? = fк ± i, (1.1)

де fк - коэфіцієнт опору коченню автомобіля; Значення коефіцієнта тертя кочення fк, а також коефіцієнта зчеплення колеса з дорожнім полотном ? наведено в таблиці 1.1[1].

Таблиця 1.1 - Значення коефіцієнтів тертя кочення і зчеплення

i - подовжній уклін дороги. Якщо - кут подовжнього нахилу полотна дороги, то ухил дороги (і = tg) - це підвищення її по висоті до довжини основи, на якій відбулося вказане підвищення. Позначають його символом і. Наприклад, і = 0,02; і = 2%; і = 20‰ (проміле).

Припускаючи, що легкові автомобілі і автобуси можуть розвивати максимальну швидкість по горизонтальній дорозі (і =0), коефіцієнт опору дороги у цьому випадку дорівнює коефіцієнту опору кочення, тобто :

? = fк . (1.2)

При зростанні швидкості більше 60…80 км/год коефіцієнт опору коченню зростає і визначається за емпіричною формулою :

fк = f0• ( 1 + V2 max / (2• 104 ), (1.3)

де Vmax - максимальна швидкість руху автомобіля, км/год.;

f0 - коефіцієнт опору коченню автомобіля при швидкостях, менших 60…80 км/год. Для доріг з твердим покриттям f0 = 0,015….0,03. Приймемо для чисельних розрахунків (асфальтове шосе) f0 =0,022.

Тоді

При тягових розрахунках вантажного автомобіля величину коефіцієнта опору кочення збільшують в 1,44… 1,6 рази, тобто

? =( 1,44…1,6)· fк , (1.4)

чим забезпечується можливість долання незначних підйомів з максимальною швидкістю, а також для поліпшення тягових властивостей автомобіля з причепом.

Прийнявши величину коефіцієнта запасу рівним 1,6, знаходимо при чисельному розрахунку для руху автомобіля з максимальною швидкістю:

? =1,6·0,025=0,04.

За умови руху автомобіля в найгірших дорожніх умовах (грунтова дорога після дощу, підйом ?=120) приймаємо згідно з рекомендаціями [5]:

V= 5 км/год. = 1,38 м/с; fкmax= 0,05; і = tg(120) = 0.213.

Максимальний коефіцієнт сумарного опору дороги визначається за формулою:

?max = fкmax ± i, (1.5)

Чисельно:

?max = 0,05 + 0,213 =0,263.

Максимальне значення коефіцієнта опору ? max приймають :

- для вантажних автомобілів високої прохідності ? max = 0,60…0,70;

- для автомобілів підвищеної прохідності ? max = 0,45…0,55;

- для інших вантажних автомобілів та автобусів ? max = 0,35…0,45;

- для легкових автомобілів, а також вантажних автомобілів та автобусів, призначених для міжміських сполучень ? max = 0,25…0,30.

1.2.2 Визначення спорядженої і повної мас автомобіля і їх розподілу по осях

Припустимо, що задано повну масу автомобіля Ма = 7200 кг.

Оціночним показником конструкції автомобіля є коефіцієнт використання маси , який визначається за формулою:

, (1.6)

де Ма - повна маса автомобіля;

M0 -споряджена маса автомобіля; складається з сухої маси автомобіля та маси палива, охолоджувальної рідини, запасного колеса ( коліс), інструмента, обов'язкового обладнання;

Мв - вантажопідйомність автомобіля.

Коефіцієнт використання маси сучасних вантажних автомобілів наближається в середньому до одиниці, причому для автомобілів великої вантажопідйомності цей коефіцієнт має більш високе значення, ніж для автомобілів середньої або малої вантажопідйомності.

Для легкових автомобілів і автобусів залежить від класу автомобіля і знаходиться в межах: = 0,2 … 0,8.

У нашому випадку чисельні значення:

M0 = Ма - Мв = 1430 - 400 = 1030 кг.;

Для легкових автомобілів і автобусів пасажиромісткість перераховують у вантажопідйомність і далі визначають повну масу за формулою:

Ma = M0 + Mв + (mp + mб)·N сум,

де mp - розрахункова маса пасажира. Приймають у розрахунках mp = 75 кг.;

mб - розрахункова маса ручного багажу. Приймають mб = 10 кг.;

N сум - сумарна кількість пасажирів включно з водієм.

