Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на топливную экономичность СТС

Топливно-экономическая характеристика ТС зависит от следующих факторов: параметров и типа двигателя, конструкции трансмиссии; весовых и компоновочных параметров СТС; характеристик шин; условий эксплуатации и квалификации водителя.

Энергия сжигаемого в двигателе топлива является основой движения ТС. Как рассматривалось ранее, см. формулу (77), расход выделяемой при сгорании топлива энергии, можно представить в

виде уравнения топливного баланса

L = Li + LП,

где L – количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива; Li –

тепло, преобразованное в двигателе в полезную механическую работу, идущую на преодоление сопротивлений движению ТС; LП  –

потери энергии на преодоление сил сопротивления в двигателе.

Анализ составляющих топливного баланса показывает, что основными потерями являются термодинамические и механические потери в двигателе. Поэтому одним из резервов повышения экономических показателей является повышение эффективного КПД двигателя.

Важным условием повышения топливной экономичности СТС

является рациональный выбор параметров и типа трансмиссии. Следует иметь в виду, что одна и та же мощность двигателя при работе на частичных режимах может быть реализована при различной частоте вращения, следовательно, будет различным и удельный расход топлива. Снижению расхода топлива способствует применение бесступенчатых трансмиссий и многоступенчатых передач с автоматическим управлением их переключения путем использования программируемых микропроцессоров.

В СТС с системой активизации колес мощность, расходуемая на привод мотор-колес, может либо отбираться от основного двигателя, либо от автономного источника энергии. Как правило, используемые силовые установки для специальных ТС не являются оптимальными в части технических, эксплуатационных и экономических

характеристик. Существует большая разница в силе тяги потребной для разгона ТС и преодолении трудных участков дорог или местности, и диапазоном тяговых усилий, необходимых для преодоления сопротивлений установившемуся движению на основных участках

дорог. В общем балансе категорий дорог для различных районов протяженность магистральных дорог не превышает 2%. Грунтовые профилированные дороги составляют от 40 до 80% общей протяженности. Для большинства СТС стремятся выбирать тягачи с двигателем, который полностью обеспечивал бы выполнение экстремальных требований, связанных с назначением и условиями эксплуатации. Однако режимы эксплуатации СТС, при которых от двигателя отбирается полная мощность, довольно редки. Анализ эксплуатации автомашин высокой проходимости показывает, что двигатель работает на холостых и близких к ним режимах 40% времени; при нагрузках близких к максимальным – 20% времени. При движении по грунтовым дорогам свыше 50% номинальной мощности используется не более 4% времени; свыше 80% номинальной мощности используется не более 2% времени; при движении по грязной и разбитой дороге свыше 65% номинальной мощности используется не более 0,5% времени, и расходуемая мощность никогда не превышала 82% номинальной. При движении по дорогам с твердым покрытием в холмистой местности свыше 50% номинальной мощности используется не более 2,5% времени, причем расходуемая мощность не превышала 70% номинальной. Из представленных данных следует, что для большинства режимов работы СТС достаточно иметь мощность основного двигателя не более 70% максимально потребной величины, а для реализации остальной части необходимой мощности целесообразно использовать бустерный двигатель, кратковременно включаемый на тяжелых участках дороги. Естественно, такая схема работы силовой установки обеспечит значительное снижение расхода топлива. Для повышения тяговых характеристик машин высокой про-ходимости на них устанавливаются два двигателя. При одинаковой номинальной мощности двигателей характер изменения их внешних скоростных характеристик может быть различным и в таком случае на топливную экономичность будет влиять соотношение коэффициентов приспособляемости по крутящему моменту каждого из двигателей.

Большегрузные СТС, выполненные по схеме прицепного или полуприцепно-го автопоезда, имеют недостаточную удельную мощность для большинства заданных режимов движения. Например, анализ работы автопоезда, состоящего из тягача и пятиосного полуприцепа, при фактической удельной мощности 2,8 л.с./т, показывает, что средняя скорость движения по холмистой местности не превышает 5,4 км/ч, а подъемы более 60 в ряде случаев могут быть непреодолимы.

