Тяговый расчет автомобиля Toyota RAV4

Доброго времени суток!

Внимательно ознакомьтесь перед покупкой с содержанием работы в описании и в оглавлении!!!

Эта работа технического плана, задания расписаны техническим, научным языком на основании технической литературы без перефразирования. По техническим дисциплинам оценка уровня плагиата не производится, так как очень важно чёткое и технически верное отображение материала!!!

Работа может быть использована для изучения материала, написания собственной работы на основании изложенного в этой работе.

Положительный момент моих работ - чёткое и качественное оформление.

Если Вам требуется вариант работы отличный от представленного здесь или содержание работы подходит Вам только частично, зарегистрируйтесь на сайте и закажите работу у меня!

По вопросам ценообразования писать в личные сообщения на сайте

---------------------------------------------------------------------------------------

Р. В. Нуждин

Введение 3

1. Определение полной массы автомобиля 4

2. Подбор шин для автомобиля и определение радиуса колеса 5

3. Расчет параметров двигателя 7

3.1. Определение мощности двигателя при максимальной скорости автомобиля 7

3.2. Определение максимальной мощности двигателя 8

3.3. Построение скоростной характеристики двигателя 8

3.4 Определение рабочего объема и выбор двигателя 11

4. Определение параметров трансмиссии 12

4.1. Определение передаточного числа главной передачи 12

4.2. Определение передаточных чисел коробки передач 12

5. Расчет показателей динамичности автомобиля 15

5.1. Построение тягово-скоростной характеристики автомобиля 15

5.2 Построение динамической характеристики автомобиля 22

5.3 Определение параметров разгона автомобиля 26

6. Построение топливно-экономической характеристики автомобиля 35

Список используемых источников 39

Введение

Перспективный типаж автомобилей является результатом анализа трёх основных направлений проводимых отраслью опытно – конструкторских разработок перспективных образцов, экспериментальных и научно-исследовательских работ. В перспективном типаже заданы основные параметры автомобиля: грузоподъемность или пассажировместимость, основные массовые параметры, колесная формула и расположение ведущих колёс, максимальная скорость и параметры приемистости, нормативный пробег до капитального ремонта, нормативная трудоемкость обслуживания и текущего ремонта, мощность и рабочий объём двигателя. На последующих этапах проектирования эти данные уточняются для конкретных моделей и дополняются другими параметрами, число которых yувеличивается от этапа к этапу.

Toyota RAV4 — компактный кроссовер, обладающий отличным обзо-ром, беспрецедентной управляемостью, вместительным грузовым простран-ством и впечатляющими внедорожными характеристиками. Дебютировал автомобиль в 1994 году. Он быстро завоевал популярность, прогнозируемые объемы производства были немедленно удвоены. Весной 2018 года концерн Toyota представил 5-е поколение модели. Это первый внедорожник, построенный на модульной платформе Toyota New Global Architecture, обеспечивающей фундаментальные преимущества с точки зрения управляемости, безопасности и дизайна. 

Тяговый расчет проводится либо на этапе проектирования нового автомобиля, либо для проверки и исследования заявленных тягово-скоростных и топливно-экономических качеств существующего.

Задача тягового расчета при проектировании нового автомобиля – определение основных параметров двигателя и трансмиссии, которые обеспечат заданные тягово-скоростные качества.

1. Выбор и обоснование исходных данных

Исходные и справочные данные по автомобилю Toyota RAV4 2.0 MT Стандарт (10.2019 – 12.2022) представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные и справочные данные

Параметр Значение параметра

Марка, модель автомобиля Toyota RAV42.0 MT Стандарт (10.2019 – 12.2022)

Тип двигателя Бензиновый

Колесная формула, ведущий мост 4х2, передний

Снаряженная масса автомобиля, кг 1570

Полная масса автомобиля, кг 2015

Размер шин 225/65 R17

2. Определение полной массы автомобиля

Полная масса Ма автомобиля определяется по формуле

 где Мо – собственная масса автомобиля, кг;

Мп – масса пассажира (принимается равной 75 кг);

Мг – для грузовых автомобилей – грузоподъемность, для пассажирских – масса багажа, кг;

n – количество мест в транспортном средстве.

