Подбор двигателя и пример расчета

Когда известно изменение силы тяги на колесах в зависимости от скорости движения автомобиля и суммарной силы сопротивления движению, можно определить максимальную скорость. На рис. 26 показано изменение силы тяги на колесах автомобиля я (верхняя кривая) и сумма сил сопротивления движению (нижняя кривая) в зависимости от скорости движения. На графике сила дана в ньютонах, чтобы выразить ее в килограммах, достаточно разделить на 9,8.

Рис. 26. График изменения силы тяги и силы сопротивления на колесах автомобиля

Кривая изменения суммы сил сопротивления построена по точкам, соответствующим значениям величин, полученным при равномерном движении автомобиля с заданной скоростью. Так как движение равномерное, то, естественно, сюда не включена сила инерции. Поэтому в сумму сопротивления входят: сила сопротивления качению Р_к, сопротивление подъема Р_п и сила сопротивления воздушной среды Р_в.

Если бы в каждый отдельный момент сила тяги на колесах была равна суммарным значениям сил сопротивления для данной скорости, то автомобиль двигался бы равномерно. Однако, как видно из рисунка, значение силы тяги совпадает с суммарным значением сил сопротивления только в одной точке А, соответствующей определенному значению скорости автомобиля. Влево от этой точки сила тяги превышает значение сил сопротивления. Этот избыток сил, обозначенный Р′_п, позволяет преодолеть инерцию и сообщает автомобилю ускорение.

Поэтому при полном открытии дроссельной заслонки автомобиль движется на скоростях, лежащих влево от точки А, т. е. с ускорением. Вправо от точки пересечения кривых сила тяги меньше сил сопротивления движению, и автомобиль начинает замедлять ход. Точка пересечения этих кривых А обозначает максимальную скорость движения автомобиля, которую можно достичь при заданных условиях и полном открытии дроссельной заслонки.

Зная ориентировочно вес будущего автомобиля, его лобовую площадь и коэффициент сопротивления воздуха, состояние дорожного полотна и тип покрытия, а также максимально возможный угол подъема на тех дорогах, на которых в дальнейшем он будет эксплуатироваться, можно подсчитать суммарную величину всех сил сопротивления движению и построить кривую этих сил. Возникает вопрос, где же взять значение силы тяги Р_т?

Сила тяги на колесах зависит от величины крутящего момента, который подводится к ним через передачу от двигателя. Следовательно, значение крутящего момента на колесах зависит от величины его на валу двигателя и от передаточного отношения трансмиссии, т. е. передаточного числа той механической связи, посредством которой вал двигателя связан с ведущими колесами.

Обычно число оборотов вала двигателя бывает больше требуемого числа оборотов колеса, когда последние были бы соединены без передачи - напрямую. Поэтому для снижения оборотов между двигателем и осью ведущих колес используют коробку передач и главную передачу. Снижение оборотов колес по сравнению с оборотами двигателя приводит одновременно к увеличению крутящего момента на колесах. Помимо этого, величина силы тяги на колесах зависит от радиуса качения колеса и коэффициента полезного действия трансмиссии η:

где М_кр - крутящий момент на валу двигателя, кгм;

i_к - передаточное число включенной передачи в коробке передач;

i_г.п. - передаточное число главной передачи;

r_к - радиус качения колеса, м.

Максимальную скорость автомобиль развивает на горизонтальном участке дороги с твердым покрытием, когда значение коэффициента сопротивления качения наименьшее, а сила сопротивления подъему отсутствует (угол а равен нулю). В этот момент машина обычно движется на прямой передаче, величина передаточного отношения в трансмиссии равна только передаточному числу главной передачи i_г.п. Уравнение тягового баланса автомобиля в этом случае примет более простой вид

Чтобы определить необходимый крутящий момент на валу двигателя для данных условий движения, нужно знать: вес автомобиля, максимальную скорость движения, радиус качения колеса, т. е размер шин, передаточное отношение главной передачи и коэффициент полезного действия трансмиссии.

В "Технических требованиях к микролитражным автомобилям и мотоколяскам, изготовляемым в индивидуальном порядке" указано, что самостоятельно можно изготавливать микролитражные автомобили и трехколесные мотоколяски с рабочим объемом двигателя не более 900 см³. Таким образом, на основе анализа существующих конструкций можно предположить, что масса этих автомобилей с полной нагрузкой не будет более 800 кг (7850 ньютонов), а у мотоколясок с двигателем объемом в 300 см³ - 400÷450 кг (3900÷4400 ньютонов). Для двухместных микролитражных автомобилей масса должна быть равна примерно 600 кг (5870 ньютонам). Для четырехместных автомобилей при расчетах следует принимать массу 650÷700 кг (6360÷6850 ньютонов). Следовательно, приступая к расчету, можно ориентировочно установить вес (массу) автомобиля.