Эксплуатация СТС такого вида показала, что мощность двигателя, затрачиваемая на привод вспомогательных агрегатов и устройств практически не зависит от степени загрузки и определяется главным образом величиной установленной мощности. При этом

80% времени эксплуатации СТС двигатель загружался не более чем  на  50%.  Это  ведет  к  перерасходу  топлива,  потребляемого

вспомогательными устройствами. В частности, для двигателя типа

А-38Ф, имеющего максимальную мощность 800 л.с. при работе в режиме 50% загрузки, излишне расходуемая мощность приводит к значительному перерасходу топлива (более 10 кг/км). Наилучшим вариантом, с точки зрения топливной экономичности большегрузных многозвенных СТС, является применение бустерных (автономных) силовых установок для обеспечения периодической работы системы активизации колес прицепных звеньев и вспомога-тельных устройств. Следовательно, повышение топливной экономи-чности СТС должно основываться как на разработке оптимальных сис-тем совместной работы основного двигателя и бустерных силовых установок, предназначенных для питания систем активизации прицепных звеньев, так и выборе типа и конструкции самих бустерных установок. Целесообразно применять такие бустерные установки, которые при необходимой затрате энергии на вспомогательный привод и систему активизации колес прицепных звеньев обеспечивали бы рекуперацию энергии при торможении и притормаживании движения на спусках.

Сопротивление         движению      СТС    пропорционально     их        массе,

следовательно, можно считать, что эта пропорциональность ориентировочно сохраняется и при оценке расхода топлива, поскольку основным сопротивлением движению СТС является сопротивление качению, возрастающее с ростом массы, приходящейся на колеса. В этом случае большое влияние на топливную экономичность оказывает правильный выбор характеристики движителей.

Большие габариты СТС требуют учитывать влияние воздуха и воздушных потоков на сопротивление движению. Обтекаемые обводы несущей конструкции позволят снизить сопротивление воздуха движению СТС и соответственно расход топлива.

Приложение 1

Алгоритм расчета показателей тягово-скоростных свойств СТС с механической трансмиссией

Таблица 1 П1

Исходные данные для расчета тягово-скоростной характеристики

Параметр

Наименование параметра

Величина

Размерность

m

Nemax Memax ωN

ωM Id rCT Uki U0

B-d

IK В Н

Полная масса ТС, кол-во колес Максимальная мощность двигателя Макс. крутящий момент двигателя Частота вращения при Nemax Частота вращения при Memax Момент инерции двигателя Статический радиус колеса Передаточные числа КП Передаточн. число главн. передачи Размер шин

Момент инерции колеса

Колея

Габаритная высота

кг кВт Нм

об/мин

об/мин кгм2

м

кгм2

м м

Примечание.

Перевод частоты вращения, выраженной в об/мин, в частоту, выраженную в сек-1, осуществляется по формуле

ω  (сек-1) = (2π/60) ω1(об/мин) или ω  = 0,105 ω1   [сек-1], где  ω1об/мин.

Скорость V=0,105 ω1rСТ/ Ui [м/с], где ω1[об/мин], rСТ [м],

1.Определение времени и пути разгона и «выбега» (общие

положения)

Время и путь разгона определяются в диапазоне скоростей от начальной Vн  до конечной Vk по следующим формулам:

τ = maδвр∫ dV/(aiV2+biV+ci ).

При Δ=bi2-4aici 0, τ=(2maδвр /√-Δ)arctg(2aiV+bi)/√-Δ⏐;            при

Δ=bi2-4aici 0, τ=(maδвр √Δ)ln(2aiV+bi -√Δ)/(2aiV+bi  +√Δ)⏐,          или

τ=maδвр  /ai(p-g)ln⎪(V-p)/(V-g)⎮⏐,

где p и g – корни уравнения aiV2+bi V+ci =0

S=maδвр  ∫(VdV/aiV2+biV+ci),

откуда S=(1/2ai)maδвр ln|aiV2+biV+ci|⏐ biτ.

Разгон ТС рассчитывается при начальной скорости на низшей передаче Vн  =0, и конечной Vk. Кинематические начальные и конечные скорости на передачах (с учетом ωK=Vi/rK=πωN/30Ui=0,105ωN/ Ui)  рассчитываются по формуле

Vi  = 0,105ωN rk/Ui , м/с,

где ωN – угловая скорость вала двигателя при Nemax   (1/мин); rk –радиус качения (м); Ui – общее передаточное число трансмиссии на i-й передаче: Ui =UkiU0; Uki–передаточное число коробки передач на i — й передаче; U0 –передаточное число главной передачи.

Принимается, что во время переключения передач падение скорости движения ТС не происходит (т.е. VН  на последующей передаче равна VК предыдущей).

Входящие в расчетные формулы времени и пути разгона параметры определяются из следующих положений

Коэффициент учета приращения масс δ∑V     (при  прямолинейном движении – коэффициент учета вращающихся масс δвр) определяется по формуле

δвр = 1 + (Id U2  η

+ ΣI

)/r2m ,

i           T          k          a

где Id  момент инерции вращающихся частей двигателя (момент инерции двигателя (маховика); ηT  КПД трансмиссии; ΣIk сумма моментов инерции колес; r радиус колеса (допускается принять равным

статическому); ma – масса ТС.

