Calcululul de Tractiune al Unui Automobil

Calculul de tracțiune

Adoptarea dimensiunilor constructive și a formei de organizare a autocamionului

Autovehiculul pe roti este alcatuit din mai multe ansambluri și mecanisme, care pot fi împărțite în mai multe grupe:

Motor;

Transmisie;

Sistem de conducere;

Sistemul de propulsie și susținere;

Caroserii și instalații auxiliare.

Motorul, care constituie sursa energetică a autovehiculului, transformă energia chimică a combustibilului folosit în energie mecanică necesară mișcării.

Transmisia servește la modificarea, transmiterea și distribuirea momentului motor la roțile motoare ale autovehiculului.

Motorul împreună cu transmisia și roțile motoare formează echipamentul de tracțiune al autovehiculului pe roți.

Grupul sistemelor de susținere și propulsie, alcătuit din suspensii (arcuri, amortizoare), cadru, punți și roți, asigură susținerea elastică a masei autovehiculului pe sol și transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație în vederea deplasării autovehiculului.

Grupul sistemelor de conducere este format din: sistemul de conducere și sistemul de frânare. Sistemul de direcție are rolul de a orienta roțile de direcție în funcție de traiectoria mișcării autovehiculului și de a asigura acestuia o manevrabilitate bună.

Sistemul de frânare asigură încetinirea sau oprirea autovehiculului din mers, evitarea accelerării la coborârea pantelor și imobilizarea autovehiculului oprit.

Principalii parametri ce definesc construcția unui automobil sunt: dimensiunile principale și capacitatea de trecere, greutatea, capacitatea de încărcare și razele roților. Aceștia se aleg în concordanță cu datele din literatura de specialitate, cum ar fi în exemplificarea următoare:

Lungimi:

Ampatament: 3500 mm

Consolă față: 1500 mm

Consolă spate șasiu: 1100 mm

Lungimea totală: 6100 mm

Lungimea permisă suprastructurii max: 3400 mm

Lățimi:

Lățimea cabinei: 2300 mm

Lățimea totală: 2500 mm

Lățimea ramă șasiu spate: 760 mm

Lățimea ramă șasiu față: 940 mm

Ecartament față: 2071.4 mm

Ecartament spate: 1768.8 mm

Înălțimi:

Înălțimea totală, la cabină neîncărcat: 2895 mm

Înălțimea totală, la cabină încărcat: 2850 mm

Înălțimea șasiului neîncărcat: 1020 mm

Înălțimea șasiului încărcat: 900 mm

Greutăți:

Greutatea admisă pe axa față

Greutatea admisă pe axa spate

Greutatea automobilului reprezintă suma greutății tuturor mecanismelor și agregatelor din construcția acestuia, precum și greutatea încărcăturii.

Suma greutății mecanismelor și agregatelor automobilului reprezintă greutatea proprie și se notează cu G0, iar greutatea încărcăturii transportate reprezinta greutatea utilă (greutate container plus greutatea mărfii plus greutatea persoanelor) și se notează cu GU.

Greutatea totală se obține prin însumarea celor două greutăți:

Se alege din fișa tehnică .

Greutatea încărcăturii este:

Cu această condiție se alege container tip ID produs de firma York, având tara de 1340 daN și urmatoarele dimensiuni: L = 2858 mm, l = 2350 mm, h = 2223 mm.

Deci greutatea mărfii transportate în aceste condiții este:

Poziția centrului de greutate și încărcarea pe punți

Coordonatele centrului de greutate sse determină astfel:

este greutatea pe axa față

este greutatea pe axa spate

ampatamentul

coordonatele centrului de greutate

înălțimea centrului de greutate

Valorile medii ale coordonatelor centrului de greutate pentru autocamioane raportate la ampatamentul L sunt:

Pentru ampatamentul L = 3500 mm, vom obține valorile din tabelul x.1:

Adoptarea pneurilor și ai parametrilor constructivi ai transmisiei

Pneurile se aleg din STAS în funcție de încărcătura maximă.

