Автомобиль движется в результате действия на него различных сил, которые можно разделить на силы, движущие автомобиль и оказывающие сопротивление его движению. Основной движущей силой является сила тяги, приложенная к ведущим колесам. Сила тяги возникает в результате работы двигателя и взаимодействия ведущих колес с дорогой. К силам сопротивления относят силу трения в трансмиссии, силу сопротивления дороги и силу сопротивления воздуха.
Для определения силы тяги используют скоростную характеристику двигателя, т.е. зависимость мощности и крутящего момента от оборотов двигателя. Внешнюю скоростную характеристику двигателя получают при полной нагрузке двигателя, т.е. при полном открытии дроссельной заслонки.
Чем больше максимальная мощность двигателя, тем выше тягово-скоростные свойства автомобиля. Однако их нельзя определять независимо от протекания зависимости мощности двигателя от его частоты вращения. См. пример График 1 и 2. На этих графиках приведены кривые протекания мощности и крутящего момента в зависимости от оборотов двух двигателей: ВАЗ-2112 (1.5л 16V) и ВАЗ-21124 (1.6л 16V). Мощность и момент - величины зависящие друг от друга. Внешнюю скоростную характеристику двигателя можно представить любой из этих величин, но обычно приводят обе. Формулы, по которой пересчитываются мощность из момента и наоборот, приведены ниже:
где:
ле - обороты вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;
Ne - мощность, кВт;
Ме - крутящий момент, Нм.
С правильно подобранной трансмиссией (т.е. оптимальной) максимальная скорость автомобилей с двигателями 2112 и 21124 будет одинаковой (при прочих одинаковых условиях). При этом мощности, которые могут быть использованы для разгона, а, следовательно, и ускорения при разгоне различны: автомобиль с двигателем 21124 имеет большее ускорение.
Для определения сил сопротивления действующих на автомобиль (сопротивления в трансмиссии, от дороги и воздуха) используют характеристику, называемой кривая использования мощности. Кривая использования мощности - характеристика, описывающая автомобиль с точки зрения потребителя энергии. Она показывает необходимую мощность для движения автомобиля в зависимости от скорости. Т.е. сколько необходимо затратить мощности для движения автомобиля с заданной скоростью (ни двигатель, ни КП в этой характеристики не участвуют). См. пример. График 3.
Так как на постоянной передаче зависимость скорости от оборотов линейная, (см. Диаграммы 1 и 2), то при совмещении графиков 1 и 3 получаем график 4.
График №1
График №2
Рассмотрим равномерное движение со скоростью 100 км/ч. Для движения автомобиля необходимо затратить 14,0 кВт мощности. Эта мощность затрачивается на преодоление сил сопротивления движению, и для движения с этой скоростью двигатель развивает не максимальную мощность для данных оборотов (на V передаче при скорости 100 км/ч обороты двигателя составляют 2894 об/мин), т.е. работает на частичной нагрузке с не полностью открытой дроссельной заслонкой.
С полностью открытой дроссельной заслонкой на этих оборотах двигатель ВАЗ-2112 вырабатывает 36,4 кВт, двигатель ВАЗ-21124 - 41,0 кВт. Разница между необходимой для движения автомобиля мощностью (см. График 4) на заданной скорости (и соответственно на определенных оборотах) и мощностью, которую способен развить двигатель на этих же оборотах, является той мощностью разгоняющей автомобиль. С приведенными двигателями имеем: ВАЗ-2112 - 22,4 кВт и ВАЗ-21124 - 27,0 кВт. Поэтому и ускорения при этом 0,51 м/с2 и 0,63 м/с2 соответственно. Заметим, что максимальная мощность этих двигателей одинаковая.
Из выше написанного можно сделать вывод, что кроме показателя максимальной мощности двигателя важным является протекание мощности во всем диапазоне оборотов. Иногда для удобства представления внешней скоростной характеристики двигателя удобней пользоваться зависимостью крутящего момента от оборотов (см. График 2).