Величина радиуса качения колеса зависит от размеров шин. Колеса и шины для самодельных автомобилей берутся от мотороллеров, мотоколясок, малолитражных автомобилей, выпускаемых промышленностью. Основные сведения по шинам, которые можно устанавливать на самодельные микролитражные автомобили, приведены в таблице 3.

Таблица 3

В обозначении размеров шин первое число показывает величину профиля шины в дюймах, а второе - диаметр обода колеса также в дюймах. По этим размерам можно определить номинальный радиус колеса r′_к, находящегося в свободном состоянии,

где b - наибольшая ширина профиля накаченной шины в дюймах;

d - диаметр обода колеса в дюймах.

Под действием веса автомобиля и пассажиров шина деформируется, в результате чего расстояние от центра колеса до поверхности контакта протектора с дорогой изменяется. Новый радиус колеса будет меньше номинального. Он называется радиусом качения колеса и определяется непосредственным измерением или рассчитывается по формуле, в которую вводится коэффициент радиальной деформации шины

где r_к - радиус качения колеса;

r′_к - номинальный радиус колеса;

λ - коэффициент деформации шины, принимаемый в пределах 0,94-0,96.

Во время движения автомобиля расстояние от оси его колес до поверхности дороги не всегда будет соответствовать статическому радиусу качения, но для наших расчетов изменение радиуса качения при движении можно не учитывать. Следовательно, выбрав размер шин, можно узнать и радиус качения колеса.

Когда автомобиль движется на прямой передаче, передаточное число коробки передач равно 1. Передаточное число главной передачи можно определить, если известны числа оборотов двигателя и колеса, соответствующие заданной скорости. Отношение количества оборотов вала двигателя и колеса будет необходимым числом главной передачи.

Для определения числа оборотов колеса при заданной скорости ν в км/час следует вначале скорость движения из км/час перевести в м/мин

Затем разделить полученное значение скорости на длину окружности выбранного колеса, чтобы получить число оборотов колеса в минуту

После чего определить передаточное число главной передачи

Расчет передаточного числа главной передачи дан применительно к автомобилям, где коленчатый вал непосредственно соединен с ведущим валом коробки передач. При установке мотоциклетных двигателей следует иметь в виду, что у них в передаче коленчатый вал соединен с ведущим валом коробки передач через цепную передачу, передаточное число которой можно взять из справочных книг. Таким образом, чтобы получить передаточное число главной передачи, необходимо полученное расчетное число i′_г.п. разделить на передаточное число передней цепной передачи силового агрегата мотоцикла i_п

По техническим условиям максимальная скорость самодельных автомобилей установлена 75 км/час, а мотоколясок - 50 км/час. Число же оборотов вала двигателя при максимальной мощности (значение приводится в технических характеристиках) не соответствует числу оборотов его при максимальной скорости движения и бывает примерно на 15-20% меньше последнего. Следовательно, при определении передаточного числа главной передачи необходимо число оборотов вала двигателя при максимальной мощности увеличить на 15-20%.

Число оборотов коленчатого вала в минуту при максимальной мощности двигателей самодельных автомобилей бывает в пределах 4800-5000 (если они взяты от мотоциклов) и около 4000 (если двигатель мотоколяски или микролитражного автомобиля). Конечно, эти значения ориентировочные и даны для выполнения предварительных расчетов.

Коэффициент полезного действия η, учитывающий потери мощности и крутящего момента в трансмиссии автомобиля, при тяговых расчетах берется по аналогии с уже существующими моделями. Для легковых автомобилей к. п. д. можно принимать равным 0,9.

Установив значения коэффициента качения ƒ, исходя из возможных дорожных условий, максимальной скорости, лобовой площади и коэффициента сопротивления воздуха, можно рассчитать необходимую тяговую силу для равномерного движения автомобиля на горизонтальном участке дороги

Значение силы по этому уравнению получается в единицах кгс. Для перевода в ньютоны (единицы силы в системе СИ) полученное значение необходимо умножить на 9,8.

Затем по формуле:

определить величину необходимого крутящего момента на валу двигателя для скорости, которую автомобиль развивает при числе оборотов двигателя, соответствующих максимальной мощности.

В приложении 2 в конце книги приведена таблица, в которой даны основные характеристики выпускаемых двигателей, устанавливаемых на мотоциклах, мотороллерах, мотоколясках и микроавтомобилях. По полученному значению крутящего момента двигателя при оборотах, соответствующих максимальной мощности, можно подобрать необходимый силовой агрегат для проектируемого автомобиля.

Конечно, весь рассмотренный выше расчет приближенный, но все же по нему можно произвести первоначальный подбор двигателя.

В конструкторских бюро двигатель для автомобиля выбирают с учетом различных факторов. Так, с увеличением или уменьшением числа оборотов коленчатого вала мощность его, а также крутящий момент изменяются. Кроме того, мощность карбюраторных двигателей зависит от величины открытия дроссельной заслонки.

Изменение мощности и крутящего момента в зависимости от числа оборотов коленчатого вала двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке изображается графически на основе проведенных испытаний двигателя а иногда расчетным путем. Называется оно внешней характеристикой двигателя.