Încărcările pe pneuri sunt următoarele:

Pe axa 1,

Pe axa 2,

În funcție de încărcătura maximă () se aleg caracteristicile pneurilor:

Tip 9.00 – 20(B-d) inch

Diametrul jantei d = 20 inch = 508 mm

Lățimea profilului B = 9 inch = 228.6 mm

Pliuri echivalente (RP) 18

Diametrul exterior Dn = 1020 mm

Presiunea de regim 5.5 daN/cm2

Viteza de lucru 100 km/h

Înălțimea profilului H se poate determina cu relația:

Înălțimea profilului raportată la lățimea lui:

Raza de rulare rr este raza unei roți imaginare, nedeformabile, care rulează fără alunecări și patinări, având însă aceeasi viteză de rotație și de translație cu a roții reale.

Mărimea razei de rulare depinde de sarcina normală pe roată, de presiunea interioară a aerului din pneu, de starea căii de rulare, și în special de mărimea momentului aplicat.

Raza de rulare se poate determina în funcșie de raza liberă a roții r0 și de un coeficient de deformare λ:

pentru pneuri cu presiunea interioară a aerului < 6 bari.

Calculul caracteristicii externe a motorului

Parametrii de funcționare ai motorului cu ardere internă și cu piston sunt exprimați cu ajutorul caracteristicii de turație externă întâlnită uneori sub denumirea de caracteristică de turație la sarcină totală.

Prin caracteristică externă se înțelege funcția de dependență a momentului motor Me, a puterii motorului Pe, a consumului specific de combustibil ce și a consumului orar de combustibil c în funcție de turația arborelui cotit la admisie totală n.

Punctele definitorii pentru curbele caracteristicie sunt:

Turația minimă de funcționare stabilă a motorului nmin la care se dezvoltă momentul Me0 și puterea Pe0.

Turația de moment maxim Me max și puterea corespunzătoare momentului maxim Pem.

Turația de putere maximă nn la care se dezvoltă momentul Men și puterea maximă Pen.

Intervalul de turații în care să funcționeze motorul este [nm … nn]. Zona de turații n < nm se numește zona de nestabilitate, deoarece odată cu scăderea turației, datorate creșterii sarcinii, scade și momentul motor produs, fenomen care poate determina oprirea motorului.

Zona de funcționare a motorului [nm…nn] se numește zona de funcționare stabilă sau zona de stabilitate, deoarece odată cu creșterea sarcinii și scăderea turației, momentul motor produs crește și echilibrează momentele echivalente rezistente suplimentare. Mărimea zonei de stabilitate este caracterizată prin coeficientul de elasticitate:

Pentru motoarele cu aprindere prin comprimare valorile sunt: Ke = 0.55 … 0.75.

Variația momentului motor în zona de stabilitate este caracterizată prin coeficientul de adaptabilitate:

Coeficientul de adaptabilitate Ka pentru motoarele cu aprindere prin compresie are valorile în intervalul 1.05 … 1.15.

Determinarea analitică a caracteristicii externe a motorului.

Determinarea analitică a caracteristicii externe a motorului se face cu ajutorul formulelor empirice.

Una din cele mai folosite formule, prin care curba puterii se aproximează cu o parabolă de ordinul trei este:

Unde coeficientii a, b, c, sunt determinați astfel încât curba funcției să aproximeze cât mai bine caracteristica externă obținută pe cale experimentală și calculați cu relațiile de mai jos:

Pentru n = 2300 rpm:

Curba momentului motor se aproximează cu o parabolă, descrisă de formula:

Pentru n = 1600 rpm:

Unde: P[kW]; n[rot/min]; Men [daNm]

unde coeficientii a1, b1, c1 sunt adoptați și au următoarele valori:

Curba consumului specific se aproximează cu o parabolă, descrisă de formula:

Se adoptă și

Cu valorile medii ale coeficienților: și pentru n = 1000 rpm, rezultă:

Curba consumului orar se poate determina cu formula:

Și pentru n = 1800 rezulta:

Determinarea vitezei maxime a autocamionului

Determinarea vitezei maxime pe care o poate atinge autovehiculul la puterea maximă se calculează cu relația:

În ecuația dată mărimile au următoarele semnificații:

– randamentul transmisiei, dat de relația:

unde:

– randamentul cutiei de viteze

– randamentul transmisiei cardanice

– randamentul transmisiei principale

f – coeficient de rezistență la rulare

– coeficientul aerodinamic pentru transportor neprofilat în care Cx = 0.898

– aria secțiunii maxime a autovehiculului; A = (3.5 … 8) m2

– ecartamentul mediu al autovehiculului

– ecartament mediu față

– ecartament mediu axa spate

H – înălțimea totală

– coeficient de corecție

Ținând cont de aceste valori, relația după care se determină viteza maximă devine:

Dacă se notează cu:

și se determină viteza maximă ca rădăcină a ecuației de gradul trei:

unde termenii B și C sunt:

Notăm cu:

Și va fi:

Determinarea rapoartelor de transmitere din cutia de viteze

Stabilirea raportului de transmitere al transmisiei principale (raport de demultiplicare obținut în afara cutiei de viteze Cv și a cutiei de distribuție Cd) I0, se face în condiția obținerii vitezei maxime, plecând de la următoarea relație:

În care:

– turația corespunzătoare vitezei maxime;

– raza de rulare [m];

[m/s]

Alegerea rapoartelor de transmitere din cutia de viteze comportă următoarele etape:

Determinarea raportului de transmitere , al primei trepte din cutia de viteze;

Stabilirea relației după care se face împărțirea în trepte;

Stabilirea numărului de trepte și aflarea rapoartelor de transmitere pentru celelalte trepte ale cutiei de viteze.

Raportul de transmitere al primei trepte se calculează în funcție de panta maximă (), fără cutie distribuție (Icd = 1). Acest raport de transmitere trebuie să îndeplinească condiția: forța maximă la roată să fie mai mare decât rezistența la înaintare pe panta maximă caracterizată de coeficientul rezistenței totale a drumului ψ și forța la roată să nu depășească valoarea aderenței roților motoare pe panta maximă:

Membrul stâng al inecuației este:

în care:

=

f- se alege

f = 0.015

Greutatea aderentă se calculează pentru autovehiculul solo, conform relației:

unde:

a – poziția centrului de masă față de axa față;

L – ampatamentul [m]

G1 – greutatea pe puntea față [N]

G2 – greutatea pe puntea spate [N]

– coeficientul de aderență pentru asfalt uscat:

hg – înălțimea centrului de greutate

Membrul drept al inecuației are valoarea:

Deci 7.56 < Icv1 < 18.41

Se recomandă Icv1 = 6 … 8 pentru autocamioane. Se adoptă Icv1 = 7.6. Se recalculează unghiul rampei maxime pe care o poate urca autovehiculul cu raportul de transmitere în treapta întâi Icv1 = 7.6.

De unde rezultă .

Dacă se consideră că schimbarea treptelor se face instantaneu, rapoartele de transmitere din cutia de viteze formează o serie geometrică a cărei rație este conform relației:

Numărul de trepte este:

Se adoptă n = 7 trepte de viteză.

Rația geometrică se recalculează cu relația:

Rapoartele de transmitere în celelalte trepte se calculează cu relația:

Rezultând:

Se calculează viteza maximă în fiecare treaptă a cutiei de viteză cu relația:

Cu variantele vitezelor pe trepte și a turațiilor de schimbare corespunzătoare se trasează diagrama treptelor de viteză ale autovehiculului, numită și diagrama fierăstrău.

Bilanțul de tracțiune și bilanțul de putere

Bilanțul de tracțiune reprezintă echilibrul tuturor forțelor care acționează asupra autovehiculului la mișcarea rectilinie pe un drum oarecare, având admisiunea plină a motorului într-o treaptă oarecare a cutiei de viteze, respectiv forța totală la roată FR echilibrează suma tuturor rezistențelor la înaintare (rezistența la rulare Rr, rezistența la urcarea pantei RP, rezistența aerului RA, și rezistența la demarare RD).

Pentru turația ni cuprinsă în intervalul de calcul [nmin … nmax] se poate scrie:

în care:

cu

Pentru turația din treapta I de viteza, aceste mărimi au următoarele valori:

Cu valorile din tabelul … se trasează diagrama bilanțului de tracțiune în treapta I de viteză.

