Лабораторно-дорожные испытания тягово-динамических свойств автомобиля

Лабораторно – дорожные испытания

Тягово-динамических свойств автомобиля

Методические указания к лабораторной работе по курсу

«Эксплуатационные свойства автомобиля»

для студентов направления 19060 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Тольятти 2011

Черепанов Л.А., Прокопьев М.В.

Методические указания по лабораторно-дорожным испытаниям тягово-динамических свойств автомобиля. Тольятти: ТГУ. – 2011. 17с. Табл.1, рис.3

Приведены теоретические основы расчета тягово-динамических свойств автомобиля и методика экспериментально-теоретического определения коэффициентов сопротивления качению и аэродинамического сопротивления, и расчета внешней скоростной характеристики двигателя и максимальной скорости автомобиля.

Для студентов направления 19060 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Утверждено научно-методическим советом АМИ ТГУ.

Тольяттинский государственный университет

Автомеханический институт, 2011

Лабораторно-дорожные испытания тягово-динамических свойств автомобиля

1.Цель работы

Освоить методику проведения дорожных испытаний автомобиля, определить параметры, характеризующие сопротивление движению и тяговые свойства автомобиля, рассчитать внешнюю скоростную характеристику двигателя и максимальную скорость автомобиля.

2. Теоретические основы расчета тягово-динамических свойств автомобиля

Характер движения автомобиля определяется суммой всех внешних сил, действующих на него. Примем для упрощения, что автомобиль движется прямолинейно по ровной дороге без бокового уклона и ветра. Тогда на автомобиль будут действовать следующие продольные силы: сила сопротивления качению F_к. При движении по дорогам с твердым покрытием эта сила обусловлена потерями энергии на деформацию шины:

(1)

где - коэффициент сопротивления качению колеса;

- сила нормального давления, Н;

- вес автомобиля, Н;

- угол подъема дороги.

Вес автомобиля

(2)

где - масса автомобиля;

- ускорение свободного падения (9.81 м/с² )

Рис.1. Схема сил, действующих на автомобиль

При малых углах подъема дороги

(3)

Коэффициент сопротивления качению зависит от скорости автомобиля V_a м/с:

(4)

где - коэффициент сопротивления качению при малых скоростях (< 50 км/ч)

Сила сопротивления подъему автомобиля F_п при движении под уклон направлена по ходу движения:

(5)

Поскольку встречающиеся уклоны на равнинной местности невелики, принимается уклон дороги

Тогда . При движении на подъем она положительная.

Сила сопротивления воздуха F_в существенно влияет на тягово-скоростные свойства автомобилей, особенно при высоких скоростях движения:

(6)

где С_x - коэффициент аэродинамического сопротивления;

- плотность воздуха, кг/м³;

- лобовая площадь (площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля), м²;

- скорость автомобиля, м/с.

Коэффициент С_x увеличивается при установке на автомобиль дополнительных фар, антенн, наружного зеркала, багажника и др. Лобовая площадь для легковых автомобилей может быть приближенно вычислена по габаритной ширине В_г и высоте автомобиля Н_г.

(7)

Сила тяги на колесах F_т автомобиля определяется мощностью двигателя и передаточным числом в коробке передач и главной передаче:

(8)

(9)

(10)

где - крутящий момент двигателя, Н*М;

- КПД трансмиссии;

- передаточные числа коробки передач и главной передачи;

- динамический радиус колеса, м;

- мощность двигателя, Вт;

- угловая частота вращения коленчатого вала, рад/с;

Ускорение автомобиля положительно, если сила тяги превышает общую силу сопротивления движению. Величина ускорения зависит не только от массы автомобиля, но и от момента инерции вращающихся масс: колес, двигателя, на раскручивание которых расходуется часть мощности двигателя.

Эти массы учитываются коэффициентом вращающихся масс :

(11)

Где - момент инерции одного колеса, кг*м²;

- момент инерции вращающихся масс двигателя, кг*м².

Тогда общее уравнение движения автомобиля будет иметь вид

(12)

где - ускорение автомобиля, м/с2.

Для определения коэффициента сопротивления качению проводится выбег автомобиля с малой скорости (10-15 км/ч) – свободное качение до полной остановки. Уравнение движения имеет вид.

