Расчет сил, воздействующих на конструкцию в процессе эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет сил, воздействующих на конструкцию в процессе эксплуатации

Для выбора и конструирования оборудования подобного рода, необходимо определить его основные параметры. К основным параметрам силовых барабанов относятся:

размеры беговых барабанов (диаметр и длина)

расстояние между осями барабанов одной секции стенда

скорость вращения автомобильного колеса на стенде

мощность электродвигателя каждой секции стенда

Диаметр барабана выбирается в зависимости от диаметра автомобильного колеса с целью обеспечения условий качения, приближенных к дорожным. Наименьшее проскальзывание и сопротивление качению колеса обеспечивается, если диаметр барабана dб не менее 0,4 диаметра колеса dк, т.е.:

dб 0,4 * dк

dб 0,4 * 750

dб = 300 мм

Принимаем диаметр барабана dб = 310 мм, по размерам аналога.

Длина барабана зависит от типа и параметров автомобиля. Рекомендуется длину барабана определять по формуле:

lб = [(kн - kв) / 2] + а, где

kн и kв - величины внутренней и наружной колеи автомобиля соответственно, мм

а - величина, учитывающая тип автомобиля, для легковых она равна 100 мм.

lб = [(2010 - 1050) / 2] + 100 = 580

С учетом возможного увода, а также принимая во внимание существующий образец, принимаем длину барабана 800 мм.

Расстояние между осями барабанов определяет устойчивость на стенде и возможность самостоятельного съезда автомобиля с него. Под устойчивым положением подразумевается обеспечение контакта колес автомобиля с обоими барабанами. Расстояние между барабанами может быть определено по формуле:

, где

= 0,64 - коэффициент сцепления шины с поверхностью барабана, принимается для барабана с продольными канавками.

Принимаем l = 600 мм.

Расчет мощности электродвигателя начинаем с определения скорости вращения барабана в режиме диагностирования тормозов (статического типа). Скорость принимаем исходя из соображения обеспечения устойчивости автомобиля на стенде и приемлемой мощности приводных двигателей. Учитывая, что для современных стендов, где используются беговые барабаны, диапазон скоростей находится в пределах 0,3…3,5 км/час, принимаем для нашего стенда скорость 3,0 км/час.

Рассчитаем значения реакций на каждом из барабанов и максимальное значение силы сопротивления качения (рис. 4.11).

Для нашего стенда оба барабана являются ведущими для каждого из пары колес.



Рис. 4.11 Схема взаимодействия сил на колесо на барабанном стенде

Для расчета нормальных реакций барабана воспользуемся формулами:

R1 и R2 - нормальная реакция барабана, кг;

G - вес оси, кг;

Максимальная сила сопротивления качения в этом случае составит:



Мощность на валу барабана определяется из соотношения:

W = 0,00272 * PMAX * Va, кВт

W = 0,00272 * 1362,1 * 3,0 = 11,11 кВт

Общий КПД привода:

= 13 * 24 * 3 , где

1 - КПД цепной передачи, 1 = 0,96;

2 - КПД пары подшипников, 2 = 0,99;

3 - КПД муфты, 3 = 0,99;

= 0,963 * 0,994 * 0,99 = 0,84

Требуемая мощность электродвигателя:

Wтр = W /

Wтр = 11,11 / 0,84 = 13,23 кВт

Данному условию мощности соответствует двигатель 4А160М6УЗ по ГОСТ 19523-81, n = 1000 об/мин.

При условии обеспечения скорости беговых барабанов 3 км/час или 0,83 м/сек, обороты приводного барабана должны составить

n = *30 / , где = v * 2 / d, v - в м/сек

n = 0,83 * 30 * 2 / 3.14 * 0.31 = 51,4 52 об/мин

Передаточное число привода должно составлять:

u = n / nвых

u = 1000 / 52 = 19,23

Предполагается использовать в конструкции стенда в качестве редуктора КПП автомобиля ЗИЛ-130, способную обеспечить данное передаточное число.

Исходя из рассчитанных выше нормальных реакций и крутящего момента, произведем расчет осей барабанов. Схема нагружения каждой из осей представлена на рис. 4.10. Расчет производим сообразно с величиной большего изгибного момента.

Рис. 4.12. Схема нагружения оси барабана.

Произведем расчет величины реакции в опорах.