 кг, что соответствует справочным данным по автомобилю-прототипу.

3. Подбор шин для автомобиля и определение радиуса колеса

Размер шин устанавливается исходя из наибольшей нагрузки, прихо-дящейся на одно колесо, и максимальной скорости движения по ГОСТ Р 52899-2007.

Нагрузка q, приходящаяся на одно колесо, рассчитывается по формуле

где g – ускорение свободно падающего тела, м/с2;

k – доля нагрузки, приходящейся на ось, принимаем для передней оси 0,55, для задней оси 0,45;

n – число колес на оси.

Для передней оси:

По выбранной шине определяем статический радиус колеса rст, кото-рый условно считают равным радиусу качения

где  – диаметр обода колеса, м;

H – высота профиля шины, м;

 – коэффициент деформации шины.

В дальнейшем принимаем, что статический радиус равен динамическому.

4. Расчет параметров двигателя

4.1. Определение мощности двигателя при максимальной скорости автомобиля

Сначала определяем мощность двигателя, которая необходима для движения автомобиля с заданной максимальной скоростью по горизонталь-ной дороге:

где  – коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии на передаче, при которой достигается максимальная скорость;

 – коэффициент лобового сопротивления;

 – плотность воздуха, кг/м3;

Fa – площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную к его продольной оси, м2;

 – максимальная скорость автомобиля, м/с;

 – полная масса автомобиля, кг;

 – коэффициент сопротивления качению.

Максимальную скорость, принятую в задании переводим в м/с:

Плотность воздуха и ускорение свободного падения по ГОСТ 4401-81 [3] на уровне моря и температуре окружающего воздуха 15 °С составляют:  = 1,225 кг/м3; g = 9,81 м/с2.

4.2. Определение максимальной мощности двигателя

Максимальная мощность двигателя определяется по формуле

  где  отношение угловой скорости вращения коленчатого вала при максимальной скорости к угловой скорости при максимальной мощности;

a, b, c – коэффициенты.

Для легковых автомобилей с бензиновым двигателем без ограничителя оборотов  = 1,1 – 1,2. На двигатели грузовых автомобилей обычно устанавливается ограничитель оборотов, тогда  = 0,8 – 0,9. Для автомобилей с дизельным двигателем  = 1,0. Коэффициенты а, b и с для карбюраторных двигателей равны единице; для двухтактных дизелей а = 0,87; b = 1,13; с = 1; для четырехтактных дизелей а = 0,53; b = 1,56; с = 1,09.

 кВт, что соответствует техниче-ским характеристикам двигателя автомобиля-прототипа.

4.3. Построение скоростной характеристики двигателя

Так как известны максимальная мощность двигателя Nmax, угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности , то теоретическая скоростная характеристика двигателя при полной подаче топлива может быть построена по формуле

Максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала  мо-жет варьироваться в широких пределах в зависимости от типа двигателя, его рабочего объема, требуемого ресурса и других факторов. Для бензиновых двигателей легковых автомобилей  обычно находится в пределах 600...650 с-1, для дизелей грузовых автомобилей и автобусов – 200... 260 с-1. Принимаем по техническим характеристикам двигателя автомобиля-прототипа =828 рад/с. Тогда угловая скорость вращения при максимальной мощности

  Для построения скоростной характеристики по уравнению (8) можно ограничиться 6 – 7 точками в диапазоне угловых скоростей от  до . 

Минимальная угловая скорость вращения коленчатого вала  при-нимается в пределах 60…100 с-1 (верхний предел берется для быстроходных двигателей, нижний – для дизелей).

