Calculul de tractiune

Calculul de tractiune se face in scopul determinarii parametrilor principali ai motorului si transmisiei, astfel ca autovehiculul de proiectat cu caracteristicile definite anterior si in conditiile precizate in capitolul precedent sa fie capabil sa realizeze performantele prescrise in tema de proiectare sau a performantelor celor mai bune modele existente sau de perspectiva.

1.4.1.Randamentul transmisiei. Alegerea marimii randamentului

Pentru propulsarea autovehiculului puterea dezvoltata de motor trebuie sa fie transmisa rotilor motoare ale acestuia.

Transmisia fluxului de putere este caracterizata de pierderi datorate fenomenelor de frecare dintre organele transmisiei. Calitativ, pierderile de putere din transmisie se apreciaza prin randamentul transmisiei h_t

Experimentarile efectuate au permis sa se determine urmatoarele valori ale randamentelor subansamblelor componente ale transmisiei :

cutia de viteze :     h_CV = 0,97..0,98 ( in treapta de priza directa ) ;

h_CV = 0,92..0,94 ( in celelalte trepte ) ;

transmisia principala : h = 0,92..0,94 ( pentru transmisiile principale simple ) .

Deoarece valoarea globala a randamentului transmisiei depinde de numerosi factori a caror influenta este dificil de apreciat, in calcule se opereaza cu valori adoptate din diagrama alaturata.

Pentru tipul de autovehicul impus prin tema de proiectare, respectiv autofurgoneta avand sarcina utila de 2500 kg, se adopta randamentul transmisiei h_t

1.4.2 Determinarea caracteristicii externe a motorului

Aprecierea motorului ca sursa de energie pentru autopropulsarea autovehiculului se face prin oferta de putere si moment. Oferta se exprima functie de turatia arborelui motor printr-un camp de caracteristici P = f(n) si M = f(n) numite caracteristici de turatie. Domeniul de oferta este limitat de caracteristica externa ( sau caracteristica la sarcina totala ), care determina posibilitatile maxime ale motorului si in privinta puterii si a momentului la fiecare turatie din domeniul turatiilor de functionare ale acestuia. Caracteristica externa se completeaza si cu curba consumului specific de combustibil c_e = f(n).

A. Alegerea tipului motorului si a marimilor semnificative

Pentru propulsarea autovehiculelor, majoritatea motoarelor sunt motoare cu ardere interna cu piston in miscare de translatie. Existenta unei mari varietati de motoare cu ardere interna cu piston impune alegerea unor criterii de selectie bine definite. Optiunea pentru unul dintre tipuri are in vedere in principal modelul, caracteristicile si destinatia autovehiculului.

Statisticile apreciaza ca pentru, autofurgonete cu sarcina utila cuprinsa intre 2 tone si 5 tone sint echipate cu motoare Diesel in proportie de 65-70%, iar autocamioane de peste 5 tone in proportie de 97%. Consumul de carburant, ca o caracteristica economica a automobilului face ca in conditiile actuale motorul Otto, sa fie inlocuit cu motorul Diesel atat pentru autocamioane cit si pentru autoturisme. Avantajele folosirii motorului Diesel, din acest punct de vedere, este la regimuri variabile cu viteze medii reduse. Am adoptat un motor Diesel avand turatia de putere de 3600 rot/min si o turatie de moment maxim de 1800 rot/min. Pentru motoarele cu aprindere prin comprimare, viteza maxima se obtine la turatia de regulator care este egala cu turatia de putere maxima.

B. Determinarea puterii maxime

Din definirea conditiilor de autopropulsare, deplasarea cu viteza presupune dezvoltarea unei forte la roata F_pmax . Din definirea puterii ca produs intre forta si viteza, realizarea performantei de viteza maxima, in conditiile prevazute, presupune pentru motor dezvoltarea unei puteri:

P_{v max}=;

P_{v max}==76,2 kW

Deoarece la M.A.C. domeniul de utilitare la propulsarea autovehiculului este cuprins in intervalul turatiilor n₀-n_r, se vor considera in continuare n_r=n_p=n_max; P_r=P_max=P_m; M_r=M_p=M_m; si Ce_p=Ce_r

Astfel cunoscand puterea maxima P_max=66,5 kW, se poate determina momentul corespunzator puterii maxime M_p=; M_p==201,6 Nm

C. Calculul caracteristicii externe a motorului

Pentru evaluarea caracteristicii exterioare in mod analitic se folosesc relatiile :

unde :

P_max - puterea maxima a motorului ;

M_max - momentul maxim al motorului .