Нагрузка от колеса автомобиля распределяется равномерно между парой опор, расположенных в местах опирания оси барабана на опоры. Таким образом, реакция в каждой из пары опор будет составлять половину от общей величины нагрузки. R = 6477,2 / 2 = 3238,6 Н

Тогда изгибной момент от данной нагрузки рассчитывается как:

Ми = R * 0,4

Ми = 3238,6 * 0,4 = 1295,44 Н*м

Требуется определить минимальный требуемый диаметр оси барабана, исходя из известных приложенных к ней нагрузок, т.е. изгибающего и крутящего моментов. Определяется по следующей формуле:

d=, мм

Мкр =4585,98 Н*м

Ми = 1295,44 Н*м.

=112.5 МПа

Принимаем минимальный диаметр для оси барабана 75 мм.

Произведем расчет цепной передачи.

На установке барабаны связаны между собой цепью с передаточным числом u = 1.

Выбираем цепь приводную зубчатую, с шарнирами качения (по ГОСТ 13552-81).

Коэффициент Кэ рассчитывается как

Кэ = kд*kа*kн*kр*kсм*kп

kд = 1,25 - передача характеризуется умеренными ударами

kа = 1

kн = 1,25 - так как угол наклона более 60

kр = 1,25 - периодическое регулирование натяжения цепи

kсм = 1,25 - периодическое смазывание цепи

kп = 1 - работа в одну смену

Кэ = 1,25 * 1 * 1,25 * 1,25 * 1,25 * 1 = 2,44

Определяем число зубьев звездочек

а) ведущей

z1 = 37 - 2*u = 37 - 2*1 = 35

б) ведомой

z2 = z1 * u = 35 * 1 = 35

Шаг цепи, мм определяют ориентировочно.

t = 25,4 мм

Принимаем величину скорости зубчатой цепи 10 м/с. Исходя из принятой величины шага, а также из рассчитанной скорости цепи, определяем величину мощности, допускаемой для цепи шириной 10 мм, [Р10] = 4,6 кВт.

Главный параметр цепи - ее ширину определяют по формуле:

Принимаем ближайшее табличное значение b = 93,0 мм.

Определяем число звеньев цепи, предварительно находим суммарное число зубьев

z = z1 + z2 = 35 + 35 = 70

поправка

а = 40 * t; at = 40

Округляем до четного числа Lt = 116. Уточняем межосевое расстояние по формуле

Определяем диаметры делительных окружностей звездочек по формуле

Ведущей

Ведомой

Определяем силы, действующие на цепь:

центробежная

Fv = q * v2 = 13,2 * 142 = 2587,2 H

осевая

от провисания цепи

Ff = 9.81 * kf * q * a = 9.81 * 1.5 * 13,2 * 1,03 = 200,1 H

Расчетная нагрузка на валы

Fв = Ft + 2Ff = 1071,4 + 2 * 200,1 = 1471,5 Н

Расчет цепи завершен.

Произведем расчет необходимой величины маховых масс, исходя из максимальной массы автомобиля с грузом 3500 кг, и максимальной скорости разгона на стенде v = 60 км/час. Сила инерции поступательно движущегося автомобиля рассчитывается как:

, где

G - вес автомобиля, кг. G = 3500 кг.

j - ускорение, м/с2. j = 1,2, принимаем как усредненное значение для всех марок автомобилей (предполагаемых к испытанию) при разгоне до 60 км/час на третьей передаче. Таким образом инерция разгона автомобиля составит

Н*м

Для стенда момент инерции вращающихся масс будет равен сумме моментов 4-х барабанов и нагрузочного устройства, выполненного в виде блока маховых масс. При разгоне предполагается отключение двигателя привода, поэтому предполагается исключение его момента инерции из расчета. Общий момент инерции должен составить величину, равную рассчитанной выше величине инерции движущегося автомобиля.

, где

барабан автомобильный колесо электродвигатель

rбар - радиус барабана, принимаем для расчета rбар = 0,155 м

Ввиду разной конструкции барабанов, момент инерции их рассчитывается по разному.

Момент инерции барабана складывается из трех составляющих, момента инерции вала, дисков и собственно барабанов. Параметры барабанов приведены на рис. 4.13.



Рис. 4.13. Габаритные размеры барабанов.