Bilanțul de putere al autovehiculului reprezintă echilibrul dintre puterea la roată PR și suma puterilor necesare învingerii rezistențelor la înaintare (puterea disipată la rulare PR, puterea consumată datorită rezistenței la demarare PD, puterea necesară învingerii rezistenței la urcarea pantei PP și puterea pentru învingerea rezistenței aerului Pa) într-o treaptă oarecare a cutiei de viteze.

Pentru turația ni cuprinsă în intervalul de calcul [nmin … nmax] se poate scrie:

Pentru turația ni = 1600 (v = 2.373394 m/s) din treapta I de viteză, aceste mărimi au următoarele valori:

Cu valorile din tabelul X se trasează diagrama bilanțului de putere în treapta I de viteză.

Caracteristica forței la roată și caracteristica de putere la roată

Caracteristica forței la roată sau caracteristica de tracțiune reprezintă curbele de variație ale acesteia în funcție de viteza autovehiculului, FR = f(v), pentru fiecare treaptă de viteză a cutiei de viteze.

Curba de variație a puterii la roată PR pentru fiecare treaptă a cutiei de viteze în funcție de viteza v de deplasare a autovehiculului PR = f(v), se numește caracteristică de putere.

Pe baza datelor din tabelele X-X s-au trasat diagramele caracteristicii de tracțiune și putere la roată.

Forța de tracțiune disponibilă, excedentară, Fe = FR – Ra, se utilizează la învingerea rezistențelor drumului și rezistenței la demarare. Ea caracterizează dinamicitatea autovehiculului și nu poate fi folosită ca indice de comparație pentru autovehicule de greutăți diferite, deoarece la valori egale ale forței excedentare, calitățile dinamice ale unui autoovehicul cu greutate totală mai mică, sunt superioare celor ale unui autovehicul cu greutate totală mai mare.

Aprecierea calităților dinamice se face cu ajutorul factorului dinamic D; acesta reprezintă forța disponibilă la roată, care poate fi folosită pentru învingerea rezistențelor la rulare, pentru accelerare și pentru urcarea pantelor.

Factorul dinamic este un parametru adimensional ce se calculează cu relația:

În treapta a V-a pentru ni = 2000, factorul dinamic este:

Diagrama caracteristicii dinamice s-a construit cu valorile cuprinse în tabelele 1.3-1.9.

Accelerația

Accelerația autovehiculelor caracterizează în general calitățile lui dinamice; în condițiie gale, cu cât crește accelerația, cu atât viteza de exploatare va fi mai mare.

Valoarea accelerației se poate determina cu ajutorul caracteristicii dinamice.

În ipoteza că autovehiculul se deplasează pe un drum orizontal, pentru turația ni, relația dintre a și D este:

Unde K reprezintă numărul treptei de viteză.

În treapta a VI-a pentru ni = 1600 (v=12,8841 m/s) accelerația este:

În care este coeficientul de influență al maselor în mișcarea de rotație și se calculează cu relația:

Rezultând pentru fiecare treaptă de viteză următoarele valori:

Pe baza valorilor din tabelele X-X s-a construit diagrama accelerației.

Timpul de demarare și spațiul de demarare.

Capacitatea de demarare a autovehiculelor este caracterizată de accelerație, însă pentru a avea indici de apreciere mai ușor de utilizat în comparație cu diferite tipuri de autovehicule este necesară determinarea spațiului și timpului de demarare.

Prin timpul de demarare td se înțelege timpul în care autovehiculul, plecând de pe loc, atinge 0.9 din viteza maximă. Spațiul parcurs se numește spațiu de demarare sd.

Există următoarele ipoteze simplificatoare pentru realizare acestui spațiu și timpului aferent:

Motorul funcționează pe caracteristică externă;

Schimbarea treptelor se face instantaneu.

Pe intervale de turații vom avea, conform relației:

În care Δ se numește interval de demarare și se determină cu relația:

Pentru calculul spațiului de demarare se utilizează următoarele relații, astfel:

cu

Pentru turația de 2100 rpm în treapta a VI-a vom avea valorile:

Pentru timpul de demarare

Pentru spațiul de demarare

Pe baza valorilor obținute din tabelele X-X s-au trasat diagramele timpului și spațiului de demarare.