Крутящий момент рассчитывается по формуле

где  – текущее значение мощности, кВт;

 – текущее значение угловой скорости вращения коленчатого вала, с-1.

 Н⸱м.

Расчетные данные сводим в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты расчетов 

Параметры двигате-ля Частота вращения коленчатого вала, w, с-1

100 276 414 552 690 828

Ne, кВт 20,36 62 93 116 125 114

Me, Н•м 203,6 224,64 224,64 210,14 181,16 137,68

По полученным значениям Ne, Me и  строят скоростную характери-стику двигателя (рис. 1).

Скоростная характеристика двигателя используется для расчета пока-зателей динамичности и топливной экономичности автомобиля.

Рисунок 1 – Внешняя скоростная характеристика двигателя

4.4 Определение рабочего объема и выбор двигателя

Рабочий объем двигателя определяется по известным значениям  и : 

, (10)

где  – среднее эффективное давление при максимальной мощности (табл. 5);

 – максимальная мощность двигателя, кВт;

 – угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности, с-1.

Полученные в результате ориентировочного расчета величины ,  и Vh позволяют выбрать двигатель из числа выпускаемых отечественной промышленностью.

 л. Принимаем 2л, что соответствует техническим данным двигателя автомобиля-прототипа.

5. Определение параметров трансмиссии

5.1. Определение передаточного числа главной передачи

Передаточное число главной передачи io находят из условия достиже-ния автомобилем максимальной скорости на горизонтальной дороге с твер-дым покрытием на высшей передаче (без учета ускоряющей). Максимальная скорость автомобиля определяется по формуле

, (11)

тогда передаточное число главной передачи:

  (12)

где  – передаточное число расчетной передачи, при которой достигается максимальная скорость автомобиля, принимаем 1.

 .

5.2. Определение передаточных чисел коробки передач

Передаточное число первой передачи выбирают из двух условий:

а) преодоление автомобилем заданного максимального дорожного сопротивления  на первой передаче при равномерном движении;

б) возможность реализации максимального тягового усилия при отсутствии буксования ведущих колес.

Для автомобиля с осевой формулой 2х1 с передними ведущими коле-сами эти условия запишутся в виде:

; (13)

; (14)

где Ма – полная масса автомобиля, кг;

 – коэффициент полезного действия трансмиссии;

 – коэффициент сцепления шины с дорогой;

 – коэффициент общего дорожного сопротивления на первой передаче (для легковых – 0,35; для грузовых – 0,45);

 – максимальное значение крутящего момента двигателя, взятого по скоростной характеристике, Н∙м;

М1 – масса, приходящаяся на переднюю ось автомобиля в статическом состоянии, кг;

m1 – коэффициент изменения вертикальной реакции на ведущих (в данном случае задних) колесах:

; (15)

где h – высота центра масс, м; 

L – база автомобиля, м.

, (16)

; (17)

 – коэффициент общего дорожного сопротивления.

 .

 .

 .

условие не обеспечивается, передаточное число первой передачи вы-бирается по условию

. (18)

где i1в – передаточное число первой передачи, обеспечивающее дви-жение с минимальной заданной скоростью vmin,

Принимаем .

Определив передаточное число первой передачи, рассчитывают пере-даточные числа промежуточных передач

, (19)

где n – число передач в коробке, не считая ускоряющей и передачи заднего хода;

k – порядковый номер рассчитываемой передачи;

 – передаточное число расчетной передачи.

Вторая передача: .

Третья передача: .

Четвертая передача: .

При решении вопроса о выборе количества ступеней необходимо учи-тывать опыт автомобилестроения и тенденции его развития.

В современном автомобилестроении получили распространение коробки передач с ускоряющей, или так называемой обратной, передачей, передаточное число которой меньше 1. Включением ускоряющей передачи в хороших дорожных условиях несколько повышается максимальная скорость движения, уменьшается расход топлива и износ двигателя. Обычно передаточное число для ускоряющей передачи принимается в пределах 0,7-0,85.