Масса оси составляет:

m = * r2 * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 1,26 м - длина вала

m = 3,14 * 0,052 * 1,26 * 7810 = 77,25 кг

Момент инерции вала

Iвала = m * r2

Iвала = 772,5 * 0,052 = 1,9 Н*м*с2

Масса диска составляет:

m = * (r2 - r2в) * l * , где

 = 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,01 м - толщина диска

m = 3,14 * (0,2522- 0,052) * 0,01 * 7810 = 14,1 кг

Момент инерции диска

Iдиска = m * (r2 - r2в)

Iдиска = 141 * (0,2522- 0,052) = 8,6 Н*м*с2

Масса барабана составляет:

m = * (r2 - r2в) * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,01 м - длин барабана

m = 3,14 * (0,312- 0,2522) * 0,8 * 7810 = 639,5 кг

Момент инерции барабана

Iбарабана = m * (r2 - r2в)

Iбарабана = 6395 * (0,312- 0,2522) = 208,5 Н*м*с2

Момент инерции барабана таким образом составляет:

I1 = Iвала + 2 * Iдиска + Iбарабана

I1 = 1,9 + 2 * 8,6 + 208,5 = 227,6 Н*м*с2

Второй барабан стенда отличается только толщиной барабана. Произведем расчет момента инерции барабана.

Масса диска составляет:

m = * (r2 - r2в) * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,01 м - толщина диска

m = 3,14 * (0,2862- 0,052) * 0,01 * 7810 = 19,44 кг

Момент инерции диска

Iдиска = m * (r2 - r2в)

Iдиска = 194,4 * (0,2862- 0,052) = 15,4 Н*м*с2

Масса барабана составляет:

m = * (r2 - r2в) * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,01 м - длина барабана

m = 3,14 * (0,312- 0,2862) * 0,8 * 7810 = 280,63 кг

Момент инерции барабана

Iбарабана = m * (r2 - r2в)

Iбарабана = 2806,3 * (0,312- 0,2862) = 40,1 Н*м*с2

Момент инерции барабана таким образом составляет:

I2 = Iвала + 2 * Iдиска + Iбарабана

I2 = 1,9 + 2 * 15,4 + 40,1 = 72,8 Н*м

Общий момент инерции барабанов составляет:

Iобщ = 2 * I1 + 2 * I2

Iобщ = 2 * 227,6 + 2 * 72,8 = 600,8 Н*м*с2

Тогда сила инерции барабанов, согласно формкле будет рассчитана как:

Н*м

Следовательно, сила инерции маховых масс должен составлять:

Рмасс = Pi - Робщ.бар

Рмасс = 42000 - 14535,5 = 27464,5 Н*м

Расчет производится без учета влияния передаточного числа коробки передач, так как невозможно учесть влияние передаточного числа всех пяти передач.

Произведем подбор размера маховых масс, исходя из того, что все массы предполагается изготавливать в виде сплошного диска, толщиной 230 мм. Приблизительное распределение моментов инерции предполагается в виде 0,5:0,35:0,15.

Момент инерции барабанов будет определен из соотношения, в котором будет учитываться квадрат передаточного числа коробки передач на третьей передаче, чтобы оставить возможность варьирования моментов инерции путем уменьшения и увеличения передаточных чисел:

 Н*м*с2

Момент инерции первой массы:

I1 = Iмасс * 0,5

I1 = 252,8 * 0,5 = 126,4 Н*м*с2

Момент инерции второй массы:

I1 = Iмасс * 0,35

I1 = 252,8 * 0,35 = 88,48 Н*м*с2

Момент инерции третьей массы:

I1 = Iмасс * 0,15

I1 = 252,8 * 0,15 = 37,9 Н*м*с2

Произведем подбор габаритных размеров маховых масс под рассчитанный момент инерции.

Для первой массы конструктивно принимаем диаметр отверстия (под подшипники) rв = 0,09 м. Тогда масса ее составит

m = * (r2н - r2в) * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,23 м - толщина диска массы

Момент инерции 1-й массы

I1массы = m * (r2н - r2в) = * (r2н - r2в) * l * * (r2н - r2в) = * l * * (r2н - r2в)2

Откуда получаем:

м

Для второй массы конструктивно принимаем диаметр отверстия (под подшипники) rв = 0,08 м.

m = * (r2н - r2в) * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,23 м - толщина диска массы

Момент инерции 2-й массы

I2массы = m * (r2н - r2в) = * (r2н - r2в) * l * * (r2н - r2в) = * l * * (r2н - r2в)2

Откуда получаем:

м

Для третьей массы конструктивно принимаем диаметр отверстия (под подшипники) rв = 0,075 м. Предположительно принимаем наружный радиус массы rн = 0,29 м. Тогда масса ее составит

m = * (r2н - r2в) * l * , где

= 7,81 г/см3 - плотность стали

l = 0,23 м - толщина диска массы

m = 3,14 * (0,292- 0,0752) * 0,23 * 7810 = 442,63 кг

Момент инерции 3-й массы

I2массы = m * (r2н - r2в) = * (r2н - r2в) * l * * (r2н - r2в) = * l * * (r2н - r2в)2

Откуда получаем:

м

Принимаются окончательно маховые массы с указанными габаритными размерами.

