Двигатель внутреннего сгорания. Расчёт тягача

Министерство образования Российской Федерации

Братский государственный технический университет

Кафедра Строительные и дорожные машины и оборудование























Курсовая работа

Двигатель внутреннего сгорания. Расчёт тягача

























Братск 2003


Задание на курсовую работу

тяговый расчет тягач скорость

1.Трактор – гусеничный;

2.Тяговое усилие на крюке – 13 ×104 Н;

3.Номинальная скорость – 7,0 км/ч;

4.Номинальная частота вращения коленчатого вала – 2200мин-1;

5.Удельный расход топлива – 250 гр/кВт×ч;

6.КПД трансмиссии – 0,88;

7.Коэффициенты С1 – 0,87 и С2 – 1,13;

8.Коэффициенты А = 0,047;В = 0,101×102; φ= 0,6; f = 0.08;

9.Кисло передач трансмиссии n = 8.

	

Необходимо:



1.Определить массу тягача;

2.Рассчитать номинальную мощность двигателя;

3.Построить скоростную и регуляторную характеристику двигателя;

4.Построить потенциальную тяговую характеристику;

5.Определить скорости тягача и передаточные числа трансмиссии;

6.Построить тяговую характеристику тягача графическим способом.




Содержание



1.Тяговый расчёт тягача с механической трансмиссией

1.1 Определение массы тягача

1.2 Определение номинальной мощности двигателя

1.3 Построение скоростной и регуляторной характеристики двигателя

2. Построение потенциальной тяговой характеристики

3. Определение скоростей тягача и передаточных чисел трансмиссии на различных передачах

Список использованной литературы






1.Тяговый расчёт тягача с механической трансмиссией



Тяговый расчет производится для определения ряда параметров тягача и построения его тяговой характеристики. Последовательность работы:

- определение массы тягача;

- определение номинальной мощности двигателя;

- построение скоростной характеристики двигателя;

- построение регуляторной характеристики двигателя:

- построение потенциальной тяговой характеристики и определение скоростей тягача. 

	

1.1 Определение массы тягача



Максимальная масса тягача определяется исходя из номинального тягового усилия, развиваемого тягачом; коэффициента сцепления, определяемым характером поверхности качения; коэффициента загрузки ведущих колёс; коэффициента сопротивления качению.







где Ркр.н – номинальное тяговое усилие, Н;

φ – коэффициент сцепления, определяемый характером поверхности качения;

λк – коэффициент загрузки ведущих колёс (для гусеничных тягачей λк = 1);

f – коэффициент сопротивления качению;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

1.2 Определение номинальной мощности двигателя


Номинальная мощность двигателя N определяется из условия реализации номинального тягового усилия Р, заданного для номинальной рабочей скорости тягача:



 кВт,



где ηим - коэффициент использования мощности, учитывающий запас мощности двигателя для преодоления повышения момента сопротивления без переключения передач, принимается равным 0,95;

ηxx - коэффициент, учитывающий затраты мощности на привод вспомогательных механизмов (вентилятора, компрессора и др.), принимается равным 0,9

Uн - номинальная рабочая скорость тягача, определяемая заданием, км/ч;

ηт - тяговый КПД ,

ηт = ηтр × ηДВ × ηδ × ηf,

где ηт – КПД трансмиссии; ηДВ – КПД движителя, принимается для колесного движителя приближенно равным единице, для гусеничного движителя в общем случае может быть определен из уравнения:



 ,



ηδ - скоростной КПД движителя, учитывающий буксование машины, принимается для колесного движителя равным 0,82÷0,85, для гусеничного - 0,94 ÷ 0,96;

ηf - силовой КПД, учитывающий потери мощности на преодоление, сопротивления качению.


 ,



где Рf – окружная сила, необходимая для перекатывания трактора,







Подставляя в формулы числовые значения, вычислим неизвестные величины:



;







ηт = ηтр × ηДВ × ηδ × ηf, = 0,88 × 0,93 × 0,96 × 0,87 = 0,68



Таким образом номинальная мощность двигателя равна:







1.3 Построение скоростной и регуляторной характеристик двигателя



Для построения характеристик выбирается номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя nен при номинальной мощности Nен. Номинальная частота назначается в зависимости от быстроходности двигателя в пределах 1500...2500 об/мин. Частота вращения на холостом ходу:



nxx =(1,07... 1,1) × nен = 1,07 × 2200 =2354 мин-1



Частота вращения при максимальном крутящем моменте определяется по формуле:

nем =0,5 × С2 × nен. = 0,5 × 1,13 × 2200 = 1243 мин-1

где С2 - коэффициент, зависящий от способа смесеобразования двигателя.

