Диплом. ВКР Ефимов 7. Тольяттинский государственный университет
 Скачать 1.1 Mb.
|
СодержаниеСодержание 4 Введение 6 1.Состояние вопроса 7 1.1Исследование научных работ по аэродинамике 15 1.1.1Испытания в аэродинамической установке 15 1.1.2Исследование сил и моментов 16 1.2Обзор аэродинамических труб. Зарубежные аэродинамические трубы для испытаний 18 1.3Понятие о коэффициенте аэродинамического сопротивления 22 1.4Цель исследования 24 1.5Конструкция стенда 25 2.Исследовательская часть 27 2.1 Этапы проведения испытания 27 2.2Результаты исследования 29 3.Тягово-динамический расчет автомобиля 31 3.1Исходные данные для тягового расчета 31 3.2Нахождение передаточного числа главной передачи 36 3.3Расчет внешней скоростной характеристики двигателя 37 3.4Нахождение передаточных чисел коробки передач и раздаточной коробки 39 3.5 Тяговый баланс автомобиля 42 3.6Динамические характеристики автомобиля 45 3.7Разгон автомобиля 47 3.8Мощностной баланс автомобиля 52 3.9Топливно-экономическая характеристика автомобиля 53 4.Анализ экономической эффективности проекта 56 4.1Сбор данных 56 4.2Расчёт сметы затрат на НИиОКР 60 5.Безопасность и экологичность технического объекта 66 5.1Воздействие ОВФ РС и ТП при работе со стендом 66 Заключение 69 Список используемых источников 70 ВведениеАэродинамика - это раздел механики, изучающий основные законы движения воздуха и других газов и их взаимодействие с движущимися твердыми телами. Аэродинамика автомобиля, в соответствии с этим, изучает явления, возникающие в результате взаимодействия автомобиля и воздушной среды. В современных реалиях автомобильного дизайна возникают проблемы их формообразования, что позволит снизить энергозатраты двигателей на преодоление сопротивления воздуха, повысить аэродинамическую устойчивость и снизить расход топлива. Аэродинамика напрямую связана с управляемостью, устойчивостью и безопасностью, особенно при движении на высоких скоростях. Даже способность кузова пачкаться напрямую зависит от того, насколько машина продумана с точки зрения аэродинамики. Автомобильная аэродинамика больше не выполняет одну или две задачи, а выполняет набор основных задач. Многие конструкторы работают над достижением очень низких значений сопротивления воздуха для транспортных средств. Более того, они должны следить за величиной распределения подъемной силы по осям автомобиля, потому что сейчас автомобили набирают огромные скорости и на таких скоростях некоторые самолеты начинают набирать высоту с взлетно-посадочной полосы. При этом следует учитывать, что двигатель должен получать достаточный поток воздуха для охлаждения, в автомобиле должна быть предусмотрена вентиляция для комфорта пассажиров. Правильная аэродинамика значительно снижает уровень шума в салоне, а также задачу дизайнеров направлять воздушный поток так, чтобы воздушный поток не оседал на окнах автомобиля. При высокой скорости набегающего воздушного потока качество очистки лобового стекла должно быть наивысшим. А для тестирования машину помещают в аэродинамическую трубу, о которой и пойдет речь. Состояние вопроса «Движение автомобиля сопровождается многочисленными процессами взаимодействия с окружающим его воздухом. Эти процессы можно объединить в три группы. обтекании внешних поверхностей автомобиля; поток внутри кузова; потоки внутри агрегатов». [2] «Процессы, объединенные в первые две группы, тесно связаны друг с другом. Так, например, поле скоростей потока в моторном отсеке непосредственно зависит от поля обтекания внешней поверхности автомобиля. Оба поля должны рассматриваться совместно, они являются объектом изучения автомобильной аэродинамики. Потоки внутри двигателя и трансмиссии, напротив, не связаны с процессом обтекания автомобиля; они связаны лишь с механикой работы этих агрегатов. Такие потоки не относятся к аэродинамике автомобиля, и в данной дипломной работе они рассматриваться не будут. Указанные выше группы составляют полную аэродинамическую силу». [2] «Полной аэродинамической силой называют равнодействующую всех элементарных аэродинамических сил, действующих на поверхность автомобиля, а иногда, пренебрегая силами трения, — результирующую нормальных сил. Результирующий момент всех действующих на автомобиль поверхностных аэродинамических сил называют полным аэродинамическим моментом». [2] «Лобовое сопротивление Рх, при основных используемых скоростях в настоящее время, эксплуатационных скоростях автомобилей, определённым образом влияет на затраты мощности на движение и на расход топлива, также на максимальную