При определении времени и пути «выбега» ТС коэффициент учета вращающихся масс определяется по формуле

δ′вр = 1+ ΣIk/r2 ma,

Коэффициент сопротивления воздуха Кв принимается равным для грузовых автомобилей 5…8 Н/м3; для автопоездов – 6…9 Н/м3. Площадь лобового сопротивления приближенно определяется по формуле F= BHг,

где В – колея агрегата м; Нг – габаритная высота м .

Коэффициент сопротивления качению принимается одинаковым

для всех колес.

Коэффициенты аналитической зависимости полной окружной силы на колесе от скорости движения (Рко = АiV2 + BiV + Ci) определяются по формулам

2          2          2

Ai = aМUi3ηi/rdrk 0,105 ; Bi = bМUi ηi/rdrk0,105; Ci = cМUiηi/rd,

где aМ, bМ, cМ  – коэффициенты аппроксимированной зависимости изменения крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала

двигателя Me = aМωe2 + bМωe +cМ.

(rd, rk  соответственно динамический радиус и радиус качения. Принимаем rd = rk = rСТ)

Примечание. При двух известных точках внешней характеристики

двигателя Nemax, ωN и Memax, ωM рассчитывается характеристика

Me = MNa + bωe/ωN – c(ωe/ωN)2,        Нм

где MN  = 9550Nеmax/ωN – момент, соответствующий максимальной мощности (Нм); Nеmax-максимальная мощность двигателя (кВт); ωN  – частота вращения при Nеmax (мин-1).

Пределы изменения нагрузки на двигатель, соответствующей его

устойчивой работе, оценивают запасом крутящего момента

МЗ=(КМ — 1)100 (%), где КМ = Мemax/MN – коэффициент приспосабливаемости по моменту. Приспосабливаемость двигателя по частоте оценивается коэффициентом Кω = ωN/ωMmax.

Коэффициенты уравнения принимаются для двигателя [3]:

дизельные двигатели

a = 1МЗКω(2Кω)/(Кω-1)2100;

b = 2MЗКω/ (Кω-1)2100;

c = MЗКω2/(Кω-1)2100;

бензиновые двигатели

а = 2-25/МЗ; b = 50/МЗ; с = 25/МЗ.

Коэффициенты aМ, bМ, cМ связаны с коэффициентами a, b, c следующими зависимостями:

2          2

aM = cMN/ωN ; bM = bMN//ωN ; c = aMN.

Коэффициенты для каждой передачи в правой части дифференциального уравнения движения ТС (для случая зависимости коэффициента сопротивления качения от скорости) определяются по формулам:

i

 

при разгоне ai = Ai – KВF; bi = Bi kƒmag; ci = Ci ƒ0mag;

i

 

при «выбеге»  a′

= KВ

F;  b′i

= magkƒ

;  c′

= magƒ0.

Время и  путь «выбега» рассчитываются при условии, что начальная скорость «выбега» равна конечной скорости разгона ТС, а конечная скорость «выбега» равна нулю. При этом необходимо учитывать измененную величину δвр и коэффициентов ai, bi и ci в связи с отключением двигателя.

Время разгона ТС на каждой передаче и время «выбега» определяются в сек. Путь разгона на каждой передаче и путь, проходимый ТС при «выбеге», определяются в м.

2. Порядок расчета скоростной характеристики

1. Определение начальной и конечной скоростей

VН1 = 0; VК1= VН2; VК2= VН3; и т.д.; Vi = 0,105ωNrK/Ui, м/с

где ωN  – частота вращения вала двигателя (мин-1), соответствующая максимальной мощности; Ui = Uiкп U0 –общее передаточное число равное произведению i — го передаточного числа коробки передач и передаточного числа главной передачи; rK – радиус качения (м), принимаемый равным статическому rСТ радиусу колеса.

2. Определение коэффициента учета вращающихся масс δвр.

При разгоне δвр  определяется на каждой передаче, при  «выбеге», (поскольку двигатель отключен) по уравнению δ′вр = 1+ ΣIk/r2 ma.

3. Определение коэффициентов ai, bi, ci осуществляется при разгоне и «выбеге» по соответствующим формулам.

4. Коэффициенты Аi, Вi и Сi определяются при разгоне на каждой передаче. При «выбеге» двигатель отключается, окружная сила на ведущих колесах отсутствует, коэффициенты равны нулю.

5. Определение коэффициентов аппроксимированной зависимости изменения крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала двигателя aМ, bМ, cМ (внешняя характеристика двигателя).

6. Определение коэффициентов, зависящих от типа двигателя, а,

b и с. При этом для расчета коэффициентов а, b и с необходимо знать запас крутящего момента МЗ в %

МЗ = (Mеmax-MеN)100/MKN = [Mеmax/(MеN-1)]100, %

где MеN = 9550Nmax/ωN – крутящий момент на частоте ωN.