Coeficientii relatiei se definesc astfel :

C_a=, C_a= 1,25 unde :

este coeficientul de elasticitate al motorului ; C_e=; C_e=0,5

este coeficientul de adaptabilitate al motorului .

==1

P_M=;

P_M= 47,5 Kw, iar M_max=;

M_max=252 Nm

Pentru completarea caracteristicii externe cu curba consumului specific se utilizeaza relatia :

unde :

c_ep - consumul specific de combustibil la turatia puterii maxime

Efectuand calculele rezulta coeficientii a b g cu valorile : a b g

Principalele date ale motorului sunt centralizate in tabelele urmatoare :

1.4.3Determinarea marimii rapoartelor de transmitere ale transmisie

Functionarea automobilului in conditii normale de exploatare are loc in regim tranzitoriu, gama rezistentelor la inaintare fiind foarte mare. In aceste conditii rezulta ca la rotile motoare ale autovehiculului, necesarul de forta de tractiune si de putere la roata sunt campuri de caracteristici avand in abscisa viteza aleasa de conducator. Pentru ca sa poata acoperi cu automobilul acest camp de caracteristici transmisia trebuie sa ofere un asemenea camp.

Situatiile care apar in timpul deplasarii unui autovehicul sunt:

a) motorul sa echilibreze prin posibilitatile proprii intreaga gama de rezistente. Acest lucru este posibil cand puterea furnizata este constanta in toate regimurile de deplasare. Daca aceasta valoare constanta corespunde puterii maxime, se obtine caracteristica ideala de tractiune data de relatia :

F_R * v = P_{R max} = ct.   

unde:

F_R = forta la roata;

v = viteza de deplasare;

P_{R max} = puterea maxima la roata

. b) viteza maxima este delimitata prin puterea maxima de autopropulsare:

unde F_{R v max} este forta la roata necesara deplasarii cu viteza maxima de performanta.

c) cand viteza = 0 , rezulta o forta la roata infinita. Ca urmare, la viteze mici, limita este data de aderenta rotilor cu calea, definita cu relatia F_{R max} F_R = w * G_ad    unde :

=0,7 coeficientul de aderenta;

Gad = greutatea aderenta, respectiv greutatea ce revine in conditii de demaraj rotilor motoare.

A. Determinarea valorii maxime a raportului

de transmitere al transmisiei

Pentru valoarea maxima a raportului de transmitere, obtinut cand este cuplata prima treapta de viteza in cutia de viteze, se pot formula ca performante dinamice independente sau simultane urmatoarele: panta maxima sau rezistenta specifica a caii si acceleratia maxima la pornirea de pe loc.

Performantele date prin fortele la roata necesare pot fi formulate ca valori maxime cand fortele la roata oferite prin transmisie au valori maxime, respectiv motorul functioneaza la turatia momentului maxim pe caracteristica externa ( M_max ) iar in transmisie este cuplat cel mai mare raport de transmitere i_{t max} .

i_{t max} = i_cv1 * i₀    unde:

i_cv1 = raportul de transmitere in prima treapta a cutiei de viteze;

i₀ = raportul de transmitere a transmisiei principale .

Din conditia de autopropulsare se obtine : unde :

F_{R max} este forta la roata necesara calculata pentru regimul de deplasare cu acceleratia maxima.

F_{R max} = 13931 N rezulta ca

Pentru ca forta la roata sa fie situata in domeniu trebuie ca :

F_Rmax sau

de unde:

19,94=37,7

Unde G_ad este greutatea aderenta si reprezinta greutatea ce revine puntii motoare la urcarea pantei maxime, in cazul automobilului cu punti motoare in spate G_ad:

G_ad=;

Unde -coeficient de aderenta, se adopta =0,7

G_ad=

B. Determinarea valorii minime a raportului

de transmitere al transmisiei

Valoarea minima a raportului de transmitere a transmisiei este determinata din conditia cinematica de realizare a vitezei maxime de performanta, cand motorul functioneaza la turatia maxima. Raportul de transmitere i₀ se realizeaza in puntea motoare, fie numai prin angrenajul conic, fie prin angrenajul conic si celelalte angrenaje de reducerea turatiei cu functionare permanenta montate in punte.