Мощность холостого хода Nхх при частоте вращения nxx принимается равной нулю, причем характер изменения эффективной мощности Ne на регуляторной ветви характеристики от nен до nxx линейный.

Мощность двигателя на перегрузочной ветви скоростной характеристики от nен до nем вычисляется не менее, чем в пяти точках по формуле



Nei = Nен (C1 – аi + C2 - ai2 - ai3),



где аi - отношение текущего значения частоты вращения вала двигателя nei к частоте вращения вала при номинальной мощности nен; nei изменяется в пределах от nен до nем.

Значения крутящего момента двигателя Mei определяется по формуле:



,



где Nei – текущее значение эффективной мощности.

Все полученные в этом разделе данные сведены в таблицу 1


Таблица 1

Показатели

nем

1243

n1

1400

n2

1560

n3

1720

n4

1880

n5

2040

nен

2200

nхх

2354

a = nei / nen

a

0.57

0.64

0.71

0.78

0.85

0.93

1.0

-

a2

0.33

0.41

0.50

0.61

0.72

0.87

1.0

-

a3

0.185

0.262

0.358

0.475

0.614

0.804

1.0

-

Nei = Nen (C1 × ai + C2 × ai2 – ai3)

Nei, кВт

297,30

329,60

358,56

388,21

408,29

429,64

434,77

0

Mei = 9555×Nei / nei

Mei , Н×м

2284,36

2249,52

2196,18

2156,60

2075,11

2012,36

1888,29

0

gei = gen ×(1.2 – 1.2 × ai + ai2)

gei, г/кВт×ч

211,5

210,5

212

218,5

225

238,5

250



Gei = gei × Nei / 1000

Gexx

Gei, кг/ч

62,88

69,38

76,02

84,82

91,87

102,47

108,69

35,43



Часовой расход топлива на холостом ходу определён по формуле:



		Gexx = 0.0815 ×Neн , кг/ч.

		

		По результатам расчётов строим скоростную и регуляторную характеристику (приложение 1 и 2)

		


2. Построение потенциальной тяговой характеристики



Потенциальная тяговая характеристика - это идеальная характеристика, которую может иметь тягач, оборудованный бесступенчатой коробкой перемены передач, обеспечивающей во всем диапазоне тяговых усилий Ркр передачу номинальной мощности Nен, развиваемой двигателем.

Потенциальная тяговая характеристика представляет собой графическую зависимость буксования δ, потерь мощности в трансмиссии и движителе Nтрδ, потерь мощности на буксование Nδ, потерь мощности на преодоление сопротивления качению Nf, тяговой мощности Nкр, теоретической скорости Uт, и действительной скорости Uд от тягового усилия Ркр. При этом считается, что номинальная мощность Neн, развиваемая двигателем, постоянна во всем диапазоне тяговых усилий.

При любом значении тягового усилия Ркр должно выполняться условие: 

или:

,

где Nен × ηим × ηхх = Nесв - свободная мощность, реализуемая в трансмиссии и движителе.

Начальным этапом при построении потенциальной тяговой характеристики является расчет значений коэффициента буксования по эмпирической формуле:



δ =A (PKp/R)+B (Ркр/R)n



где А, В - коэффициенты, величина которых зависит от поверхности качения (см. табл.2);

Ркр/R- отношение значений тягового усилия к реакции грунта на ведущие колеса; для гусеничных и колесных тягачей можно принять

R = mmax × g., где mmax – масса на ведущие колёса.

Текущее значение величины Ркр, используемое при построении характеристики, определяется из отношения PKp/R, значения которого изменяются в пределах от 0 до 1 через интервал 0,05.

При построении кривой буксования δ% = f(PKp) расчетные значения коэффициента буксования δ переводятся в проценты:







где δ – текущее значение коэффициента буксования;

δ0,95 – значение коэффициента буксования, которое соответствует величине PKp/R = 0,95.

Зависимость Nесв = f(Ркp) выражается прямой, которая строится параллельно оси абсцисс во всем диапазоне тяговых усилий



Nесв = Nен × ηим × ηхх = const.



Вниз от прямой Nесв = f(Ркp) откладываются значения Nтрδ потерь мощности в трансмиссии н движителе:



Nтрδ = Nесв ×(1- ηтр × ηдв)



Разность между свободной мощностью, реализуемой в трансмиссии и движителе, и потерями мощности Nтрδ представляет собой мощность на ведущих колесах тягача Nвк



Nвк= Nесв - Nтрδ.


Так как Nтрδ во всем диапазоне тяговых усилий принимается постоянной, линия Nвк будет параллельной линии Nесв и оси абсцисс.