7. Определение коэффициентов ai, bi, ci при разгоне (для каждой

передачи) и при “выбеге.”

8. Определение времени и пути при разгоне

Время разгона на каждой передаче определяется по формуле

τ=maδвр/ai(p-g)ln⎪(V-p)/(V-g)⎮⏐,

где p и g – корни уравнения aiV2+bi V+ci =0.

Корни p и g уравнения определяются по формулам

2          2

p = [-bi + √(bi — 4aici)]/2ai;       g = [-bi √(bi -4aici)]/2ai

Путь, проходимый ТС при разгоне, определяется на каждой передаче.

9. Время и путь «выбега» рассчитываются при условии, что начальная скорость «выбега» равна конечной скорости разгона ТС, а конечная скорость «выбега» равна нулю. При этом необходимо учитывать измененную величину δ′вр и коэффициентов ai′, bi′ и ci′.

τВ =(maδ′вр  √Δ)ln(2a′ V+b′

-√Δ)/(2a′ V+b′

+√Δ )⏐;

i           i           i           i

SВ=(1/2a′ )m δ′

ln|a′ V2+b′ V+c′ |⏐ b′ τ ,

i           a   вр   i           i           i           i  В

где Δ=b′ 2-4a′ c′   0

i           i   i

Время и путь “выбега” определяются при отрицательном значении

дискриминанта. По результатам расчета времени и пути разгона на каждой передаче и “выбега” строится график.

10. Определение максимального ускорения при разгоне проводится на каждой передаче с использованием дифференциального уравнения движения, представленного в следующем виде:

j = (aiV2 + biV + ci)/maδвр

При скорости, соответствующей максимальному ускорению, и равной V = bi/2ai, максимальное ускорение в процессе разгона ТС на заданной передаче определяется по формуле

jmax = (ci – bi2/4ai)/maδвр.

Величины коэффициентов ai,bi  и ci  соответствуют определенным

ранее для движения на соответствующих передачах.

11. Определение максимальной скорости движения проводится на

.высшей передаче при dV/dt = 0 по формуле

2

Vmax = (-bi √ bi

– 4aici)/2ai

Величины коэффициентов ai,bi  и  ci  определяются по формулам для движения на высшей передаче.

12. Определение силы тяги на крюке Ркр   проводится при установившемся движении ТС (dV/dt = 0), дифференциальное уравнение при котором принимает вид Pok = ΣPc Pкр,

где Рок= AiV2 + BiV + Ci, а ΣPc = mag(ƒ0 + kƒV)cosα + magsinα + KВFV2;

α угол преодолеваемого подъема.

Максимальная сила на крюке соответствует скорости V = bi2/2ai и определяется по выражению

2/4a =C –m g(ƒ

cosα+sinα)–(B — m gk cosα)2/4(A – K

F),        [H].

Pkpmax=ci–bi

i           i           a          0

i           a          ƒ          i           В

Коэффициенты Ai, Bi и Ci определяются по формулам для заданной передачи.

13. Определение максимального преодолеваемого подъема проводится для условия: dV/dt = 0.

Из уравнения силового баланса имеем

РКО = МКmax (ηu/rd) = magƒ0 cosα + magsinα. Для небольшой крутизны подъема можно принять cosα = 1, а sinα = i, следовательно,

imax = МКmax (ηu)/ mag rCT ƒ0.

Приложение 2

Пример расчета показателей тягово-скоростных свойств СТС с механической трансмиссией

Результатом расчета является скоростная характеристика разгон«выбег» с построением графика, а также максимальная устойчивая скорость,           ускорение      при      разгоне,          максимальный            преодолеваемый

подъем и сила тяги на крюке.

Таблица 1 П2

Исходные данные для расчета тягово-скоростной характеристики

Параметр

Наименование параметра

Величина

Размерность

M mT mП

Nemax Memax ωN

ωM Id rCT IK

Uki

U0

В

Н

Полная масса ТС (ma) Тягач (4 колеса) Прицеп (2 колеса)

Максимальн. мощность двигателя Максим. крутящ. момент двигателя Частота вращения при Nemax Частота вращения при Memax Момент инерции двигателя Статический радиус колеса

Момент инерции колеса

Передаточные числа КП:

1-я

2-я

3-я

4-я

З.х.

Передаточн. число главн. передачи

Колея

Габаритная высота

2150

1850

300

699

186,3

4500

2200-2400

0,31

0,31

1,244

3,5

2,26

1,45

1,0

3,54

4,1

кг кг кг

кВт

Нм

1/мин

1/мин кгм2

м кгм2

м м

Двигатель тягача – бензиновый.