скорость. Сила, действующая с боку Ру, возникает при действии на автомобиль бокового ветра. Если автомобиль движется, то скорость бокового ветра Ve геометрически складывается со скоростью поступательного движения автомобиля Va и происходит кососимметричное обтекание автомобиля воздухом со скоростью набегающего потока V, и направление этой скорости составляет угол р с направлением движения». [1] «Для легкового автомобиля среднего класса доля сопротивления воздуха в суммарном сопротивлении движению при скорости Vр = 100 км/ч составляет уже 75—80 %. Следовательно, уменьшая сопротивление воздуха, можно значительно улучшить экономические показатели автомобиля. Поэтому, как и прежде, главной задачей аэродинамики автомобиля является уменьшение сопротивления воздуха до минимально возможного значения, независимо от того, является ли целью проектирования повышение максимальной скорости или снижение расхода топлива». [2] «При боковом ветре обтекающий автомобиль поток несимметричен относительно продольной осевой плоскости. За счет формообразования следует стремиться к тому, чтобы появляющиеся дополнительные силы и моменты оставались по возможности малыми, не вызывая при наличии бокового ветра значительного ухудшения курсовой устойчивости. Это объясняется тем, что чувствительность автомобиля к боковому ветру должна рассматриваться с двух точек зрения. Как правило, неизбежность реагирования на боковой ветер переменной силы и направления означает большее или меньшее ухудшение ездового комфорта; необходимость постоянной корректировки небольших отклонений от курса движения с помощью рулевого колеса ощущается водителем весьма тягостно. Только в очень редких случаях из-за бокового ветра возникает непосредственная опасность для водителя и автомобиля. Этого необходимо избегать с помощью аэродинамически удачного формообразования. Важно также за счет правильного оформления дорог и прилегающей к ним местности предотвращать ситуации, в которых участники движения теряются перед внезапными порывами бокового ветра, предъявляющими к ним повышенные требования в отношении быстроты реакции». [2] «В зоне сопряжения капота с ветровым стеклом поток прилегает к поверхности». [1] В таких местах образуется зона избыточного давления, которая может использоваться для работы системы отопления и вентиляции салона. «На большинстве автомобилей отверстие для забора свежего воздуха располагается в центре указанной зоны. В этом месте давление зависит от скорости движения автомобиля. Поэтому с повышением скорости увеличивается объем свежего воздуха, подаваемого в салон, что сильно затрудняет поддержание удовлетворительного микроклимата внутри автомобиля. Если расположить отверстие для забора свежего воздуха в таком месте кузова, где коэффициент давления на поверхности равен нулю, то можно, для симметричного обтекания (без бокового ветра) разделить поля внутреннего потока и внешнего обтекания». [2] «Расположение вентиляционных отверстий для выхода воздуха системы вентиляции салона также в зонах с нулевым коэффициентом давления позволит при установке приточного вентилятора достаточно больших размеров обеспечить необходимый объемный расход воздуха, не зависящий от скорости движения». [2] «Значение имеет внутренняя аэродинамика, включающая движение воздуха через радиатор системы охлаждения двигателя, моторный отсек и потоки систем отопления и вентиляции салона. Некоторые типы автомобилей, например, гоночные автомобили, дополнительно имеют воздуховоды охлаждения масляного радиатора и для подачи воздуха в камеры сгорания двигателя». [2] Аэродинамическая труба - это специальное устройство, которое создает направленный воздушный поток, цель испытаний с этой установкой - изучить влияние воздушного потока на тестируемый объект. В нынешнюю эпоху, когда автомобили развивают чрезвычайно высокие скорости, аэродинамика объекта является одним из ключевых факторов, влияющих на скорость объекта. Поэтому целью исследования может быть автомобиль, самолет, корабль, космический корабль и т. д. В аэродинамической установке (трубе) испытания проводятся как на натурных образцах, так и на геометрически повторяющихся макетах. Для чистоты эксперимента и получения реальных значений и данных, равных реальному движущемуся объекту, необходимо максимально исключить влияние стенок рабочей части установки и границ воздушного потока. Это единственный способ добиться равномерного распределенного обтекания модели. Такие показатели, как топливная экономичность, скоростные и динамические