В таблице 1 приведены результаты расчетов скоростных показателей автомобиля ВАЗ-2110 с двигателями ВАЗ-2112 и ВАЗ-21124 (главная пара 3.7).
Таблица 1.
Двигатель
|
2112
|
21124
|
Δ, %
|
Макс, скорость, км/ч (V перед.)
|
179,7
|
179,8
|
+ 0,1
|
при оборотах, об/мин
|
5675
|
5877
|
|
Макс, скорость, км/ч (VI перед.)
|
177,7
|
180,0
|
+ 1,3
|
при оборотах, об/мин
|
4840
|
4902
|
|
Время разгона, сек.
|
|
|
|
0-100 км/ч
|
12,7
|
12,0
|
-5,5
|
40-100 км/ч (III передача)
|
12,6
|
11,2
|
-11,1
|
60-120 км/ч (IV передача)
|
22,2
|
18,8
|
-15,3
|
60-120 км/ч (V передача)
|
31,7
|
25,7
|
-18,9
|
Ускорения, м/с2
|
|
|
|
60 км/ч (IV / V передача)
|
0,78/0,56
|
0,94/0,69
|
+20,5 / +23,2
+ 17,1 / +20,4
|
90 км/ч (IV / V передача)
|
0,76/0,54
|
0,89/0,65
|
+17,1/ +20,4
|
120 км/ч (IV / V передача)
|
0,68 / 0,45
|
0,79/0,56
|
+16,2/ +24,4
|
Преод. подъем, % (I пер.,10км/ч)
|
34
|
42
|
+ 10,5
|
График №3
График №4
Исходные данные по автомобилю.
Расчеты произведены с автомобилем ВАЗ-2110. Данные этого автомобиля приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Автомобиль
|
ВАЗ-2110
|
Снаряженная масса, кг
|
1085
|
Развесовка, %
|
59/41
|
Коэф. аэродин. сопрот.
|
0.346
|
Площадь, м2
|
1,96
|
Шины:
|
175/65R14
|
коэф. Ко(передн)
|
0,0115
|
коэф. Ко (задн.)
|
0,0180
|
коэф. Rt (передн.)
|
4977
|
коэф. Rt (задн.)
|
6752
|
радиус качения, м
|
0,283
|
Исходные данные по двигателю.
Данные по двигателю приведены в таблице 3.
Двигатель с предложенной характеристикой имеет специфичную область применения (движение на высоких оборотах 4000-6000 об/мин, где реализуются мощностные возможности двигателя). См график внешней скоростной характеристики.
Таблица 3.
Двигатель
|
|
макс, мощность, кВт (л.с.)
|
73,3 (99,7)
|
на оборотах, об/мин
|
5500
|
макс, момент, Нм
|
141
|
на оборотах, об/мин
|
4500
|
Анализ двигателя.
Результаты сравнения скоростных показателей автомобиля ВАЗ-2110 с двигателями "Торгмаш" и ВАЗ-2112 приведены в таблице 4.
|
|
|
Таблица 4.
|
Двигатель
|
2112
|
"Торгмаш"
|
Δ,%
|
Макс, скорость, км/ч (V перед.)
|
179,7
|
187,0
|
+ 4,1
|
при оборотах, об/мин
|
5675
|
6113
|
|
Макс, скорость, км/ч (VI перед.)
|
177,7
|
189,0
|
+ 6,4
|
при оборотах, об/мин
|
4840
|
51471
|
|
Время разгона, сек.