1.Определение скоростной характеристики разгон –«выбег» Время и путь разгона определяются в диапазоне скоростей от начальной Vн   до конечной Vk  при отрицательном значении дискриминанта

при Δ=bi2-4aici  0,

τР = maδвр∫ dV/(aiV2+biV+ci ),

τ=(maδвр/√(bi24aici) ln{(2aiV+bi2 -√(bi24aici)/(2aiV+bi+√(bi24aici)}⏐,

или τР=maδвр /ai(p-g)ln(V-p)/(V-g)⎮⏐,

где p и g – корни уравнения aiV2+biV+ci =0

SР=maδвр ∫(VdV/aiV2+biV+ci),

откуда SР=(1/2ai)maδвр ln|aiV2+biV+ci|⏐ biτР.

При расчете разгона ТС начальная скорость на низшей передаче

Vн  =0, a конечная Vk  на всех передачах cоответствует угловой скорости вала двигателя ωN (об/мин).

Кинематические начальные и  конечные скорости на  передачах

рассчитываются по формуле

Vi  = 0,105ωN rk/Ui ,  м/с,

где ωN  – угловая скорость вала двигателя при Nemax  (об/мин); rk  –

радиус качения, принимаемый в расчете равным rСТ, (м); Ui – общее

передаточное число трансмиссии на i-й передаче: Ui =UkiU0;

Uki–передаточное число коробки передач на i-й передаче;

U0 –передаточное число главной передачи.

Определяем скорости на каждой передаче:

для первой передачи V1 = 0,105х4500х0,310/3,5х4,1 = 10,8 м/с.

Аналогично для V2, V3, V4  (м/с). Полученные величины скоростей

заносятся в табл. 2П2.

Таблица 2 П2

V1

V2

V3

V4

10,8

16,8

26,1

37,8

Принимается, что во время переключения передач падение скорости движения ТС не происходит (т.е. VН  на последующей передаче равна VК предыдущей).

Входящие в расчетные формулы времени и пути разгона параметры определяются из следующих положений

Коэффициент учета приращения масс δ∑V   (при  прямолинейном движении равен коэффициенту учета вращающихся масс δвр) определяется по формуле

δвр = 1 + (Id U2  η

+ ΣI

)/r2m ,

i           T          k          a

где Id  момент инерции вращающихся частей двигателя (момент инерции двигателя – маховика); ηT КПД трансмиссии; ΣIk сумма моментов инерции колес; r радиус колеса (статический); ma – масса ТС. Полученные значения заносятся в табл. 3П2.

Таблица 3 П2

δвр1

δвр2

δвр3

δвр4

1,054

1,046

1,042

1,04

При определении времени и пути «выбега» ТС коэффициент учета вращающихся масс определяется по формуле

δ′вр = 1+ ΣIk/r 2 ma,

где r – радиус колеса, который можно принять равным статическому радиусу колеса rcт; Ik-момент инерции колеса.

Коэффициенты для каждой передачи в правой части дифференциального уравнения движения ТС (для случая зависимости коэффициента сопротивления качения от скорости) определяются следующим образом.

При определении коэффициентов ai, bi, ci принимаем f =f0 +kfiV2,

η = 0,95 –КПД трансмиссии, g = 9,87 м/с2.

В случае разгона ai,= Аi — КВF – kffimag; bi,= Вi; ci = Сi g maf0.

В случае «выбега» a′

= K

F;  b′

= m gk

;  c′

= m gƒ .

i           В         i

a          ƒ          i           a          0

Коэффициенты Аi, Bi Ci будут равны

2          2          2

Ai = aМUi3ηi/rdrk 0,105 ; Bi = bМUi ηi/rdrk0,105; Ci = cМUiηi/rd,

где aМ, bМ, cМ  – коэффициенты аппроксимированной зависимости изменения крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала

двигателя Me = aМωe2 + bМωe +cМ; rd, rk соответственно динамический радиус и радиус качения. Принимаем rd = rk = rСТ

2          2

aM = cMN/ωN ; bM = bMN//ωN ; cМ = aMN,

Коэффициенты уравнения принимаются для бензинового двигателя [4]: а = 2-25/МЗ; b = 50/МЗ; с = 25/МЗ.

МЗ = (Memax – МКN)/МКN,

МКN = 9550 Nemax/ωN = 9550х69,9/4500 = 148,3 Н.м

МЗ = (186,3 – 148,3)/148,3 = 0,26, т.е. 26% — запас крутящего момента.

Определяем величины коэффициентов а, b и с:

а = 2 –(25/26) = 1,04; b = (50/26) 1 = 0,923; с = 25/26 = 0,962.