(13)

Тяговой силы нет, сопротивление воздуха на малой скорости практически отсутствует. Раскроем формулу (13):

(14)

При движении автомобиля на подъем

(15)

При движении автомобиля под уклон

(16)

Из этих формул определяется коэффициент сопротивления качению и уклон дороги:

(17)

(18)

Ускорение (замедление) автомобиля определяется экспериментально.

Для вычисления коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля производится его выбег с большой скорости (100 км/ч), когда сопротивление воздуха достаточно велико. С_x определяется по замедлению (ускорение со знаком “-“) автомобиля при заданной скорости V_a м/с, из уравнения движения.

(19)

Откуда

(20) где - имеет минус при замедлении;

- при движении на подъем берется с плюсом.

Сила сопротивления качению рассчитывается по формулам (3) и (4) с учетом поправки на скорость.

По известной характеристике двигателя и найденным значениям , , могут быть определены скорости и ускорения автомобиля при любом заданном режиме движения. По ускорению автомобиля в режиме интенсивного разгона может решаться обратная задача – определение внешней скоростной характеристики двигателя (зависимость мощности и крутящего момента двигателя от угловой частоты вращения коленчатого

вала , рад/с. Для этого используется общее уравнение движения автомобиля (12). Сила тяги на ведущих колесах рассчитается как

(21)

По силе тяги мощность и момент двигателя определяются по формулам (8), (9) и (10). Зависимость между скоростью автомобиля

V_a, м/с и частотой вращения двигателя , рад/с имеет вид

(22)

Максимальная скорость автомобиля на высшей передаче может быть определена из общего уравнения движения, если ускорение и угол подъема дороги приравнять нулю:

(23)

Это уравнение является квадратичным по V_a. Скорость автомобиля удобнее определять графически с использованием формулы баланса мощности.

(24)

Строится график мощности сопротивления движению и мощности на ведущих колесах автомобиля на высшей передаче в осях N и V_a

Рис.2. Мощностной баланс на высшей передаче

Обычно при максимальной скорости мощность двигателя не максимальна, поэтому автомобиль в данных условиях мог бы двигаться с несколько большей скоростью при передаточном числе трансмиссии

(25)

Где - частота вращения двигателя при максимальной мощности, рад/с.

2.1. Исходные данные для расчета автомобиля

Масса снаряженного автомобиля - 900 кг.

Полезная масса - 425 кг.

Лобовая площадь - 1.8 м².

Статический радиус шин - 0.26 м.

Передаточные числа коробки передач и главной передачи:

U₁=3, 636

U₂=1, 95

U₃=1, 357

U₄=0, 941

U₅=0, 784

U_ГЛ=3, 94

Момент инерции одного колеса =0, 7 кг*м²

Момент инерции вращающихся масс двигателя =0, 09 кг*м²

Плотность воздуха =1, 293 кг/м³

Коэффициент полезного действия трансмиссии =0, 92

2.2 Перевод величин в систему СИ

Скорость Va (м/с) = Va (км/ч)/ 3, 6

Угловая частота (рад/с) = (об/мин)/30

Момент Mg (н*м) = 9, 8 * Mg (кГс*м)

Мощность Ng (Вт) = 736 * Ng (л.с.)

3. Объект исследования и измерительная аппаратура

Для испытания используется легковой автомобиль ВАЗ 2108, оборудованный “пятым” колесом и комплексом измерительных приборов «путь-время-скорость».

4. Методика проведения работы и обработка результатов

4.1Автомобиль при испытаниях должен находиться в технически исправном состоянии.

4.2 Испытание проводится в сухую безветренную погоду.

4.3 Для испытаний выбирается горизонтальный (или почти горизонтальный) участок шоссе с асфальтобетонным покрытием в хорошем состоянии. Длина участка должна быть не менее 500 метров.

4.4 Для определения сопротивления качению производится выбег автомобиля со скорости 10 км/ч до полной остановки с отключенным двигателем. Выбег проводится в обе стороны на размеченном участке длиной 50 м. В начале участка при скорости 10 км/ч отключается двигатель и записывается цифропечатающим устройством скорость, время и путь выбега с интервалом записи 1 с.

4.5 При движении автомобиля все окна должны быть закрыты.