свойства, конкурентоспособность во многом зависят от аэродинамики автомобиля. Чем больше автомобиль развивает скорость, тем больше ему нужна правильная аэродинамика и улучшение этого показателя. В настоящее время большинство фирм, производящих автомобили, мотоциклы, автобусы, имеют сложные аэродинамические системы для исследования и улучшения аэродинамики своей продукции. Проектируют, доводят машины до требуемых характеристик, но нужно понимать, что стоимость такого аэроклиматического комплекса очень значительна, например, у Porsche есть комплекс стоимостью 25 млн евро, а всего один час испытаний в аэродинамической трубе стоит несколько тысяч евро. Но все эти затраты нивелируются уровнем аэродинамики автомобиля, которого он позволяет достичь. Строительство таких комплексов постоянно расширяется, поскольку автомобильная техника не стоит на месте, она постоянно модернизируется, спорткары едут все быстрее, а более быстрые машины нуждаются в лучшей аэродинамике, а для ее достижения необходимо множество испытаний, настройка оборудования в современном аэродинамическом комплексе. Аэродинамический проектирование - один из принципов современной аэродинамики, поскольку именно на этом этапе улучшаются безопасность, скоростные характеристики и экономия топлива. Этот этап основан на систематической оптимизации аэродинамических характеристик. Сегодня перед инженерами стоит задача не только снизить значение коэффициента аэродинамического сопротивления, но и решить ряд задач в экономической, потребительской и экологической сферах. Это помогает снизить аэродинамический шум, уменьшить загрязнение окружающей среды и самого автомобиля. «Первые опыты по определению сопротивления воздуха начали проводить в XVI веке на свободно падающих телах. Проведением подобных опытов одним из первых занялся Леонардо да Винчи. Впрочем, он экспериментировал не только с падающими телами, но и с телами, движущимися в воде, и даже с плоскими поверхностями, движущимися в воздухе под углом атаки. Ему удалось найти оптимальную форму судна наименьшего сопротивления. Дело Леонардо продолжил Галилей. Бросая с наклонной Пизанской башни тяжелые и легкие шары, он установил независимость скорости падения тяжелых тел от их веса и сформулировал один из величайших физических принципов – принцип инерции: если на тело не действуют силы, то оно движется равномерно. Немаловажное значение Галилей придавал логическому объяснению результатов эксперимента, пониманию физической сущности. Еще одним великим «шаробросателем» был Ньютон, основатель физики и (совместно с Лейбницем) высшей математики. Он бросал шары в лондонском соборе святого Павла. Вопрос о сопротивлении тел был для Ньютона далеко не праздным. Он хотел доказать, что (в отличие от утверждений аристотелианцев) космическое пространство не заполнено материей. В противном случае космическая материя оказывала бы сопротивление движению небесных тел, и вся стройная механическая система мира, созданная трудами Ньютона, рассыпалась бы, как карточный домик. После «великих шаробросателей» были попытки использовать сравнительно устойчивые естественные источники ветра. Модели перемещались на гребнях гор или в продуваемых пещерах и ущельях. Но даже здесь непостоянство природы вынуждало экспериментаторов двигать модели через неподвижный воздух». [3] «Первым, кто применил эффект вращающегося рычага и создал устройство для испытания моделей на высокой скорости по принципу центрифуги, был блестящий английский математик. Робинс. Вращение осуществлялось с помощью груза, тянущего под своим весом веревку, намотанную на шпиндель. При этом достигались скорости несколько метров в секунду. Закрепляя на конце рычага различные предметы – пирамиду, лист металла и т.д., Робинс установил несостоятельность существующих теорий воздушного сопротивления. «Различные формы, даже если предположить, что они имеют одинаковую площадь, не всегда обладают тем же воздушным сопротивлением или обтекаемостью». До конца XIX века рычажное приспособление оставалось практически единственным устройством для исследования аэродинамики. Но ряд существующих недостатков и сложностей этой конструкции привел к появлению более совершенного инструмента – аэродинамической трубы. По литературным данным Уинхем, член Совета авиационного общества Великобритании был первым человеком, который спроектировал и провел эксперименты с аэродинамической трубой в 1871 г. Это была труба более 3,5 м длины и сечением 116 см². Вентилятор, обдувавший модели, приводился в движение паровым двигателем. Уже первые эксперименты доказали абсолютное превосходство аэродинамической трубы (АТ) перед другими способами проведения аэродинамических тестов. В том же 1871 г. капитан Российской армии В. Пашкевич, преподаватель Артиллерийской академии, построил первую в России АТ для исследования сопротивления движению снарядов. В 1897 г. К. Циолковский при поддержке Н. Жуковского построил АТ в Калуге, где провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого достигала 5 м/с». [3] «В 1902 г. под руководством Н.