По зависимости:

Nδ = Nвк × δ% / 100%

вычисляются и откладываются вниз от линии Nвк значения потерь мощности на буксование Nδ.

По формуле:







находятся значения теоретической скорости UT.

Значения действительной скорости определяются следующим образом:





По формуле:







определяются величины потерь мощности на преодоление сопротивления качению. Эти значения откладываются вниз от линии, полученной при определении потерь мощности на буксование Nδ.

Разность Nесв- Nтрδ –Nδ- Nf определяет значения тяговой мощности NKP в данных точках для конкретных тяговых усилий.

Результаты вычислений в данном разделе занесены в табл.2




Таблица 2.

Ркр/R

δ

δ%

ркр

Nесв

Nтрδ

Nδ

UT

Ud

Nf

Nkp

ητ

0

0,000

0,00

0,0

371,73

67,51

0,000

54,760

54,760

304,222

0,000

0

0,05

0,002

0,03

12500





0,091

33,698

33,688

187,156

116,973



0,10

0,005

0,07

25000





0,213

24,338

24,321

135,117

168,890



0,15

0,007

0,10

37500





0,304

19,047

19,028

105,711

198,205



0,20

0,009

0,14

50000





0,426

15,646

15,624

86,800

216,994



0,25

0,012

0,18

62500





0,548

13,275

13,251

73,617

230,055



0,30

0,015

0,22

75000





0,669

11,528

11,503

63,906

239,645



0,35

0,019

0,28

87500





0,852

10,188

10,160

56,444

246,924



0,40

0,025

0,38

100000





1,156

9,127

9,092

50,511

252,553



0,45

0,038

0,57

112500





1,734

8,266

8,219

45,661

256,825



0,50

0,063

0,93

125000





2,829

7,553

7,483

41,572

259,819



0,55

0,110

1,64

137500





4,989

6,954

6,840

38,000

261,231



0,60

0,198

2,93

150000





8,914

6,442

6,253

34,739

260,567



0,65

0,352

5,22

162500





15,880

6,001

5,688

31,600

256,740



0,70

0,615

9,12

175000





27,745

5,616

5,104

28,356

248,119



0,75

1,046

15,51

187500





47,185

5,278

4,459

24,772

232,263



0,80

1,732

25,68

200000





78,124

4,978

3,700

20,556

205,540



0,85

2,792

41,39

212500





125,917

4,711

2,761

15,339

162,964



0,90

4,390

65,08

225000





197,986

4,470

1,561

8,672

97,562



0,95

6,745

100,00

237500





304,22

4,253

0,000

0,000

0,000

0



График потенциальной тяговой характеристики представлен в приложении 3




3. Определение скоростей тягача и передаточных чисел трансмиссии на различных передачах



Максимальная скорость Umax трактора (тягача) для гусеничных машин с полужесткой подвеской принимается равной 10÷12 км/ч; для гусеничных машин с эластичной подвеской равна 15÷20 км/ч; для колесных машин составляет 40÷60 км/ч.

Следует иметь в виду, что указанные значения максимальной скорости могут быть получены только при наличии в схеме трансмиссии транспортного, замедленного, рабочего диапазонов скоростей.

Определение максимальной и минимальной скоростей тягача в рабочем диапазоне производится на основании усилий на крюке, соответствующих данным скоростям.

За максимальное усилие на крюке Ркр.max принимается усилие, реализуемое тягачом при максимальном коэффициенте сцепления, то есть:

Ркр.max = φmax × mmax × g × λk - Pf

Установлено, что наивысшая производительность труда на землеройных работах (например, бульдозирование) достигается при:

φmax = (1.10 ÷ 1.15) × φ ,

где φ - коэффициент сцепления, при котором тягач развивает номинальную силу тяги. Подставляя числовые значения, получаем:

Ркр.max = 0,66 × 25484,2 × 9,81 × 1 – 20000 =145000 Н.

При величине Ркр.max на потенциальной характеристике определяется минимальная скорость в рабочем диапазоне Up.min.

Максимальная скорость тягача (трактора) определяется по потенциальной тяговой характеристике при минимальном тяговом усилии на крюке, равном ,

где δТ - тяговый диапазон трактора (тягача);


,



где ε - коэффициент расширения тяговой зоны (принимается равным 1,15 ÷ 1,25). Для универсальных тракторов его величина устанавливается ближе к верхнему пределу, для специальных (которые чаще являются базовыми для строительных и дорожных машин) - ближе к нижнему пределу; Ркр.н - номинальная сила тяги, установленная классом тяги; Р'кр.н – номинальная сила тяги, установленная для предыдущей в классификации тягового класса (принимаем Р'кр.н = 0,8 × Ркр.н)..