Принимаем передаточное число пятой передачи 0,837, а шестой пере-дачи 0,687 по прототипу.

6. Расчет показателей динамичности автомобиля

6.1. Построение тягово-скоростной характеристики автомобиля

Производительность автомобиля, характеризуемая средней скоростью, зависит от тягово-скоростных качеств. Эти качества определяются всеми действующими на автомобиль продольными силами, равновесие которых можно вычислить с помощью уравнения силового баланса

, (20)

где РТ – сила тяги на ведущих колесах;

 – сила сопротивления качению;

 – сила сопротивления воздуха.

В развернутой форме уравнение (22) запишется в виде:

  (21)

где Ма – масса автомобиля, кг;

Сх – коэффициент лобового сопротивления; 

 – плотность воздуха, кг/м3;

Fa – лобовая площадь автомобиля, м2; 

 – скорость движения автомобиля, м/с.

Это уравнение движения, называемое тяговым балансом, используется для оценки тягово-скоростных качеств автомобилей.

Тягово-скоростную характеристику строят по данным внешней ско-ростной характеристики двигателя, передаточным числам трансмиссии и другим параметрам автомобиля. Тяговый баланс автомобиля представляют в виде графика, на котором в системе координат Р = f( ) наносят силы тяги на колесах РТ на различных передачах и силы сопротивления движению Pf и Pw.

Тяговые усилия на колесах при различных включенных передачах находят по выражению

  (22)

где  – тяговые усилия на ведущих колесах при различных переда-чах;

Ме[n] – текущее значение крутящего момента;

i[k] – передаточные числа коробки передач;

ηтр – КПД трансмиссии, соответствующий включенной передаче.

 Н.

Скорость автомобиля при отсутствии буксования ведущих колес находят по выражению

  (23)

где  – скорость автомобиля при различных передачах, м/с;

ωe[n] – текущее значение угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя, с-1.

 м/с.

Тяговое усилие, подводимое к ведущим колесам автомобиля, расходуется на преодоление сопротивления качению и воздуха (в случае равномерного движения автомобиля по горизонтальной дороге). Сопротивление качению находится по выражению

, (24)

где f0 – коэффициент сопротивления качению при скорости менее 22 м/с.

 Н.

Сопротивление воздуха определяется по формуле

, (25)

где Сх – коэффициент лобового сопротивления;

ρ – плотность воздуха кг/м3;

Fa – площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную к его продольной оси, м2;

 – скорость движения автомобиля, м/с.

 Н.

Расчеты производим в табличной форме.

Результаты расчетов представлены в табл. 2-7.

Рисунок 2 – График тягового баланса автомобиля

6.2. Построение мощностной характеристики автомобиля

Мощностная характеристика автомобиля (рис. 4) представляет собой совокупность зависимостей эффективной мощности Ne и тяговой мощности Nt от скорости на различных передачах. Мощностная характеристика строится путем сопоставления мощности на валу двигателя и скорости, соответствующей текущим оборотам двигателя и выбранной передаче (сплошные линии на рис. 4). Мощность на ведущих колесах (пунктирные линии на рис. 4) определяется путем умножения силы тяги на ведущих колесах на текущее значение скорости, что эквивалентно произведению текущей мощности на валу двигателя на КПД трансмиссии. Мощности, необходимые на преодоление сил сопротивления качению и сопротивления воздуха определяются путем умножения соответствующих значений сил на текущую скорость.

Эффективная мощность принимается по внешней скоростной характе-ристике двигателя (см. рис. 1). Тяговая мощность определяется с учетом КПД трансмиссии на соответствующих передачах 

Результаты расчета заносятся в табл. 8-10. На основании полученных данных строится график (см. рис. 4).