Е. Жуковского в механической лаборатории Московского университета строится первая в России аэродинамическая труба закрытого типа, с рабочей частью квадратного сечения 0,75 × 0,75 м и скоростью воздушного потока 9 м/с. В 1904 г. в городе Кучино под Москвой Н.Е. Жуковский основал Аэродинамический институт (ЦАГИ), в котором была сооружена аэродинамическая труба диаметром 1,2 м. В конце 1909 г. он построил новую трубу диаметром 1,6 м, позволявшую получать скорость потока 20 м/с. В том же году была организована аэродинамическая лаборатория в МВТУ. В лаборатории было две аэродинамические трубы: прямоугольного сечения 1,5 × 0,3 м и круглая диаметром 1 м». [3] «За рубежом почти одновременно с Россией велись работы по созданию аэродинамической трубы (1903–1909 гг.). Первая аэродинамическая труба была построена в 1903 г. Стантоном в Лондоне, в 1909 г. были построены еще две трубы: Эйфелем в Париже и Прандтлем в Геттингене. С тех пор было построено большое количество аэродинамических труб, от малых до гигантских. В первую очередь аэродинамические исследования в аэродинамических трубах проводились разработчиками авиационной техники. Серьезно изучались обтекаемость водных судов. Первым наземным транспортным средством, которое продули в 1899 г. в аэродинамической трубе, стал железнодорожный поезд. Автомобили начали испытывать в аэродинамических трубах только после первой мировой войны. В настоящее время комплексами для проведения аэродинамических испытаний обладают все крупнейшие автопроизводители мира». [3] «Практика экспериментальной аэродинамики на малых скоростях продолжает развиваться и остается краеугольным камнем в разработке широкого спектра транспортных средств и других устройств, которые должны выполнять свои функции перед лицом сил, создаваемых сильными потоками воздуха или воды». [14] «Аэродинамическая труба - это устройство, предназначенное для создания контролируемой ситуации быстро движущегося воздуха для анализа обтекания различных объектов. В то же время он также используется, чтобы определять изменения подъемной силы и сопротивления, а также сил, действующих на объекты в результате рыскание, тангажа и крена». [15] «Аэродинамические трубы представляют собой полезную установку для исследования различных явлений потока. Преимущество использования аэродинамических труб заключается в том, что в них можно проводить эксперименты в условиях хорошо контролируемого воздушного потока по сравнению с экспериментами в среде на открытом воздухе». [13] «Аэродинамические трубы позволяют получать следующие данные: аэродинамические силы; сопротивление, подъемная сила, боковая сила и моменты; тангаж, рыскание, крен; изменение аэродинамических сил и моментов с рысканием; распределение поверхностного давления; влияние различных деталей автомобиля на вышеперечисленное; сопротивление охлаждения автомобиля; оценка охлаждающих потоков тормозов; аэроакустические данные; влияние аэродинамических характеристик и вспомогательных средств». [16] «Аэродинамическая труба обычно включает в себя испытательную секцию, где модель или транспортное средство можно установить и посмотреть, пока воздух либо продувается, либо, чаще всего, всасывается вентилятором или несколькими вентиляторами». [12] В настоящее время изобретатели пытаются достичь совершенства, и в эпоху «компьютеризации» аэродинамику не обошли стороной, вместо гигантских аэродинамических труб, многомиллионных затрат на строительство, долгосрочных испытаний можно использовать компьютер, способный справиться с этой работой за несколько минут. Несомненным достоинством этого метода является его компактность и цена. Скорость проверки результатов полностью зависит от мощности процессора компьютера, а не от ловкости конструкторов и инженеров. Но, тем не менее, компьютер сегодня не может стать полноценной заменой аэродинамической трубе, а является лишь ее дополнением, поскольку даже опытные специалисты иногда удивляются результатам, которые дает аэродинамическая труба при испытаниях. Можно