Для визначення маси спорядженого вантажного автомобіля пропонується також формула [1]:

М0 = q • Мв (1.7)

де q - коефіцієнт тари, який визначається за допомогою одного з наступних поліномів:

q = 1,613 - 5,565 • 10-4 · Мв + 1,398• 10-7 ·М2в - 1,800• 10-11· М3в +

+1,145 • 10-15· М4в - 2,852• 10-20·М5в ; (1.8)

q = 1,529 - 4,317 • 10-4· Мв + 8,261• 10-8 ·М2в - 7,034• 10-12·М3в +

+2,187 • 10-16· М-16в, (1.9)

Для повноприводних вантажних автомобілів з колісною формулою 4х4 коефіцієнт тари можна приймати q= 1,6…1,7, з колісною формулою 6Х6 - q = 1,4….1,5, з колісною формулою 8Х8 q = 1,3….1,4.

Розподіл мас по осях автомобілів визначають, виходячи з того, що в існуючих конструкціях значення мас, які приходяться на ведучі осі, становить (індекси 2,3 відносяться до ведучих коліс) [1]:

- у двовісних вантажних автомобілів з кабіною за двигуном, а також у автобусів капотного компонування на шасі вантажних автомобілів :

М2 = ( 0,70 …0,75) Ма ;

- у двовісних вантажних автомобілів з кабіною над двигуном та із здвоєними колесами задньої осі, а також у двовісних автобусів вагонного компонування :

М2 = ( 0,65 …0,70) Ма ;

- у двовісних вантажних автомобілів з кабіною над двигуном та з одинарними колесами задньої осі:

М2 = ( 0,55 …0,60) Ма ;

- у двовісних вантажних автомобілів напівкапотного компонування із здвоєними колесами задньої осі, а також автобусів на їх базі :

М2 = ( 0,67 …0,68) Ма ;

чисельний розрахунок: М2 = 0,68·7200= 4900 кг; G2 = 4900·9,8 =48030 H.

- у двовісних вантажних автомобілів напівкапотного компонування з одинарними колесами задньої осі, а також автомобілів на їх базі:

М2 = ( 0,56) Ма ;

- у тривісних вантажних автомобілів як капотного, так і безкапотного компонування із здвоєними колесами задніх осей :

М2 + М3 = ( 0,75…0,78) Ма ;

- у тривісних вантажних автомобілів з колесами задніх осей

М2 + М3 = ( 0,68…0,74) Ма ;

- у задньоприводних легкових автомобілів та автобусів на їх базі :

М2 = ( 0,50 …0,56) Ма ;

- у передньоприводних легкових автомобілів та автобусів на їх базі :

М1 = ( 0,51 …0,56) Ма.

При балансирній підвісці середнього та заднього мостів тривісних автомобілів значення мас на середню та задню вісь приймають однаковими :

М2 = М3.

При проектуванні вантажного автомобіля або автобуса після визначення навантажень на осі може виникнути необхідність уточнення кількості осей згідно з допустимим навантаженнями на осі, передбаченими ДСТУ «Засоби транспортні дорожні. Маси та габарити» ( таблиця 1.2).

Таблиця 1.2 - Осьова маса та статичне осьове навантаження коліс однієї осі транспортних засобів на опорну поверхню

У нашому випадку осьова маса М2 = 774 кг. Отже автомобіль відноситься до легкових автомобілів з допустимою осьовою масою 1000 кг. У якості прототипу приймемо автомобіль ВАЗ 2103, маси і їх розподіл у якого співпадають з нашими розрахунковими значеннями.

1.2.3 Вибір шин

Шини для автомобіля вибирають, виходячи з його призначення, найбільшого навантаження Gкmax, що припадає на одне колесо автомобіля відповідно до визначених навантажень на його осі, та допустимих згідно з технічними характеристиками шин навантажень на них. При цьому враховують відповідність швидкісних характеристик шин максимальній швидкості автомобіля, вказаній у завданні.

Навантаження на одне колесо будь-якої осі становить:

Gкi = Gi /nкi, (1.11)

де Gкi = Mki·g, Gi = Mi ·g - відповідно навантаження на к - те колесо і - тої осі;

і - номер осі;

nкi - кількість коліс, встановлених на осі (кожне здвоєне колесо враховується як два колеса).

Інколи навантаження, що доводиться на одну шину, знаходять як середнє значення по автомобілю за формулою:

, (1.12)

де: Мa - повна маса автомобіля, кг;

m - кількість шин на автомобілі.

Прийнявши на задній осі автомобіля здвоєні колеса, знаходимо значення середнього навантаження на шину:

Н.

Згідно з прототипом вибираємо шини 175/70SR13.

Характеристики шин для легкових, вантажних автомобілів та автобусів наведено і відповідних державних стандартах або технічних умовах на шини.