Calculul raportului de transmitere al transmisiei principale se realizeaza in conditiile de viteza maxima, in ultima treapta a cutiei de viteze, valoarea raportului i₀ este data de relatia:

i₀=

unde =rad/s

C. Determinarea numarului de trepte pentru cutia de viteze

si a marimii rapoartelor de transmitere

ale transmisiei

Pentru determinarea numarului de trepte se utilizeaza doua metode: o metoda grafica si o metoda analitica. Indiferent de metoda aleasa se fac unele ipoteze simplificatoare precum: schimbarea treptelor de viteza sa se faca instantaneu, astfel incat viteza maxima in treapta inferioara sa fie egala, cu viteza minima in treapta superioara. Metoda recomandata de literatura de specialitate este aceia a etajarii treptelor in progresie geometrica. Pentru calculul numarului de trepte se porneste de la principiul ca viteza maxima, intr-o treapta inferioara sa fie egal cu viteza minima intr-o treapta superioara, folosind relatia:

V_{a K}=

Cunoscand raportul de transmitere i_{t max} cit si i_{t min} se poate determina raportul de transmitere i_{t min} :

i_{CV 1} = _;i_{cv 1}==5,53

In cazul etajarii cutiei de viteze in progresie geometrica, intre valoarea maxima i₁ si minima i_n=1 in cutia de viteze sint necesare n trepte date de relatia:

n;    n; n; n;unde n

Se adopta n=4

Alegerea finala a marimii numarului de trepte se face tinandu-se cont de considerente constructiv functionale si de exploatare ale cutiei de viteze precum si de tipul si destinatia automobilului. Astfel pentru autovehicule de marfuri, la care importanta demarajului scade, aparand insa profilul mai greu al drumului, in scopul unei bune adaptabilitati se utilizeaza de obicei cutiile de viteze cu 5 trepte.

Fiind determinat numarul de trepte si tinand cont ca i=1, intr-o treapta K, raportul de transmitere este dat de relatia:

i_{CV k}= ; (k=1.n)

Tinand cont de tipul si destinatia autovehiculului, functionarea economica a automobilului presupune ca la astfel de regimuri de deplasare, motorul sa functioneze in zone cu consum favorabil, respectiv la turatia medie economica, astfel s-a introdus a cincea treapta econoama, calculata cu relatia:

i_cv5= ; i_cv5=; i_cv5=0,86

Pentru treapta a-I-a; i_cv1=5,53

Pentru treapta a-II-a; i_cv2=3,13

Pentru treapta a-III-a; i_cv3=1,77

Pentru treapta a-IV-a; i_cv4=1

Pentru treapta a-V-a; i_cv5=0,86

Pentru raportul de transmitere al transmisiei principale i₀=3,6

Determinarea numarului de trepte se poate face si pe cale analitica, mentinandu-se aceleasi ipoteze ca si in cazul celeilalte metode luand intr-un sistem de axe perpendiculare, unde pe abscisa se considera viteza de deplasare notata cu "v", iar pe ordonata se considera viteza unghiulara .

Dependenta dintre viteza unghiulara de rotatie a arborelui motorului si viteza de deplasare a autovehiculului, intr-o treapta oarecare k, cu raportul de transmitere i_{cv k}, este:

Pentru stabilirea numarului de trepte, mai intai trebuie sa se cunoasca raportul de transmitere pentru treapta I a cutiei de viteze ca sa se poata determina celelalte rapoarte de transmitere ale cutiei de viteze. Pentru aceasta trebuie ca functionarea motorului pe caracteristica exterioara sa aiba loc intr-un interval de viteze unghiulare cuprins in domeniul de stabilitate.

In plus se fac urmatoarele ipoteze: schimbarea treptelor de viteza invecinate se faca instantaneu, iar viteza maxima, intr-o treapta este egala cu viteza minima in treapta imediat superioara.

Folosind programul Excel s-a realizat atat listingul cat si diagrama tip "ferastrau" aferenta acestei autofurgonete date spre proiectare. In continuare este prezentat listingul acestei diagrame:

Alegerea intervalului se face in functie de tipul si destinatia automobilului. La automobilele de oras pentru a se obtine un timp de demaraj cat mai scurt, motorul trebuie sa functioneze la o putere medie apropiata de puterea maxima, alegerea intervalului facandu-se in jurul turatiei de putere maxima. La automobilele destinate transportului interurban, la care importanta demarajului scade se urmareste functionarea motorului la regimuri economice, intervalul alegandu-se in jurul turatiei de consum specific minim, aceste motoare fiind prevazute cu regulator limitator de turatie.

In continuare este prezentata diagrama tip "fierastrau", realizata cu ajutorul programului Excel, rezultand cele cinci trepte de transmitere ale cutiei de viteze.