При  двух  известных точках внешней характеристики двигателя

Nemax, ωN и Memax, ωM рассчитывается характеристика

Me = MNa + bωe/ωN – c(ωe/ωN)2,        Нм

где  MN   =  9550Nеmax/ωN   –  момент,  соответствующий  максимальной мощности (Нм); Nеmax-максимальная мощность двигателя (кВт);

ωN –частота вращения при Nеmax  (1/мин).

Пределы изменения нагрузки на двигатель, соответствующей его устойчивой работе, оценивают запасом крутящего момента

МЗ=(КМ — 1)100 (%), где КМ = Мemax/MN – коэффициент приспосабливаемости по моменту. Приспосабливаемость двигателя по частоте оценивается коэффициентом Кω = ωN/ωMmax.

Определяем величины моментов для проверки:

2

 

Ме = МN[a+ bωе/ωN – c(ωе/ωN2) ] = аМN + b +с

Ме1 = 148,3[1,04 +0,923х3500/4500 – 0,962х(3500/4500)2] = 174,4 Нм

Ме2 (4000 об/мин) = 163,2 Н м; Ме3 (5800 об/мин) = 93,7 Н м.

Определяем коэффициенты aM; bM; cМ: aM = 0,962х(148,3/45002) = — 7.10-6; bM = 0,923х(148,3/4500) = 0,03;

cМ = 1,04х148,3 = 154,23.

Коэффициенты аналитической зависимости полной окружной силы на колесе от скорости движения (Рко = АiV2 + BiV + Ci) определяются по формулам

Ai = aМUi3ηi/rСТ30,1052; Bi = bМUi2ηi/rСТ2 0,105; Ci = cМUiηi/rСТ,

где aМ, bМ, cМ  – коэффициенты аппроксимированной зависимости изменения крутящего момента от скорости вращения коленчатого вала

двигателя Me = aМωe2 + bМωe +cМ.

Определение коэффициентов полной тяговой силы от скорости на

каждой передаче: Ai, Bi и Сi. Рассчитанные коэффициенты заносятся в табл. 4П2, 5П2, 6П2.

Ai1= — 7 10-6(3,5х4,1)3х0,92х0,95/0,313х0,1052 = 49,0.

Аналогично определяем Ai2, Ai3, Ai4.

Таблица 4 П2

Ai1

Ai2

Ai3

Ai4

49,0

13,2

3,5

1,14

Bi1= 0,03(3,5х4,1)2 х0,92 х 0,95/0,312х0,105) = 504,8.

Аналогично определяем Bi2, Bi3, Bi4.

Таблица 5 П2

Bi1

Bi2

Bi3

Bi4

504,8

210,5

86,6

41,2

Ci1 = 154,23(3,5х4,1)х0,92х0,95/0,31 = 6239,8.

Аналогично определяем Ci2, Ci3, Ci4.

Таблица 6 П2

Ci1

Ci2

Ci3

Ci4

6239,8

4029,13

2585,0

1782,8

Принимаем коэффициент сопротивления качению fК =0,01; Кff0 = 7 10-6; коэффициент обтекаемости КВ  = 0,27 (Нс2 /м4); лобовая площадь для ТС небольшой массы 0,8 Fa

Fa = B НГ= 1730 х 1490 = 2,58х 0,8 = 2,062 м2 = 2,1м2, вес автопоезда

Ga = 2120х9,87 = 20797,2 Н,

где В – колея агрегата м ; НГ– габаритная высота м .

Коэффициент сопротивления качению принимается одинаковым

для всех колес.

Определяем коэффициенты аi, bi, сi. аi1  = — 49 – 0,27х2,1 – 7 10-6х20797,2 = — 49,7 аi2  = — 13,2 0,27х2,1 7 10-6х20797,2 = — 13,9 аi3  = — 3,5 0,27х2,1 7 10-6х20797,2 = 4,2 аi4 = — 1,14 0,27х2,1 7 10-6х20797,2 = 1,8

bi = Вi,, сi = Ci.

где В – колея агрегата м ; Нг – габаритная высота м .

Коэффициент сопротивления качению принимается одинаковым

для всех колес.

Определяем p и g – корни уравнения         aiV2+bi V+ci =0 для каждой передачи. Корни p и g уравнения определяются по формулам

2          2

p = [-bi + √(bi — 4aici)]/2ai;       g = [-bi √(bi -4aici)]/2ai.

Передача 1. — 49,7х V2 + 504,8 V +6239,8 = 0

49,7х V2 — 504,8 V – 6239,8 = 0

D = (504,8)2 – 4х49,7(-6239,8) = 143690

V = (504,8 ± √ D)/2х49,7

р = 17,38; g = 7,22.

Передача 2. — 13,9х V2 +210,5 V +4029,13 = 0

13,9х V2 – 210,5 V 4029,13 = 0

D = (210,5)2 + 4 х 13,9 х 4029,13 = 268329,87

V = (210,5 ± √ D)/2х13,9

р = 26,9; g = 11,06.