|
|
|
|
0-100 км/ч
|
12,7
|
11,5
|
-9,4
|
40-100 км/ч (III передача)
|
12,6
|
12,5
|
-0,8
|
60-120 км/ч (IV передача)
|
22,2
|
22,5
|
+ 1,4
|
60-120 км/ч (V передача)
|
31,7
|
33,1
|
+ 4,4
|
Ускорения, м/с2
|
|
|
|
60 км/ч (IV / V передача)
|
0,78/0,56
|
0,71 /0,51
|
-9,0/-8,9
|
90 км/ч (IV / V передача)
|
0,76/0,54
|
0,75/0,52
|
-1,3/-3,7
|
120 км/ч (IV / V передача)
|
0,68/0,45
|
0,71 /0,45
|
+ 4,4/0
|
Преод. подъем, % (I пер.,10ш/ч)
|
34
|
31
|
-8,8
|
Автомобиль ВАЗ-2110 с двигателем "Торгмаш" имеет лучшие показатели по максимальной скорости и времени разгона 0-100 км/ч за счет большей мощности. Но в связи с тем, что двигатель ВАЗ-2112 более "тяговит" (т.е. имеет более высокий крутящий момент) на оборотах до 3500 об/мин, показатели ускорения на IV и V передачах на скоростях до 100-120 км/ч лучше, чем у автомобиля с двигателем "Торгмаш".
Исходные данные по трансмиссии.
Стандартный (базовый) и предложенные к рассмотрению варианты трансмиссии приведены в таблице 5. Графики с диаграммами переключений представлены ниже.
|
|
|
|
|
Таблица 5.
|
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
V
|
VI
|
База
|
3,636
|
1,950
|
1,357
|
0,941
|
0,784
|
|
Вариант 4
|
3,636
|
2,222
|
1,538
|
1,166
|
0,941 0,784
|
0,784 0,692
|
Вариант 5
|
2,923
|
1,809
|
1,275
|
0,969
|
Стандартный (базовый) вариант ряд ПЧ трансмиссии автомобилей семейства ВАЗ-2108 и ВАЗ-2110 имеет следующие недостатки, "негармоничный" ряд с большими "разрывами" между I - II и III - IV передача
Внешняя скоростная характеристика
График №5
График №6
Диаграмма переключения передач. «БАЗА»
График №7
График №8
Результаты расчетов и анализ трансмиссии.
Вариант 4.1
3,636
|
2,222
|
1,538
|
1,166
|
0,941
|
0,784
|
Расчет с двигателем "Торгмаш".
Предлагаемый ряд передаточных чисел гармоничный, лишен недостатков стандартного (базового) ряда и позволяет более оптимально использовать мощностью возможности двигателя за счет более "плотного" ряда передаточных чисел. В диапазонах скоростей 45..70, 85 ...105 и 120.. 140 км/ч с 6-ступенчатой КП достигаются большие значения ускорений, что обеспечивает лучшую динамику. Время разгона 0-100 км/ч уменьшается по сравнению с 'Базой" на 0,4 и 0,5 сек. с главными парами 3,9 и 4,1 соответственно.
Исходя из достижения наибольшей максимальной скорости, рекомендуемое передаточное число главной пары - 3,9; для любителей активной езды - 4,1. С главной парой 3,9 максимальная скорость 191,7 км/ч. С главной парой 4,1 максимальная скорость 190,0 км/ч, при этом достигаются наилучшие показатели ускорений и времени разгона, за счет более высоких расходов топлива (расчеты не производились из-за отсутствия необходимых характеристик двигателя). И из-за более высоких оборотов двигателя возможно уменьшение звукового комфорта в салоне автомобиля.
Варианты с главными парами 3,5 и 3,7 не имеют существенного преимущества по скоростным показателям.
Таблица 6.