Таблица 8 – Мощностная характеристика автомобиля 1 и 2 передачи

Рисунок 3 – Графики мощностного баланса автомобилей

6.3 Построение динамической характеристики автомобиля

Динамическая характеристика автомобиля – зависимость динамического фактора на различных передачах от скорости автомобиля. Динамический фактор – это отношение разности тягового усилия на колесах и силы сопротивления воздуха к полному весу автомобиля:

(27)

где  – полный вес автомобиля, Н.

Полученные данные расчета динамического фактора заносятся в табл. 11, на основании которых строится зависимость D = F(va). Значение коэффициента f построенного в том же масштабе, что и D, указывает величину динамического фактора, необходимую для равномерного движения с заданной скоростью.

Таблица 11 – Расчет динамического паспорта автомобиля

Рисунок 4 – Динамический паспорт двигателя

Пересечение кривых D и f определяет максимальную скорость движе-ния автомобиля в заданных дорожных условиях. Наибольший динамический фактор на каждой передаче указывает максимальное значение коэффициента общего дорожного сопротивления ψmax, которое может быть преодолено при равномерном движении. Угол подъема, который может одолеть автомобиль при той или иной равномерной скорости и заданном коэффициенте сопротивления качению, находится по выражению

, (28)

где Dmax – максимальное значение динамического фактора на первой переда-че;

f – коэффициент сопротивления качению.

 °.

Максимальный угол подъема на первой передаче, который может пре-одолеть автомобиль при отсутствии буксования:

, (29)

где  – коэффициент сцепления шины с дорогой;

 – отношение высоты центра тяжести автомобиля к базе;

 – отношение координаты центра масс автомобиля к базе.

 °.

6.4 Определение параметров разгона автомобиля

Ускорение, время и путь разгона служат важнейшими показателями, характеризующими динамику автомобиля. Параметры разгона определяются для горизонтальной дороги хорошего покрытия при максимальном использовании мощности двигателя и отсутствии буксования колес.

Определение ускорений при разгоне. Ускорения на различных переда-чах рассчитываются по формуле

, (30)

где D[k, n] – динамический фактор автомобиля на различных переда-чах; g – ускорение свободного падения;

 – коэффициент учета вращающихся масс автомобиля на различных передачах, рассчитывается по выражению

, (31)

где  – передаточное число включенной передачи.

Ускорения и величины, обратные ускорениям, подсчитанные для раз-личных передач, записываются в табл. 12.

По данным табл. 12 необходимо построить кривые зависимости уско-рений и величин, обратных ускорениям, от скорости движения автомобиля:  и  (рис. 5, 6).

Определим максимальное ускорение автомобиля по условиям сцепле-ния. Для условий тягового расчета принимаем, что разгон происходит на горизонтальной поверхности.

(32)

 м/с2.

 Рисунок 5 – Графики ускорений

 Рисунок 6 – График обратных ускорений автомобиля

6.5 Определение времени разгона автомобиля 

Пользуясь дифференциальной зависимостью j = dνа /dt, находим dt = (l/j)dνа, следовательно, время разгона автомобиля от скорости ν1 до ν2

где ν1, ν2 – начальная и конечная скорости соответственно, м/с;

1/jа – величина, обратная ускорению, для соответствующего шага.

Этот интеграл решается графическим методом. Для решения интеграла необходимо иметь вспомогательный график (см. рис. 1) величин, обратных ускорениям, 1/j = F(νа), тогда

, (34)

где n – количество интервалов.

Разбивая кривые обратных ускорений на n интервалов и считая, что в каждом интервале изменения скорости  автомобиль разгоняется с посто-янным ускорением j, найдем время разгона автомобиля на каждом интервале:

(35)

Тогда суммарное время разгона до контрольной скорости

(36)

Контрольная скорость для легковых автомобилей составляет 100 км/ч (27,7 м/с), грузовых – 60 км/ч (16,6 м/с).

 с.

 Рисунок 7 – График времени разгона до контрольной скорости

6.6 Определение пути разгона S

Зная дифференциальную зависимость , находим:

(37)

Интеграл решается графическим методом. 