Передача 3. – 4,2х V2 + 86,6 V + 2585 = 0

D = (86,6)2 + 4 х 4,2 х 2585 = 50962,24

V = (86,6 ± √ D)/2х4,2

р=37,2; g = 16,6.

Передача 4. – 1,8 V2 + 41,2 V + 1782,8 = 0

D = (41,2)2 +4 х 1,8х1782,8 = 14533,6

р= 45,0; g = 22,04.

Определение времени и пути разгона

Время разгона на каждой передаче определяется по уравнению

τРi=maδвр /ai(pi-gi)ln(V-pi)/(V-gi)⎮⏐

τР1 = [(2120х1,054)/-49,7х(17,38+7,22)]х{ln|[(10,8–17,38)/(10,8+7,22)]| ln[(0 – 17,38)/(0 + 17,22)] } = 3,44.

Аналогично определяется время (с) разгона на передачах 2 – 4 и заносится в табл. 7П2.

Таблица 7 П2

τР1

τР2

τР3

τР4

3,44

6,2

8,35

21,6

Путь, проходимый ТС при разгоне, определяется по уравнению: SР=(1/2ai)maδвр ln|aiV2+biV+ci|⏐ biτР.

SР1 = 1/2х(-49,7) {2120 х 1,054 ln⎮(49,7 х10,82 + 504,8х10,8 +

6239,8)/6239,8| 504,8 х 3,44} = 1/2х(-49,7) 2234,48 х (-5,69102) –

1736,51 = 18,7 м.

Аналогично определяем путь (м) при разгоне на передачах 2 4 и заносим в табл. 8П2.

Таблица 8 П2

SР1

SР2

SР3

SР4

18,7

66,9

182

714,5

Определение времени и пути «выбега»

Время и путь «выбега» рассчитываются при условии, что начальная скорость «выбега» равна конечной скорости разгона ТС, а конечная скорость «выбега» равна нулю. При этом необходимо учитывать измененную величину δвр и коэффициентов ai, bi   и ci.

ai = (Ga Kf + KВF) = (2120×9,8×7 10-6 + 0,27×2,062) = 0,702;

bi = — Ктр =4; ci.= (Gaf0 + ртр0) = 2120х9,8х0,01 + 15) = -222,76;

δ′вр = 1+ ΣIk/r 2 ma = 1 + 7,464/2120х0,312 = 1,034;

τВi = [ma δ′

/√(b 2-4a c )] ln|[(2a

V + b ) √(b 2-4a c )]/ |[(2a

V + b ) +

вр        i           i  i

2

i           i           i           i  i        i           i

+ √(bi — 4aici)]| = (2120×1,034/25,32) х ln(4 – 25,32)/(4 + 25,32) ln [(2х0,702х37,8) 4 – 25,32]/[2х(-0,702)х(37,8)+4 + 25,32] = 97,2 с. SВi = 1/2(-0,702){2120 х 1,034 ln|(222,76)/(0,702х37,82 – 4х37,8 –

222,76) | + 4х57,2 } = 887 м.

По результатам расчета времени, пути разгона и времени и пути

 

«выбега» строится график рис. 1П2.

Рис. 1 П2. График скоростной характеристики разгон-«выбег»

Определение максимальной скорости движения

Расчет проводится при движении ТС по горизонтальной дороге на высшей передаче при полной подаче топлива. Расчет проводится по формуле Vmax = (-bi √ bi2 – 4aici)/2ai,

Vmax = [ b4   ± √ b42 4a4 c4]/2 a4,

Vmax = [ 41,2 ± √41,22 – 4х(-1,8)х1782,8]/2х(-1,8) = 45 м/с.

Определение максимального преодолеваемого подъема

Расчет проводится при dV/dt = 0. Поскольку скорость мала, можно принять, что РВ = 0, f = f0, двигатель работает на максимальной мощности МКmax., rd = rСТ, угол подъема небольшой cosα = 1; sinα = i.

Из уравнения силового баланса

РКО = МКmax (ηu/rd) = magƒ0 cosα + magsinα.

Учитывая, что угол подъема небольшой, можно принять

cosα = 1; sinα = i.

Следовательно, из уравнения имеем

imax = МКmax (ηu)/ mag rCT ƒ0 =

= [(186,3х3,5х4,1х0,92)/2120х9,8х0,31] – 0,01 = 0,37149

αmax = 21,80.

Длина динамически преодолеваемого подъема

Длина подъема определяется из уравнения при VK  = 0 и уклоне i

(принимаем i = 3%.)

Sφ  =(1/2ai)maδвр ln|aiV2+biV+ci mag i|⏐ biτР.