Умовні позначки на бічній поверхні шини вказують на її параметри : В - ширина, Н -висота її профілю, посадковий d і зовнішній D діаметри покришки.

Більшість вітчизняних шин мають позначення розмірів у мм ( у дужках - розміри в дюймах).

Наприклад, В - d> 170 - 380 ( 6,70 - 15).

Інколи зустрічається у позначеннях сполучення.

Наприклад, D Х В - d > 1200 Х 500 - 508.

У шин вантажних автомобілів відношення висоти профілю до його ширини (с = Н/В) знаходиться в наступних межах: звичайні шини - с = 1,0 … 1,1; широкопрофільні шини - с = 0,50 … 0,85, арочні шини -с = 0,30… 0,45.

Індекси швидкості вказують на максимальні швидкості руху автомобіля з даними шинами. Вони позначаються латинськими буквами : L - до 120 км/год; P - до 150 км/год; Q - до 160 км/год; S - до 180 км/год.

Індекси вантажопідйомності вказують на максимальне навантаження на шину:

75> 3870Н ; 85 > 5750 Н ; 103 > 8750Н.

Важливим показником автомобільної шини є її радіус. Розрізняють наступні радіуси :

- номінальний rн ( вказано у маркуванні шини) ;

- вільний rо - радіус шини з номінальним внутрішнім тиском повітря і за відсутності навантаження на колесо;

- статичний rс - відстань від геометричної осі колеса до його опорної поверхні при дії лише вертикального навантаження;

- динамічний rд - відстань від геометричної осі колеса до його опорної поверхні при його коченні;

- кінематичний rк - відстань від геометричної осі колеса до миттєвого центра його обертання.

Статичний радіус визначається за формулою :

rс = 0,5 d + ?z • Н=0.5*0.26+0.89*0.13=0.25 м (1.13)

де d - внутрішній діаметр шини;

?z = 0,88…0,92 (менші значення беруть для легкових автомобілів, більші - для вантажних і автобусів).

При виконанні тягового розрахунку орієнтовне значення радіуса rк колеса можна визначити також по емпіричній формулі:

rк = 0,5 d + В (1 - ?)=0.5*0.26+0.15*0.88=0.26 м (1.14)

де d - внутрішній діаметр шини;

? - коефіцієнт, що враховує вертикальну деформацію шини.

Для стандартних і широкопрофільних шин: ? = 0,1…0,16, для арочних шин і пневмокатків: ? = 0,2…0,3. Також часто приймають rк= rс.

Згідно з прототипом для шин 175/70SR13 статичний радіус шини становить rс = 0,25 м.

1.2.4 Геометричні параметри автомобіля

Орієнтуючись на існуючі конструкції, вибирають основні геометричні параметри автомобіля: габаритні розміри (довжина La, ширина Ba, висоту Ha), базу L (для двовісного автомобіля) або базу L та l ( для тривісного автомобіля), колію В1 та В2 кожного з мостів.

При виборі габаритних розмірів автомобіля, що проектується, слід враховувати вимоги ДСТУ «Засоби транспортні дорожні. Маси та габарити» ( таблиця 1.3).

Таблиця 1.3 - Максимальні габаритні розміри автотранспортних засобів

База двовісного автомобіля L - відстань між його осями, тобто між геометричними осями обертання коліс відповідно переднього і заднього мостів.

Для автомобіля, що має більше двох мостів, розглядають поняття «бази», наприклад, для тривісного автомобіля - відстані між передньою і середньою та середньою і задньою осями.

Колія - відстань між центральними площинами обертання коліс одного мосту.

Координати центра мас по базі a та b ( рис. 1 а) двовісного ( рис. 1 а) та тривісного ( рис. 1 б) автомобіля :

Рисунок 1- Схема до визначення центра мас автомобілів

a = М2 L / Ма=774*2.424/1430=1.112, м (1.15)

b = L - a=2,424-1,112=1.312 м (1.16)

Висоту центра мас hg приймають у межах ( 0,7 …0,8) м для легкових автомобілів та ( 0,9…1.1) м - для вантажних автомобілів і автобусів.

1.2.5 Визначення аеродинамічних характеристик

Для визначення величини сили опору повітря використовують формулу:

, (1.29)

де nN - частота обертання колінчастого вала двигуна при максимальній

(Nemax= Nmax) потужності;

Ne і ne - поточне значення потужності і частоти обертання колінчастого вала.

При побудові графіків, слід задатися 6…8-мома значеннями частоти обертання ne в діапазоні від nmin до nvmax. Мінімальну стійку частоту обертання колінчастого вала приймають рівною: для бензинових двигунів - nmin = 800хв-1; для дизелів - nmin = 600хв-1.