Таким образом: 

и  Н.

По потенциальной тяговой характеристике определяем значения максимальной и минимальной рабочих скоростей:

 = 2,748 м/с;

 = 1,802 м/с.

Диапазон основных скоростей тягача:



На основании заданного числа передач и вычисленного диапазона основных скоростей δUoc определяем знаменатель геометрической прогрессии






Максимальное iтp.max и минимальное iтp.min значения передаточных чисел трансмиссии определяем по формулам:



;





где rвк - радиус ведущих колес тягача, м.

Для гусеничного тягача радиус ведущей звездочки определяем по формуле:



 м.



где z = 14 - число звеньев гусеницы, перематываемых за один оборот ведущего колеса;

L = 250 - шаг гусеницы (длина одного трака по осям пальцев), мм.

Передаточные числа узлов трансмиссии определяются конструктивно. Их произведение равно общему передаточному числу трансмиссии.

Следует учитывать, что iTp.max - есть передаточное отношение трансмиссии на первой передаче. Передаточные числа на всех остальных промежуточных передачах:







Передаточное число трансмиссии iтр - это произведение передаточных чисел узлов, входящих в трансмиссию: увеличителя крутящего момента (УКМ), коробки передач (КП), раздаточной коробки (РК), дополнительной (диапазонной) коробки (ДК), центральной (главной ) передачи (ЦП), бортовой передачи (БП) и конечной передачи (Кон.П), т.е.







откуда:

;



Для расчетов принимаем следующие значения передаточных чисел узлов трансмиссии:

iукм = 1,5

iрк = 3,6

iцп = 3,5

iдк = 1,5

iбп = 5,13

iкон.п= 4,8

Полученные значения iтp ; iKni заносим в таблицу 3. Используя значения передаточных чисел трансмиссии необходимо определить теоретическую скорость тягача, тяговые усилия и крутящий момент двигателя на различных передачах. Для вычисления используем формулы:



;

;






Результаты вычислений также заносим в таблицу 3.



Таблица 3

Показатели

тягача

Номер передачи



I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

iтр.

71,208

67,051

63,137

59,451

55,98

52,712

49,635

46,704

iкп

1,525

1,436

1,352

1,273

1,199

1,129

1,063

1,000

Uт (при nexx)

6,942

7,372

7,829

8,315

8,83

9,378

9,959

10,584

Uт (при nен)

6,488

6,89

7,317

7,771

8,253

8,764

9,308

9,892

Pкр(Мен)

161631,5

151028,1

141044,6

131642,7

122789,1

114453,4

106604,8

99128,7

Mе(Рк=Рf)

207,925

220,816

234,505

249,045

264,487

280,884

298,297

317,017



Построение тяговой характеристики тягача графическим способом

Тяговая характеристика машины представляет собой графическое выражение реальных выходных тяговых параметров, являющихся результатом совместной работы колесного или гусеничного движителя, трансмиссии и двигателя. Подобная характеристика справедлива для следующих условий движения машины:

- поверхность качения должна быть горизонтальна;

- движение машины равномерно;

- подача топлива максимальна;

отбор мощности через ВОМ должен отсутствовать.

Исходными данными для построения являются:

- зависимости регуляторной характеристики:

nе=f(Ме),	Ne=f(Me), Ge=f(Me);

- передаточное число трансмиссии на различных передачах;

- кривая буксования, полученная в результате построения потенциальной тяговой характеристики;

- значение силы сопротивления качению Рf.

Порядок построения тяговой характеристики следующий.

I. В секторе I строим кривую буксования:

δ% = f(Pkp)

2. Влево от точки О откладываем в масштабе, принятом для тягового усилия Ркр, значение силы сопротивления качению Рf (10770.3 Н). Полученная точка О1 является началом координат для определения на оси абсцисс значения окружного усилия на ведущей звездочке:



Рз = Ркр + Рf.



3. Производим подбор трех передач из числа всех имеющих место в данной трансмиссии тягача.

Для этого по таблице 3 определяется сначала передача, которая при Мен дает наиболее близкое к заданному классу тяги значение тягового усилия Ркр. Две другие передачи выбираются из числа смежных с первой точкой.

В нашем случае наиболее близкое значение Ркр к заданному классу тяги даёт V передача. Поэтому для построения графиков выбираем IV, V и VI передачи.