4.6 Определение коэффициента аэродинамического сопротивления производится путем записи скорости и времени выбега со скорости 100 км/ч. Для этого размечается участок дороги длиной 250 м. При пересечении границы участка отключается двигатель и производится запись с скорости с интервалом 0, 5 с в течении 10 с. Выбег проводится в обе стороны. Давление в шинах не изменяется и составляет 2 кг/см2.

4.7 Разгон автомобиля с максимальной интенсивностью проводится при полной массе автомобиля 1200 кг и давлении в шинах 2 кг/см2. Начальная точка разгона отмечается на дороге. Разгон производится раздельно на каждой передаче. На выбранной передаче автомобиль подъезжает на минимально устойчивой скорости к точке начала разгона, затем включается запись скорости и времени разгона и водителем полностью открывается дроссельная заслонка. Запись показаний при разгоне на I или II передачах через 0, 5 с на III и IV- через 1 с. Начальная скорость разгона на I передаче – 4 км/ч, на II – 8 км/ч, на III – 20 км/ч, на IV – 35км/ч. Разгон производится до достижения двигателем максимальных оборотов. На IV передаче разгон идет до скорости не более 120 км/ч. Ориентировочный путь разгона на I передаче – 30 м, на II – 150 м, на III – 500 м, на IV – 1200 м.

4.8 Все заезды, отличающиеся между собой значениями факторов, направлением или режимом движения, повторяются 3…4 раза.

4.9 Обработка результатов в каждом заезде сводится к определению ускорения (замедления) автомобиля. При выбеге с малой и большой скоростей замедление определяется для одного значения средней

скорости по 10 соседним точкам. На плоскости с координатами Va и t (время) наносятся все экспериментальные значения (рис.3).

Отбрасываются те участки, которые имеют явно выскакивающие точки по скорости или по времени.

По 10-15 соседним точкам рассчитывается среднее ускорение (замедление) автомобиля при скорости Vср:

(26)

(27)

(28)

где N – количество точек.

V_a

A

V_A * V1, t₁

* V2, t₂

V3, t3 *

Vср * V4. t₄

*

* Vi, t_i

*

Vв

* V10, t₁₀

Б

0 t

t_A tср t_Б

Рис.3. Экспериментальные значения скорости и времени движения

По указанию преподавателя расчет замедления может быть проведён графическим путём. Для этого через экспериментальные точки (рис.3.) проводится прямая АБ таким образом, что бы все точки находились на минимальном расстоянии от нее. Замедление автомобиля есть тангенс угла наклона прямой АБ:

(29)

4.10 При разгоне автомобиля с максимальной интенсивностью обработка результатов заключается в определении зависимости ускорения автомобиля от скорости. По этим данным затем рассчитываются тяговая сила, момент и мощность двигателя. Сначала строится график разгона.

В координатных осях скорость-время наносятся экспериментальные точки. Определяются выскакивающие значения и обрабатываются. Оставшиеся точки делятся на 6…10 частей горизонтальными прямыми, пересекающими ось скорости и делящими её на 6….10 равных отрезков в интервале от минимальной до максимальной скорости.

В каждой группе точек определяется Vср по формуле (26) и ускорение jср по формуле (28) или графически. Результаты расчётов сводятся в табл.1.

Таблица 1

Рассчитываются силы сопротивления качению F_К, подъем (спуску) F_П, воздуха F_В, мощность сопротивления движению по горизонтальному шоссе:

(30)

Сила инерции

(31)

Сила тяги F_Т, момент двигателя M_g и мощность двигателя Ng рассчитываются по формулам (21), (8), (10). По результатам расчета строится внешняя скоростная характеристика двигателя – зависимость мощности Ng и момента Мg от частоты вращения двигателя . Определяется максимальная мощность двигателя. Затем строится зависимость мощности на ведущих колесах автомобиля, (определяемая как произведение мощности Ng двигателя и коэффициента полезного действия трансмиссии) и мощности сопротивления Nc от скорости движения автомобиля. По точке их пересечения определяется максимальная скорость автомобиля (рис.2).

5.Порядок проведения работ

5.1. Определить по номеру варианта (приложение I) характеристики заездов (давление воздуха в шинах, масса автомобиля, направление движения), которые выполняются каждым студентом на всех этапах работы.

5.2. Провести исследование выбега автомобиля с скорости 10 км/ч и записать на ленту печатающего устройства параметры движения.

5.3. Провести исследования автомобиля со скорости 100 км/ч и записать параметры выбега.