Главная пара
|
База 3,9
|
3,5
|
3,7
|
3,9
|
4,1
|
Макс, скорость, км/ч (V перед.)
|
183,8
|
189,4
|
187,0
|
183,8
|
178,3
|
при оборотах, об/мин
|
6384
|
5848
|
6113
|
6384
|
6500
|
Макс, скорость, км/ч (VI перед.)
|
191,7
|
184,0
|
189,0
|
191,7
|
190,0
|
при оборотах, об/мин
|
5549
|
|
5147
|
5549
|
5773
|
Время разгона, сек.
|
|
|
|
|
|
0-100 км/ч
|
11,4
|
11,4
|
11,2
|
11,0
|
10,9
|
40-100 км/ч (IV передача)
|
11,4
|
11,3
|
10,4
|
9,6
|
9,2
|
60-120 км/ч (V передача)
|
20,0
|
25,2
|
22,5
|
20,0
|
18,3
|
Ускорения, м/с2
|
|
|
|
|
|
60 км/ч (V / VI передача)
|
0,79/0,57
|
0,64 / 0,45
|
0,71 /051
|
0,79/0,57
|
0,86/0,63
|
90 км/ч (V / VI передача)
|
0,85/0,59
|
0,68 / 0,45
|
0,75/0,52
|
0,85/0,59
|
0,93/0,65
|
120 км/ч (V / VI передача)
|
0,82 / 0,53
|
0,63/0,38
|
0,71 /0,45
|
0,82 / 0,53
|
0,90 / 0,60
|
Преод. подъем, % (I пер.,10ш/ч)
|
35 28
31
|
35
|
38
|
Примечание:
на IV передаче;
на V передаче;
на III передаче,
на IV передаче;
на IV/V передачах.
С увеличением передаточного числа главной пары с 3,5 до 4,1 повышается динамика автомобиля, одновременно с этим увеличивается расход топлива и повышается уровень шума в салоне автомобиля за счет более высоких оборотов двигателя.
С главной парой 4,1 ряд передаточных чисел трансмиссии будет слишком "плотным". По расчетам и диаграммам сделать вывод о положительной или отрицательной оценки этого ряда с различными вариантами главных пар не возможно. Необходимо проведение экспертной оценки. Но можно предположить, что найдутся потребители и этого ряда.
Вариант 4.2
3,636
|
2,222
|
1,538
|
1,166
|
0,941
|
0,784
|
Расчет с двигателем ВАЗ-2112.
Ниже приведены результаты расчетов этого же ряда передаточных чисел трансмиссии двигателем ВАЗ-2112
Главная пара
|
База 3,7
|
3,5
|
3,7
|
3,9
|
4,1
|
Макс, скорость, км/ч (V перед.)
|
179,7
|
180,5
|
179,7
|
172,7
|
164,6
|
при оборотах, об/мин
|
5675
|
5572
|
5875
|
6000
|
6000
|
Макс, скорость, км/ч (VI перед.)
|
177,7
|
174,9
|
177,7
|
180,2
|
180,8
|
при оборотах, об/мин
|
4840
|
4500
|
4840
|
5217
|
5493
|
Время разгона, сек.
|
|
|
|
|
|
0-100 км/ч
|
12,7
|
12,5
|
12,4
|
12,2
|
12,3
|
40-100 км/ч (IV передача)
|
12,6
|
17,0
|
15,6
|
14,3
|
13,3
|
60-120 км/ч (V передача)
|
22,2
|
24,2
|
22,2
|
20,0
|
18,5
|
Ускорения, м/с2
|
|
|
|
|
|
60 км/ч (V / VI передача)
|
0,78/0,56
|
0,71 / 0,49
|
0,78 /056
|
0,86/0,63
|
0,92/0,69
|
90 км/ч (V / VI передача)
|
0,76/0,54
|
0,68 / 0,48
|
0,76/0,54
|
0,85/0,60
|
0,93/0,66
|
120 км/ч (V / VI передача)
|
0,68 / 0,45
|
0,62/0,38
|
0,68 /0,45
|
0,75 / 0,53
|
0,80 / 0,59
|
Преод. подъем, % (I пер.,10ш/ч)
|
34
|
31
|
34
|
38
|
41
|
Примечание:
на IV передаче;
на V передаче;
на III передаче,
на IV передаче;
на IV/V передачах.
Оценка по сравнению с "Базой 3,7":
Главная пара 3,5
+ время разгона 0-100 км/ч на 0,2 сек;
+ расход топлива на постоянных скоростях.