Sφ = 1/2х(-1,8) 2120х1,4х ln|(-1,8)х37,82 + 41,2х37,8 + 1782 –

2120х9,8х0,03| 41,2 = 303,3 м.

Определение ускорения при разгоне

Ускорение определяется из уравнения

j = dV/dt = (aiV2 + biV + ci)/maδВР

при приравнивании нулю первой производной ускорения по скорости

для определения величины скорости, при которой ускорение будет максимальным. Выражение для скорости будет равно

V = bi/2ai.

Максимальное ускорение в процессе разгона ТС на заданной передаче будет равно jmax = (ci – bi2/4ai)/mag δВР.

jmax1 = [(6239,8 – 504,82/(-4х49,7)]/2120х1,054 = 0,56 м/с2.

Аналогично определяем jmax2, jmax3, jmax4 (м/с2) и полученные величины заносим в табл. 9П2.

Таблица 9 П2

jmax1

jmax2

jmax3

jmax4

О,56

0,33

0,13

0,054

Определение силы тяги на крюке

Максимальная сила тяги на крюке определяется по формуле

2/4a =C

– m g(ƒ

cosα+sinα) – (B — m gk cosα)2/4(A – K F)

Pkpmax=ci–bi i           i           a          0

i           a          ƒ          i           В

при скорости V = bi2/2ai и α = 0.

Pkpmax1 = (6239,8 – 504,82)/(-4)х49,7 = 1250,4 Н

Аналогично определяем Pkpmax    в (Н) на других передачах и результат расчета заносим в табл. 10П2

Таблица 10 П2

Pkpmax1

Pkpmax2

Pkpmax3

Pkpmax4

1250,4

762,9

351

18,7

Приложение 3

Пример расчета топливной экономичности СТС Расчет путевого расхода топлива

Таблица 1 П3

Исходные данные для расчета расхода топлива СТС

Параметр

Наименование параметра

Величина

Размерность

ma NeMAX nN

qe ud uГ ηТ r

f0

Kf

Полная масса

Максимальная мощность двигателя Частота вращения при NeMAX Удельный  расход топлива при NeMAX Передаточн. число доп коробки Передаточн. число главной передачи КПД трансмиссии

Радиус колеса rK = rCT

Коэффициент            сопротивления            качению

Коэффициент скоростных потерь

2600

154,4

2600

300

0,81

5,94

0,95

507,52

0,00785

0,0000267

кг кВт

1/мин

г/кВт•ч

мм с/м

1.Определяем Nf и NB при V = 10, 15, 18 и 20 м/с по формулам

Nf = РКОu/1000 = fG0u/1000

NB = KBFV3/1000, учитывая, что V = 0,105nrcn/u, где u = uГudui.

Принимаем, что ui – 5-я ускоряющая передача ui = 4,814.

2.Рассчитываем Nе при соответствующих оборотах по формуле

Nе = 154,4[0,807n/2600 + 1,032(n/2600)2 – 0,84(n/2600)3 ].

3.По известным зависимостям (см. расчет тягово-скоростной характеристики) определяем ui для различных передач; а также определяем коэффициенты kN и kЧ и коэффициент учета вращающихся масс δВР для различных передач.

Учитывая, что расчет топливной экономичности является приближенным, величины коэффициентов kN и kЧ принимаются в зависимости от типа двигателя.

4. По формуле QS = qеNеkP/ 36Vρ определяем QS при различных принятых скоростях движения ТС и величинах массы ma = 10000, 15000,

18000 кг.

Принимаем в расчете kP = 0,95.

Результаты расчета представляем в табл. 2 П3 и 3 П3 для различной скорости движения ТС и массы.

Таблица 2 П3

Результаты расчета QS = f(V)

V [ м/с ]

10

15

18

20

Nf кВт

NB кВт

n 1/мин

Ne кВт

U

KN KЧ qe

QS л/100 км

21,34

3,73

902,6

57,03

0,51

0,855

1,02

203,8

19,2

32,54

12,6

1354

89,8

0,588

0,817

0,969

184,6

20,9

39,4

21,8

1625

108,4

0,66

0,8

0,954

177,9

22,8

44,1

29,9

1805

119,9

0,722

0,802

0,95

177,5

24,7

Таблица 3 П3

Результаты расчета QS = f(ma ) – при V = 20 м/с

Mа [ т ]

10

15

18

Nf U KN qe

QS л/100 км

16,45

0,452

0,904

200,1

17,44

24,67

0,532

0,844

186,9

19,2

29,61

0,58

0,82

181,6

20,32

По результатам расчета строятся графики зависимости QS от скорости V и массы mа

Приложение 4

Материал взят из книги Расчет тягово-скоростных свойств и топливной экономичности специальных транспортных средств (А.М. Петренко)