создать красивый автомобиль, но без аэродинамических испытаний у этого автомобиля нет будущего. Трубы бывают трех типов: малые для модельных испытаний, натурные и аэродинамические. Последние проверяют влияние на автомобиль климатических факторов, таких как влажность, температура и др. В малогабаритных проводятся испытания масштабных моделей и аэродинамических явлений, а также физические эксперименты. В крупных испытаниях испытываются натурные образцы, натурные модели. Важно отметить, что современные автопроизводители не ограничиваются одним типом труб, они могут быть как полномасштабными, так и небольшими, что позволяет оптимизировать и сократить время испытаний. Сама труба представляет собой установку, в которую помещается автомобиль или модель автомобиля, где она остается неподвижной, вокруг нее движется только воздушный поток, который приводит в движение огромные мощные вентиляторы. Установка состоит из сопла, из которого выдувается воздушный поток, рабочей камеры, в которой установлен объект контроля и тензометрический элемент, диффузора, в который поступает воздушный поток, весов, находящихся под объектом контроля в рабочая камера. А также вентилятор с электродвигателем и сеткой, позволяющий получить желаемый ламинарный поток для тестирования в рабочей зоне. Исследование научных работ по аэродинамике Испытания в аэродинамической установке «В больших аэродинамических трубах проводятся оптимизационно-доводочные испытания натурных легковых автомобилей, автобусов, мото и вело транспортных средств. Из-за больших габаритов испытания натурных автопоездов в аэродинамической трубе практически невозможны, поэтому исследования ведут на их крупномасштабных макетах. Так, известные фирмы «Вольво» и «Мерседес-Бенц» проводят доводку своих магистральных автопоездов в больших трубах на полностью подобных натуре макетах, изготовленных в масштабе М 1:2. Перед проведением испытаний в трубе автомобиль моют, проверяют состояние его поверхности и комплектацию штатными навесными элементами. Затем подготовленный объект испытаний с выключенным двигателем устанавливают на аэродинамические весы в рабочей части трубы и фиксируется на них путем затормаживания ручным тормозом и включения задней передачи. Платформа весов имеет форму плоского диска диаметром 4–6 м и установлена заподлицо с ровным бетонным полом грубы, в котором имеется специальное круглое отверстие. При установке на весах тщательно проверяется штатная развесовка по осям, а также вертикальное и угловое расположение кузова относительно пола трубы, соответствующие ТУ на автомобиль. При необходимости испытаний с тангажом кузова его положение меняется посредством изменения развесовки и прогиба передней и задней подвесок, также как изменение дорожного просвета осуществляется путем варьирования массы балласта наполу кузова. Испытания при различных углах натекания потока проводятся путем разворота платформы весов с установленным на ней транспортным средством. В большой трубе, так же, как и в модельной, проводятся три вида испытаний: весовые, дренажные и визуализационные. Результаты весовых и дренажных испытаний по специальной проводной связи передаются в размещенный рядом с рабочей частью трубы компьютерный центр, откуда наблюдается визуально объект испытаний». [3] Исследование сил и моментов «Важнейшей задачей при испытания автомобилей в аэродинамических трубах является измерение аэродинамических сил и моментов, действующих на автомобиль, при обтекании его потоком воздуха. К ним относятся: боковая сила, сила сопротивления воздуха, подъемная сила, продольный аэродинамический момент, поперечный аэродинамический момент (момент крена) и поворачивающий аэродинамический момент (момент рыскания)». [2] «Система координат при измерениях аэродинамических сил и моментов. Для однозначного определения названных выше трех сил и трех моментов необходима установленная система координат. На рисунке 1 показана система координат, которая часто применяется в настоящее время. Эта система жестко связана с автомобилем, начало координат располагается в плоскости опорной поверхности колес в точке пересечения средних линий базы и колеи автомобиля». [2]  Рисунок 1 – Система координат для измерения аэродинамических сил и моментов. «Аэродинамические весы. Для измерения трех сил и трех моментов нужны шестикомпонентные весы. Если поток набегает на автомобиль строго в направлении его продольной оси, то достаточно измерить силу сопротивления воздуха, продольный момент и подъемную силу. Для таких измерений можно использовать трехкомпонентные весы». [2] «Разложение аэродинамических сил. Для отдельного определения каждого из трех сил и каждого из трех моментов измеряемые параметры раскладываются на составляющие: 1. Испытуемый автомобиль устанавливается на платформе. Возникающие в процессе испытания силы и моменты предаются через платформу (или её подвеску) на динамометрические элементы и измеряются. 