- показатель ускорения на 8,8-15,6% (в зависимости от скорости и передачи).
Главная пара 3,7
+ время разгона 0-100 км/ч на 0,3 сек.
- нет
Главная пара 3,9
+ время разгона 0-100 км/ч на 0,5 сек;
+ показатель ускорения на 10,3-17,8% (в зависимости от скорости и передачи).
- расход топлива на постоянных скоростях;
- шум в салоне из-за более высоких оборотов двигателя
С увеличением передаточного числа главной пары с 3,5 до 4,1 повышается динамика автомобиля, одновременно с этим увеличивается расход топлива и повышается уровень шума в салоне автомобиля за счет более высоких оборотов двигателя.
С главной парой 4,1 ряд передаточных чисел трансмиссии будет слишком "плотным". По расчетам и диаграммам сделать вывод о положительной или отрицательной оценки этого ряда с различными вариантами главных пар не возможно. Необходимо проведение экспертной оценки. Но можно предположить, что найдутся потребители и этого ряда.
Результаты расчетов и анализ трансмиссии.
Вариант 5
3,636
|
2,222
|
1,538
|
1,166
|
0,941
|
0,784
|
Расчет с двигателем "Торгмаш".
Этот ряд передаточных чисел позволяет динамичное движение на скоростях выше 120 км/ч (ралли), где имеется преимущество по сравнению с "базой". Первая передача имеет небольшое передаточное число (2,923), что затрудняет процесс трогания с места и движение на небольшой скорости (минимально устойчивая скорость на I передаче около 10 км/ч, "базовый" вариант - 7,5 км/ч). Возможности этой КП с предложенным двигателем полностью не реализуются из-за недостаточной мощности двигателя (необходимая мощность около 100 кВт (136 л.с.)).
Наиболее приемлемое передаточное число главной пары 4,1, так как с этой парой достигаются наибольшие значения ускорений.
Таблица 7
Главная пара
|
База 3,9
|
3,5
|
3,7
|
3,9
|
4,1
|
Макс, скорость, км/ч (V перед.)
|
183,8
|
184,0
|
189,0
|
191,7
|
190,0
|
при оборотах, об/мин
|
6384
|
4734
|
5148
|
5549
|
5772 j
|
Макс, скорость, км/ч (VI перед.)
|
191,7
|
188,6
|
174,8
|
183,3
|
188,0
|
при оборотах, об/мин
|
5549
|
5954
|
4202
|
4682
|
5041
|
Время разгона, сек.
|
|
|
|
|
|
0-100 км/ч
|
11,4
|
11,9
15,1
|
11,7
13,8
|
11,6
12,5
|
11,5
11.6
|
40-100 км/ч (IV передача)
|
11,4
|
15,1
|
13,8
|
12,5
|
11,6
|
60-120 км/ч (V передача)
|
20,0
|
38,0
|
33,1
|
28,9
|
26,1
|
Ускорения, м/с2
|
|
|
|
|
|
60 км/ч (V / VI передача)
|
0,79/0,57
|
0,45/0,67
|
0,51 /0,39
|
0,57/0,44
|
0,63/0,49 0,65/0,50
|
90 км/ч (V / VI передача)
|
0,85/0,59
|
0,45/0,71
|
0,52/0,38
|
0,59/0,45
|
|
120 км/ч (V / VI передача)
|
0,82 / 0,53
|
0,38/0,66
|
0,45 / 0,30
|
0,53 / 0,37
|
0,60/0,43
|
Преод. подъем, % (1пер.,10км/ч)
|
35
|
-
|
21
|
24
|
26
|
Примечание:
на IV передаче;
на V передаче;
на III передаче,
на IV передаче;
на IV/V передачах.
Диаграмма переключения передач. «Вариант 4»
Диаграмма переключения передач. «Вариант 5»
График ускорений по передачам. Двигатель «Торгмаш» и ВАЗ – 2112.
|