На рис. 27 показаны внешние характеристики двух мотоциклетных двигателей - М-53 и Иж-Ю. Как видно из этих характеристик, максимальные значения мощности и крутящего момента получаются при различных числах оборотов коленчатого вала. Причем с изменением их мощность двигателя значительно изменяется, тогда как крутящий момент изменяется более плавно. В дальнейшем, при определении динамических качеств создаваемого автомобиля, мы вновь вернемся к внешней характеристике двигателя.

Рuc. 27. Внешние характеристики мотоциклетных двигателей: а - М-53; б - Иж-Ю

В графике (рис. 27) показана взаимосвязь крутящего момента и мощности на валу в зависимости от количества оборотов двигателя. Она позволяет нам при известном числе оборотов перейти от значений крутящего момента, получаемых при расчете, к мощности.

Теперь рассмотрим, как можно подобрать двигатель?

Вы, например, решили построить четырехместный микроавтомобиль с кузовом из стеклопластика, рассчитанный на перевозку двоих взрослых и двух детей. Поскольку он будет в основном эксплуатироваться на дорогах с асфальтобетонным и асфальтовым покрытием, при расчете коэффициент сопротивления качению можно принять равным 0,02.

Такой автомобиль по своим размерам ближе подходит к легковым микролитражкам и, следовательно, лобовую площадь, не зная еще ее размеров, примем по аналогии с существующими моделями равной 1,4 м², а коэффициент сопротивления воздуха - 0,03.

Максимальную скорость автомобиля выбираем на основании технических условий - до 75 км/час.

Анализируя существующие конструкции, приходим к выводу, что сухой вес автомобиля должен быть около 500 кг, вес взрослых пассажиров в среднем составит 75×2=150 кг, а двух детей - 37,5×2=75 кг. Итого: вес пассажиров равен 225 кг. Добавим еще 25 кг на снаряжение автомобиля. Тогда полный вес автомобиля окажется равным 750 кгс. Это и будет расчетный вес.

Чтобы автомобиль двигался на горизонтальном участке дороги с коэффициентом сопротивления качению 0,02 и скоростью 75 км/час, на его колесах должна развиваться тяговая сила, равная

Теперь можно перейти к определению крутящего момента двигателя или его мощности. Но для этого необходимо знать радиус качения колеса и передаточное число главной передачи. Конечно, проще всего использовать колеса от мотороллера, так мы и сделаем и примем радиус качения колеса для расчета 0,22.

Так как на автомобиле, вероятно, придется использовать двигатель от мотороллера или мотоцикла, то за расчетное число оборотов двигателя примем максимальную мощность 4800 об/мин. Чтобы получить число оборотов при максимальной скорости, увеличим его на 15-20%. Затем определим число оборотов ведущего колеса при расчетной скорости в 75 км/час, и далее передаточное число главной передачи

Приняв коэффициент полезного действия трансмиссии 0,9, подсчитаем, какой крутящий момент двигателя необходим для того, чтобы обеспечить на колесах рассчитанную выше тяговую силу

По таблице в приложении 2 найдем более близкую величину по значению крутящего момента. Для нашего приближенного расчета подойдет двигатель от мотороллера Т-250, который при максимальной скорости развивает на валу крутящий момент, равный 1,57 кгм. Двигатель снабжен устройством принудительного охлаждения, и нам не нужно рассчитывать и проектировать вентилятор, направляющий кожух. Следует только в передачу вращения от двигателя к ведущим колесам включить устройство заднего хода.

Ориентировочно можно рекомендовать следующие двигатели для автомобилей, имеющих различный полный вес.

На детских микроавтомобилях, полный вес которых не более 200 кг, достаточно установить двигатели от мопедов Ш-50, Д-4 и Д-5.

На одноместные или двухместные микроавтомобили, полный вес которых превышает 400 кг, можно поставить двигатели мотороллеров и легких мотоциклов ВП-150 ВП-175, М-1, К-125, М-103 и К-58. А двигатели типа Т-200, ТГ-200, К-175 и К-175А от мотоколяски СЗЛ подойдут к автомобилям, вес которых составляет 400-800 кг.

Для четырехместных автомобилей с легким кузовом, имеющих вес с полной нагрузкой примерно 600-700 кг, подойдут двигатели мотороллера Т-250 и мотоцикла М-101.

На автомобилях, полный вес которых равен 700-850 кг, можно установить двигатели от мотороллера 1-250, мотоколяски СЗА, мотоциклов Иж-56, "Ява-250". А двигатели тяжелых мотоциклов, таких как К-750, М-72M, М-62, М-52, "Ява-350", а также малолитражных автомобилей рекомендуем устанавливать на более мощных автомобилях (четырехместных), вес которых составляет свыше 900 кг.

Учитывая, что эти рекомендации ориентировочные, необходимо в каждом конкретном случае выполнить тяговый расчет, чтобы избежать установки двигателя повышенной мощности или не обеспечивающего нужного тягового усилия.