Частоту обертання колінчастого вала при максимальній швидкості (nvmax) знаходять залежно від вибраного значення коефіцієнта швидкохідності за формулою: nVmax = ? • nN. Значення ефективного моменту Ме двигуна (Н·м) визначається за формулою:

Me = 9550 (Ne / ne). (1.30)

Поточні значення питомого ge ( г/кВт·год) і погодинного Gт ( кг/год) витрат палива можна визначити за формулами:

, (1.31)

де gN - ефективна витрата палива при Nemax (г/кВт·год); для бензинових двигунів: gN = (250…350), г/кВт·год; для дизелів: gN = (215…285), г/кВт·год;

Gт = Ne ge 10-3. (1.32)

Прийнявши для чисельних розрахунків мінімальні оберти колінчастого вала nmin = 800хв-1, номінальні (при максимальній потужності) - nN = 2400 хв-1 і максимальні для не завантаженого автомобіля - nmах = 2600хв-1, а = b = с = 1, gN = 255 г/кВт·год (за прототипом) проводимо розрахунки, результати яких заносимо в таблицю 1.5.

Таблиця 1.5 - Параметри зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

За даними таблиці. 1.5 будується зовнішня швидкісна характеристика двигуна: графіки Ne = f(ne); Ме = f(ne); ge = f(ne); Gт = f(ne)

Загальний вигляд зовнішньої швидкісної характеристики наведено на рисунку 1.2.

Рисунок 1.2 - Зовнішня швидкісна характеристика двигуна

Із швидкісної характеристики визначається також коефіцієнт пристосованості двигуна за відношенням:

(1.33)

Розрахункові значення К для бензинових двигунів знаходяться в межах

К = 1,25…1,35.

1.2.8 Визначення робочого об'єму циліндрів двигуна

Приймемо за прототипом (можна приймати за результатами теплового розрахунку двигуна) діаметр поршня D = 110 мм, хід поршня S =125 мм, кількість циліндрів двигуна і = 8.

Тоді робочий об'єм (літраж) Vh циліндрів двигуна визначаємо за формулою:

л (1.34)

де ? - число тактів робочого процессу; ? =4.

Чисельний розрахунок:

л.

Розрахунок літражу двигуна можна також провести за формулою:

л (1.35)

де Neмах - максимальна потужність двигуна в кВт;

ре - середній ефективний тиск, МПа;

ne - частота обертання колінчастого вала двигуна при максимальній потужності, хв.-1.

Взагалі обчислення робочого об'єму циліндрів двигуна можна здійснювати, виходячи з різних режимів роботи двигуна, наприклад, при Nemax або Мemax. Значення Ne, ne і ре повинні відповідати вибраному режиму роботи двигуна.

Наприклад, середній ефективний тиск ре в МПа при Мmax може мати наступні значення: чотиритактний - ре=0,59…0,68 МПа, двотактний - ре = 0,49…0,69 МПа; дизель: чотиритактний - ре= 0,54…0,72 МПа, двотактний - ре = 0,44…0,64 МПа. Приймемо для чотиритактного ре= 0,6МПа.

Для вибраного значення ре у формулу (1.35) підставимо значення Ne і nе, відповідні максимальному крутному моменту Мmax = 537, 19 Нм . Значення вказаних параметрів параметри визначаються за допомогою, побудованою вище, зовнішньої швидкісної характеристики або з таблиці 1.5.

Чисельний розрахунок робочого об'єму циліндрів двигуна:

, л.

Приймаємо за прототипом л.

1.2.9 Визначення параметрів трансмісії автомобіля

Передавальне число головної передачі визначають за умови забезпечення заданої максимальної швидкості автомобіля Vmax (в м/с) при прийнятому значенні nmax за формулою:

, (1.36)

де i0 - передавальне число головної передачі;

rк - радіус колеса, м; для чисельного розрахунку rк = 0,358 м;

iкв - передавальне число КП на вищій ступені; приймаємо iкв =1;

iд - передавальне число вищої ступені додаткової передачі (роздавальна коробка, демультиплікатор); iд =1(відсутні);

is - ковзання гідротрансформатора. Якщо в гідротрансформаторі передбачено блокування, а також у випадку вживання трансмісії механічного типу, коли гідротрансформатор відсутній, is = 1. На вищому швидкісному режимі is = 0,97… 0,98. Якщо в трансмісії автомобіля не передбачена прискорювальна передача, то вищою є пряма передача, а iкв = 1. За наявності прискорювальної передачі приймають iкв = 0,75…0,85. Передавальне число вищої ступені додаткової передачі вибирають у межах iд = 1,0…1,5 [2].