Рисунок 8 – График времени разгона автомобиля до контрольной скорости

Путь разгона автомобиля в указанном диапазоне времени от t0 до tn, м:

(38)

где t0, tn – время начала и конца разгона соответственно, с;

Δt – шаг интегрирования.

Путь разгона на каждом интервале времени:

(39)

Тогда суммарный путь разгона автомобиля до контрольной скорости

(40)

Т

График зависимости пути разгона от скорости автомобиля представлен на рисунке 9.

 Рисунок 9 – График зависимости пути разгона от скорости автомобиля

7. Построение топливно-экономической характеристики автомобиля

Совершенство конструкции автомобиля с точки зрения топливной экономичности оценивают по общему расходу топлива, отнесенному к длине пройденного пути или к величине транспортной работы.

Показателем топливной экономичности может служить минимальный расход топлива автомобиля с полной нагрузкой на горизонтальном участке дороги с твердым покрытием. Для оценки экономичности автомобиля при установившемся движении в различных дорожных условиях и для определения наиболее экономичных скоростей движения служит экономическая характеристика автомобиля.

Экономическая характеристика автомобиля – это зависимость путевого расхода топлива Q от скорости движения автомобиля при различных значениях коэффициента сопротивления дороги. График характеризует топливную экономичность автомобиля при равномерном движении и позволяет определить расход топлива по известным величинам νа и f. Для построения топливно-экономической характеристики автомобиля необходимо иметь нагрузочную характеристику двигателя и мощностной баланс автомобиля на прямой передаче.

В случае отсутствия экспериментальных данных топливно-экономическую характеристику автомобиля строят аналитически.

Удельный расход топлива двигателем определяется по выражению

, (41)

где  – удельный расход топлива при полной нагрузке на двигатель, г / (кВт∙ч);

kи – коэффициент, учитывающий изменение расхода топлива в зависи-мости от степени использования мощности двигателя ( ).

 г / (кВт∙ч);

Числовые значения этого коэффициента можно определить согласно выражениям:

 – для бензиновых двигателей;

 – для дизельных двигателей.

 .

Текущее значение удельного расхода топлива при полной нагрузке на двигатель определяется по формуле

, (42)

где gmin- минимальный расход топлива, г / (кВт∙ч);

 – текущее значение угловой скорости вращения коленчатого вала;

 – угловая скорость вращения коленчатого вала (по скоростной ха рактеристике двигателя) при максимальном крутящем моменте, с’1. 

г / (кВт∙ч).

Минимальные расходы топлива:

- для бензинового двигателя gmin = 200 – 250 г / (кВт∙ч);

- для дизельного двигателя gmin = 180 – 210 г / (кВт∙ч).

Расход топлива в литрах на 100 км пути подсчитывается по уравнению

, (43)

где  – текущее значение удельного расхода топлива, г / (кВт∙ч);

 – КПД трансмиссии;

 – плотность топлива, кг/м3 (плотность бензина – 740 кг/м3, дизтоплива – 830 кг/м3).

 л/100 км.

Величина коэффициента сопротивления качению зависит от скорости и корректируется по выражению:

где va – скорость автомобиля, м/с.

Оценивается степень использования мощности двигателя

где Рт – сила тяги на ведущих колесах (берется по тягово-скоростной харак-теристике автомобиля), Н.

 .Для построения топливно-экономической характеристики данные сво-дятся в табл. 14.

На основании данных табл. 14 строится топливно-экономическая ха-рактеристика автомобиля на прямой передаче для указанных коэффициентов сопротивления качению. Примерный вид характеристики представлен на рис. 3. Крайняя точка кривой экономической характеристики а выражает расход топлива при максимальной скорости движения автомобиля, когда полностью используется мощность двигателя. Экономическая характеристика позволяет оценить топливную экономичность автомобиля при установившемся движении.

Рисунок 10 – Экономическая характеристика автомобиля на прямой передаче