля и его динамический фактор D на прямой передаче при расчетной загрузке. Необходимую для обеспечения этих параметров мощность рассчитаем по независимым методикам, а затем выберем большую из двух полученных мощностей, так как именно эта бóльшая мощность двигателя обеспечит выполнение обоих заданных параметров (при этом один из них будет «перевыполнен»).

Типовая методика

Методика дает приемлемый результат при расчете карбюраторных слабо форсированных двигателей (степень сжатия менее 6) с ненастроенной выхлопной системой (для современных автомобилей не подходит).

В основе всех методик лежит предположение, что у нового двигателя форма (но не численные значения) кривых зависимостей внешней скоростной характеристики (ВСХ) будет такая же, как и у прототипа.

Порядок расчета.

1. Находим скорость автомобиля V_D, на которой должна быть обеспечена требуемая динамика автомобиля, характеризуемая динамическим фактором D, приведенным в задании на проектирование автомобиля. При этом предполагается, что автомобиль движется на прямой передаче в КП, а угловая скорость коленчатого вала двигателя соответствует оборотам максимального крутящего момента :

,                                             (19)

где K_ω – коэффициента приспособляемости по угловой скорости

;        ,                          (20)

где ω_р – номинальная угловая скорость двигателя (угловая скорость коленчатого вала при максимальной мощности двигателя), с^–1; K _Т – коэффициента приспособляемости по моменту; Т _max– максимальный крутящий момент двигателя, Н∙м; Т_р – крутящий момент при максимальной мощности двигателя, Н∙м.

2. Находим мощность (не максимальную!), которую должен развить двигатель, для обеспечения заданной динамики D на скорости V_D (при этом угловая скорость двигателя будет равна ):

.                     (21)

Расшифровку входящих параметров (кроме упомянутых выше D и V_D) см. зависимость (18).

3. По коэффициентам приспособляемости прототипа находим коэффициенты a , b , c полинома третьей степени, описывающего кривую зависимости мощности двигателя от относительной угловой скорости двигателя ω_е/ω_р:

;                               (22)

;                                   (23)

.                                      (24)

Корректность расчета коэффициентов a , b , c проверяем следующим равенством

a + b + c = 1.                                      (25)

4. Максимальную мощность двигателя рассчитываем, используя упомянутый выше полином третьей степени

.         (26)

Типовая упрощенная методика

Частный случай типовой методики. В основе упрощенной методики лежит предположение, что двигатель прототипа характеризуется коэффициентами приспособляемости K_ω = 2 и K_T = 1,25, при которых коэффициенты полинома (26) a = b = 1, c = –1, что характеризует (очень приближенно) нефорсированный двигатель с карбюратором старой конструкции с не настроенной на резонанс выхлопной системой.

По типовой упрощенной методике зависимость (19) принимает вид

.                                   (27)

Р _D рассчитывают по зависимости (21), а зависимость (1.26) резко упрощается

.                         (28)

Новая методика

Необходимость в разработке новой методики возникла из-за того, что зависимости мощности и крутящего момента от угловой скорости современных двигателей невозможно с приемлемой для практики точностью описать полиномами даже шестой степени, не говоря уж о полиноме третьей степени, применяемого в типовой методике. Новые двигатели имеют системы изменения фаз газораспределения (VVTi , DualVVTi , VTEC и т.п.), широко применяют компрессоры и/или турбины во впускном коллекторе, непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания, изменяют степень сжатия в камерах сгорания. Все эти системы сильно влияют на форму кривой крутящего момента, делая ее практически горизонтальной и спрямленной в большей части рабочего диапазона угловых скоростей. Полином такой зависимости становится чрезвычайно громоздким и неприемлемым.

Сущность новой методики заключается в подборе такого двигателя, который бы при движении автомобиля на прямой передаче в КП на скорости V_D = 70…90 км/ч обеспечивал бы возможность разгона с ускорением, характеризуемым динамическим фактором D, указанным в задании на проектирование автомобиля. Именно на скоростях 70…90 км/ч важна разгонная динамика автомобиля, так как она влияет на безопасность обгонов.

Как и по типовой методике, расчет выполняется в два этапа.

Порядок расчета.

1. Для отыскания угловой скорости двигателя при скорости автомобиля V_D на прямой передаче в КП необходимо составить пропорцию, предполагая, что на максимальной скорости автомобиля двигатель будет иметь угловую скорость, равную угловой скорости при максимальной мощности ω_р (часто называемой номинальной):

.                                        (29)

 с^–1.

Значение 283 с^–1 (2702 об/мин) не удобно для дальнейшей обработки (см. ниже табл. 5). Примем ближайшее «круглое» (при отображении в размерности об/мин) значение угловой скорости 262 с^–1 (2500 об/мин). Тогда

.   м/с = 83,4 км/ч.

2. Вычисляем мощность двигателя P_D, необходимую для начала разгона с динамическим фактором D со скорости V_D. Расчет ведется по формуле (21):

56209 Вт.

Таким образом, для того, чтобы автомобиль показал заданную динамичность на скорости 83,4 км/ч, необходим двигатель, развивающий мощность чуть более 56 кВт при угловой скорости 262 с^–1.

3. Далее определим максимальную мощность  при ω_р двигателя, развивающего мощность P_D при угловой скорости ω_D.

Так как разработкой и изготовлением двигателей чаще занимаются поставщики автокомпонентов, то выбираем двигатель по каталогам продукции этих поставщиков. При этом по ВСХ предлагаемого производителями двигателя подбираем такой, у которого бы его мощность при угловой скорости ω_D  была бы равна или чуть больше рассчитанной P_D (ω_D рассчитывается по (29) для каждого конкретного двигателя по его ω_р).

В учебных задачах для упрощения поиска двигателя допускается использование ВСХ двигателя автомобиля-прототипа

   или ,         (30)

где верхний индекс п показывает, что параметр относится к характеристикам двигателя автомобиля-прототипа;  и  мощность по ВСХ двигателя прототипа при угловой скорости соответственно ω_р и ω_D;  и  – крутящий момент по ВСХ двигателя прототипа при угловой скорости соответственно ω_р и ω_D.

5. ВСХ двигателя Ford Focus II Duratec 1,8 16V 125 л.с.*

пе, мин–1	800	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000	5500	6000	6500
ωe , с–1	84	105	157	209	262	314	367	419	471	524	576	628	681
, кВт	10,8	14	22,8	31,3	39,8	48	57	67	75	77	77,5	78	75
, Н∙м	129	134	145	149	152	153	156

160