4. В секторе IV строим лучевой график Рк =f(Me) для этих трех передач. Для этого из таблицы 3 берем значения крутящих моментов Me при Рk = Рf и откладываем их на оси ординат, затем через полученные точки и точку О1 проводим прямые, которые выражают зависимости Рк =f(Me)

5. В III секторе с использованием данных таблицы 1 строим регуляторную характеристику двигателя:

nе=f(Me), Nе=f(Mе), Ge=f(Me)


Для построения зависимости nе = f(Me) на оси абсцисс откладываем значения максимальной скорости UT при nехх на передаче, высшей из трех принятых для построений.

Кривая K2L7 выражает в графической форме зависимость теоретической скорости на высшей передаче

Из найденных таким образом на оси абсцисс точек проводим линии, параллельные К2L7. Эти кривые будут выражать зависимость UT =f(Me) на соответствующих передачах.

6. В секторе II строим лучевой график Uд = f(Uт). Порядок построения графика предусматривает равенство масштабов теоретической скорости на оси абсцисс и действительной - на оси ординат.

В данном случае из точки 0 проводим под углом 45° луч до пересечения с перпендикуляром, восстановленным из точки К2, затем отрезок К2К1 делим на 10 равных частей, полученные при этом точки соединяем с точкой 0.

Каждый луч выражает зависимость действительной скорости тягача Uд от теоретической скорости Uт, при определенном значении буксования δ%. Так, луч OK1 выражает зависимость Uд при δ% = 0. Остальные лучи графически выражают зависимость действительной скорости при промежуточном значении буксования δ%.

7. Задавшись значением тягового усилия Ркр на высшей (в данном случае на IV-й) передаче, определим соответствующие этому тяговому значению усилия Uд; NKp; ητ, ; Gт; gτ (I-й сектор). Из точки a1, соответствующей PKp1, опускаем перпендикуляр на луч PкрIV. Из полученной точки аз проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения ее с кривой UTIV=f(Me) (точка а7), при этом ордината Оа4| дает значения Ме, а проекции точек а5, а6, а7 на ось абсцисс определяют соответственно величины Nе, Ge и др. Продолжив линию a7 а8 до пересечения с лучом, соответствующим величине буксования при Ркр1 (в нашем случае около 8% отрезка a1a2), найдем точку а9, ордината которой определяет значения UдIV - действительные скорости тягача при тяговом усилии PKp1 и при буксовании, равном 8%.

Проведем из точки а9 прямую, параллельную оси абсцисс, из точки a1 проведем перпендикуляр до пересечения с данной прямой. В результате найдем точку а10 - точку, лежащую на кривой UДIV = f(Рkp). Максимальная действительная скорость тягача на IV-й передаче будет иметь место на холостом ходу тягача при Ркр = 0. Точка С7 определяет в принятом масштабе максимальную действительную скорость тягача на IV передаче.

Максимальная теоретическая скорость тягача на IV передаче определится из графика UT = f(Me).

При Меmах действительная минимальная скорость определяется с использованием лучевого графика и с учетом буксования (отрезок l1l2).

Расчетным путем максимальное усилие на крюке может быть определено по формуле:







графически Pkp max определится как проекция точки l3 на ось абсцисс.

Теоретические и действительные скорости на остальных (низших) передачах определяем подобным образом с использованием соответствующих этим передачам зависимостей.

8. Определяем остальные тяговые параметры тягача:

тяговая мощность







где Ркр.i и Uкр.i - значения тягового усилия и действительной скорости при тяговом усилии в данной передаче;

- тяговый коэффициент полезного действия







где Nei - величина мощности двигателя, найденная из графика N = f(Mе), определяется в секторе III).

Зависимость gт=f(PKp) строится по результатам предыдущих вычислений с использованием формулы:







где GТ; NKP - значения часового расхода топлива и тяговой мощности при данном тяговом усилии при данной передаче.

9. Для всех передач определяем значение максимальной силы тяги по двигателю PД max.

10. Определяем максимальную силу тяги по сцеплению Рφ , т.е. силу тяги, развиваемую тягачом при наступлении стопроцентного буксирования. Полученные расчетным и графическим способами величины параметров тягача заносим в соответствующие таблицы, по которым строим графики тяговой характеристики. (приложение 4)






Список использованной литературы



1.Родичев В.А. Тракторы и автомобили – М.; Машиностроение, 1987. – 237 с.

2.Иванов В.В. Основы теории автомобиля и трактора – М. ; Высшая школа, 1970.

3.Сергеев В.П. Автотракторный транспорт

4.Двигатели внутреннего сгорания. Лукашин и др. Под ред. Лукашина.

5.Расчёт тягача с механической трансмиссией. Методические указания к выполнению курсовой работы. /Г.Н.Плеханов – Братский государственный технический университет, 2002, -20 с.