Произведем расчет значений сил инерции, в зависимости от установленной передачи на КПП. При этом условно принимаем, что до разной скорости вращения при стабильных оборотах двигателя диски разгоняются за одинаковое время, таким образом получаем различную величину углового ускорения. Расчет производится по формуле:

M = I * , где

М - инерция диска, Н*м

I - момент инерции, Н*м*с2

- угловое ускорение, 1 / с2

Расчеты сведем в таблицу.

Комбинация включенных масс	0	1	3	1-2	1-3	2-3	1-2-3
Момент инерции	600,8	727,2	638,7	815,68	1966,7	727,18	2055,18
Передаточное число	5,12	6299,84	7625,24	6697,25	8553,02	20622,34	7625,03	21550,12
	4,35	4547,46	5504,18	4834,32	6173,88	14885,95	5504,03	15555,66
	2,12	1080,09	1307,33	1148,23	1466,40	3535,65	1307,30	3694,72
	1,85	822,50	995,54	874,38	1116,67	2692,41	995,51	2813,54
	1,2	346,06	418,87	367,89	469,83	1132,82	418,86	1183,78

Произведем расчет сил инерции для автомобилей различных марок. Угловое ускорение бегового барабана, раскручиваемого колесом испытуемого автомобиля будет определятся как:

, где

j - ускорение автомобиля,

rбар - радиус барабана.

Следовательно, ускорение передаваемое от барабана к маховым массам через коробку передач будет находится в зависимости от передаточного числа КП.

, где

i - соответствующее передаточное число КП,

Тогда, момент инерции масс будет рассчитываться как:

С учетом включенной коробки передач:

Сила инерции рассчитывается как:

Произведем расчет сил инерции в зависимости от размера колеса, инерционной массы и установленной скорости в коробке передач для разных автомобилей.

Автомобиль «ОКА».

Для автомобиля ОКА таблица сил инерции, с учетом радиуса колеса 0,27 м, будет иметь вид:

Комбинация включенных масс	0	1	3	1-2	1-3	2-3	1-2-3
Момент инерции	600,8	727,2	638,7	815,68	1966,7	727,18	2055,18
Передаточное число	5,12	88203,47	106760,2	93767,57	119750,01	288731,30	106757,3	301721,05
	4,35	74938,49	90704,52	79665,81	101740,73	245308,82	90702,02	256345,03
	2,12	36521,75	44205,42	38825,63	49583,99	119552,80	44204,20	124931,37
	1,85	31870,39	38575,48	33880,86	43269,05	104326,74	38574,42	109020,30
	1,2	20672,69	25021,94	21976,77	28066,41	67671,40	25021,25	70715,87

Автомобиль «ГАЗель».

Для автомобиля «ГАЗель» таблица сил инерции, с учетом радиуса колеса 0,38 м, будет иметь вид:

Комбинация включенных масс	0	1	3	1-2	1-3	2-3	1-2-3
Момент инерции	600,8	727,2	638,7	815,68	1966,7	727,18	2055,18
Передаточное число	5,12	62670,89	75855,97	66624,33	85085,53	205151,19	75853,89	214380,75
	4,35	53245,77	64447,95	56604,65	72289,47	174298,37	64446,17	182139,89
	2,12	25949,66	31409,11	27586,63	35230,73	84945,41	31408,25	88767,03
	1,85	22644,75	27408,90	24073,24	30743,80	74126,89	27408,14	77461,79
	1,2	14688,49	17778,74	15615,08	19941,92	48082,31	17778,25	50245,49

Автомобиль «ВАЗ-2108, -09».

Инерция автомобиля ВАЗ-2108 определяется как:

При разгоне автомобиля массой 1800 кг, величина силы инерции составит:

Согласно таблице масс это значение соответствует включенной комбинации из 1-3 масс на второй передаче КПП.

При разгоне автомобиля массой 2500 кг, величина силы инерции составит:

Согласно таблице масс это значение соответствует включенной комбинации из 1-3 масс на пятой передаче КПП.

Размещено на Allbest.ru