Чисельний розрахунок:

Приймаємо

Передавальне число КП на першій передачі визначається з умови можливості подолання автомобілем при рівномірному русі заданого максимального дорожнього опору ?max.

Передавальне число КП на першій передачі визначають за формулою:

, (1.37)

де Мemax - максимальний крутний момент двигуна, Н·м;

- ККД трансмісії; = 0,92.

Чисельне значення:

Отримане передавальне число iкi, необхідно перевірити по умові забезпечення зчеплення провідних коліс з дорогою.

Максимально можливе передавальне число коробки на першій передачі по умові зчеплення провідних коліс визначають за формулою:

(1.38)

де ? - коефіцієнт зчеплення (значення, що рекомендуються ? = 0,2…0,8); приймаємо - ? = 0,5;

mp2 - коефіцієнт зміни нормальних реакцій на ведучих (задніх) колесах автомобіля (при розгоні mp2max = 1,15…1,20);

М2 = (Ma·a)/la - маса, що приходиться на задні ведучі колеса автомобіля в статичному положенні; М2·g = 48030 Н (с. 8);

L = (а + b) - колісна база автомобіля;

а, b - відстані від центра мас автомобіля до переднього або заднього мостів відповідно. Якщо проектується автомобіль зі всіма ведучими колесами, то mpmax = 1, а G2 = Gа.

Можливість руху автомобіля на дорогах з прийнятим коефіцієнтом зчеплення буде забезпечена за умови дотриманні нерівності i? ? iк1.

Чисельний розрахунок:

Отже умова виконується.

Передавальне число першої ступені коробки передач автомобіля з гідромеханічною трансмісією визначають за умови забезпечення зчеплення ведучих коліс з дорогою за формулою:

, (1.39)

де кmax - максимальне значення коефіцієнта трансформація крутного моменту гідротрансформатора;

? = 0,8…1,0 - коефіцієнт зчеплення.

Коефіцієнт трансформації кmax визначають на підставі вибраної за прототипом безрозмірної характеристики гідротрансформатора.

Визначення передавальних чисел проміжних ступеней коробки передач. Передавальні числа проміжних передач вибирають з умови забезпечення оптимальних показників тягово-швидкісних і паливно-економічних властивостей.

Перш за все доцільно визначати передавальне число на вищій передачі, яке визначають за формулою:

. (1.40)

Чисельний розрахунок при коефіцієнті, рівному 1,00 і = 152 м/с:

.

Визначають максимальну тягову силу при найтяжчих умовах руху автомобіля (грунтова дорога, підйом ?=120; V= 5 км/год. = 1,38 м/с; fкmax= 0,05) за формулою:

. (1.41)

Чисельне значення:

Н.

Сила зчеплення коліс з дорогою:

(1.42)

Чисельне значення при ? = 0,5:

Н.

Тобто необхідна для руху автомобіля без буксування умова () виконується.

Визначають передавальне число трансмісії за формулою:

. (1.43)

Чисельне значення:

Мінімальна кількість ступеней в коробці передач визначається за формулою:

(1.44)

Чисельне значення при = 1200 хв-1 (оберти колінчастого вала при максимальному крутному моменті, взято з таблиці 1.5):

Можна приймати чотириступеневу коробку передач.

Звичайно застосовується наступна кількість передач переднього ходу:

- легкові автомобілі середнього класу і малолітражні - 4…5;

- вантажні автомобілі вантажопідйомністю 3…10т - 5… 6;

- вантажні автомобілі більшої вантажопідйомності - 8…20.

При вирішенні питання про вибір кількості передач необхідно також враховувати досвід автомобілебудування і тенденції його розвитку.

В цілях уніфікації , а також за автомобілем-прототипом приймаємо =4, що відповідає коробкам передач автомобілів ВАЗ 2103 і 2106.

Дослідним шляхом встановлено, що найкраща динамічність автомобіля досягається в тому випадку, коли передавальні числа КП змінюються відповідно до закону геометричної прогресії.

Визначимо знаменник геометричної прогресії:

 (1.45)

Чисельне значення:

.

Передавальне число на першій передачі:

. (1.46)

Чисельне значення:

Передавальні числа на наступних передачах визначають за формулою:

(1.47)

Чисельні значення:

(пряма передача).

Передавальне число передачі заднього ходу визначають із залежності:

(1.48)

Чисельне значення знайдемо, прийнявши Отже:

2. РОЗРАХУНОК ПОКАЗНИКІВ ДИНАМІЧНОСТІ АВТОМОБІЛЯ