5.4. Провести исследование движения автомобиля в режиме интенсивного разгона на указанной передаче и записать параметры движения.

5.5 Рассчитать коэффициент сопротивления качению и угол подъема дороги по результатам выбега с малой скоростью.

5.6. Рассчитать коэффициент аэродинамического сопротивления C_X.

5.7. Рассчитать ускорение как функцию скорости автомобиля по результатам разгона и заполнить табл.1.

5.8. Рассчитать внешнюю скоростную характеристику двигателя и определить максимальную скорость автомобиля.

5.9. Оформить отчет.

6. Содержание отчёта

6.1. Название работы, цепь, вариант, номер группы, фамилия исполнителей.

6.2 Четыре графика зависимости скорости движения автомобиля от времени при выбеге и разгоне, соответствующих номеру варианта, график внешней скоростной характеристики двигателя и мощностного баланса автомобиля.

6.3. Графические или аналитические расчеты ускорения автомобиля.

6.4. Расчёт коэффициента сопротивления качению и уклона дороги .

6.5. Расчет коэффициента аэродинамического сопротивления.

6.6. Таблица расчёта и график, внешней скоростной характеристики двигателя.

6.7. Определение максимальной мощности двигателя и максимальной скорости автомобиля по горизонтальному шоссе.

6.8. Выводы по работе.

7. Контрольные вопросы

1. Что является движущей силой при движении автомобиля накатом?

2. Что влияет на сопротивление качению колеса? Каковы механизмы этого влияния?

3. От чего зависит коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля?

4. Как вычисляются ускорение автомобиля по результатам испытаний?

5. Какие существуют виды испытаний для определения коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля C_X?

6. В каких случаях автомобиль при движении накатом движется с постоянной скоростью?

7. Как определить мощность двигателя по результатам дорожных испытаний?

8. Сколько процентов мощности двигателя при разгоне автомобиля на первой передаче тратится на раскручивание вращающихся масс двигателя и колёс?

9. Как определить максимальную скорость автомобиля?

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель работы………………………………………………………. 3

2. Теоретические основы расчета тягово-динамических свойств автомобиля……………………………………………………….. 3

3. Объект исследования и измерительная аппаратура…………… 10

4. Методика проведения работы и обработка результатов………. 10

5. Порядок проведения работы ……………………………………. 13

6. Содержание отчета………………………………………………. 14

7. Контрольные вопросы…………………………………………… 14

8. Рекомендуемая литература……………………………………… 15

9. Приложение 1 (варианты расчета и номера заездов)………….. 16

Рекомендуемая литература

1. Гришкевич А.И. Автомобили: Теория/ Учебник для вузов – Минск.: Высш. школа, 1986 – 208 с. – 91 экз.

2. Литвинов А.С., Фаробин Я.Н. Автомобили: Теория эксплуатационных свойств/ Учебник для ВУЗов – М.: Машиностроение, 1989. – 240с.-70экз.

3. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин, – М.: Машиностроение, 1981. – 271с. – 14 экз.

4. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин, – М.: Машиностроение, 1990. – 352с. – 1экз.

5. Тарасик В.П. Теория движения автомобиля: Учебник для вузов. – СПб.: БХВ –Петербург, 2006. -478 с. – 100 экз.

Приложение 1

Варианты расчёта и номера заездов

P-давление воздуха в шинах; m_a – масса автомобиля

Номера заездов

№ вар и анта

I этап (выбег с 10 км/ч)

II этап (выбег со 100 км/ч)

III этап (разгон) P=2 кг/см2 ma = 1200 кг

P=2 кг/см2 ma = 1200 кг

P=2 кг/см2 ma = 1000 кг

P=1, 5 кг/см2 ma = 1200 кг

P=1, 5 кг/см2 ma = 1000 кг

P=2 кг/см2 ma = 1200 кг

P=2 кг/см2 ma = 1000 кг

1 переда- ча

2 переда- ча

3 передача

Черепанов Леонид Ананьевич

Прокопьев Максим Владимирович

Черепанов Л.А., Прокопьев М.В. Теория автомобиля: Методические указания к лабораторной работе «Лабораторно-дорожные испытания тягово-динамических свойств автомобиля».

Тольяттинский государственный университет

Автомеханический институт, 2011