2. Колеса автомобиля стоят на четырех отдельных платформах. Силы, измеряемые на отдельных колесах параллельно осям системы координат, в последующем складываются в определяемые три силы и три момента. 3. Конструкция весов аналогична указанной выше, но непосредственно измеряются только подъемные силы на четырех колесах. Боковая сила, поворачивающий момент и сила сопротивления воздуха измеряются через «плавающую» раму, имеющую четыре платформы и установленную на опоры без трения над рамой, жестко соединенной с основанием. 4. Объект измерения подвешивается на четырех растяжках и с помощью других растяжек фиксируется в направлении осей. Измеряя силы на растяжках, можно вычислить отдельные силы. В процессе измерения аэродинамических силы и моментов следует обратить внимание на продолжительность замера, так как возможны колебания значений из-за вибрации системы автомобиль-весы». [2] Обзор аэродинамических труб. Зарубежные аэродинамические трубы для испытаний «В качестве примера большой аэродинамической трубы на рисунке 2 представлена аэродинамическая труба фирмы "Даймлер Бенц”. Эта труба отличается высокой скоростью обдува Vmax = 270 км/ч.»[2] Настолько высокая скорость предпочтительна при работе с динамичными автомобилями; «это позволяет изучать изменение положения автомобиля вследствие воздействия аэродинамических сил и моментов, а также обратное влияние изменения положения автомобиля на аэродинамические характеристики.»[2]  Рисунок 2 – Большая аэродинамическая труба фирмы "Даймлер Бенц” для испытания моделей 1:1 На рисунке 3 «показана большая аэроклиматическая труба концерна ’’Фольксваген” в г. Вольфсбурге. Эта труба полностью климатизирована» [2]. В такой трубе имеется возможность проводить при температурах «диапазон изменения температур от -35oС до +45OС» [2]. Максимальная скорость «обдува Vmax — 180 км/ч вполне удовлетворяет запросы разработчиков легковых автомобилей и небольших автомобилей-фургонов, тем более что при таких высоких скоростях можно не опасаться влияния числа Рейнольдса, его влияние действительно отсутствует» [2]. «Аэродинамическая труба фирмы Фольксваген (рисунок 3) представляет собой систему труб четырехугольной формы, и каждое ее колено занимает одну сторону большого четырехугольного здания. В наиболее узкой части, ширина трубы 8 м, в наиболее широкой – около 14 м. Поток воздуха создается осевым вентилятором диаметром 9 м, колесо которого имеет лопатки с переменным углом наклона. Скорость потока в открытой части трубы около 150 км/ч. Воздух, нагнетаемый вентилятором 6, попадает через два угловых отражателя 8 в антикамеру 12 диффузора, где установлен охладитель 9, позволяющий понижать температуру воздуха до -35° С. Максимальная температура воздуха в трубе может достигать +45° С.»[1]  «1 - место установки автомобиля; 2 и 7 - диффузоры; 3 - коллектор; 4 -шторы экспериментальной камеры; 5 - электродвигатель привода вентилятора; 6 - вентилятор; 8 - угловой отражатель; 9 - охладитель; 10 -выпрямитель; 11 - турбулентный фильтр; 12 - антикамера диффузора; 13 -аэродинамические весы; 14 - испытательный стенд; 15 - пульт управления; 16 - центр обработки результатов; 17 - мастерская; 18 - бюро; 19 – машины холодильной камеры» [2]. Рисунок 3 – Большая «аэродинамическая труба фирмы ’’Фольксваген” «Для измерения сил и моментов, воздействующих на испытуемую модель, используют самобалансирующиеся шестикомпонентные механические весы. Поворотная станина, на которой смонтированы весы, позволяет поворачивать исследуемый автомобиль на любой угол по отношению к продольной оси трубы, т.е. к направлению воздушного потока» [1]. «Различные виды сопротивления имитируются стендом с беговыми барабанами при помощи программного устройства. Использование климатической установки и стенда с барабанами, позволяет имитировать разные климатические условия. Это позволяет исследовать не только аэродинамические характеристики кузова автомобиля, а также проанализировать возможности системы охлаждения двигателя, вентиляции и отопления» [1]. «Для проведения испытаний с понижением или повышением температуры, открытую рабочую часть трубы можно закрывать передвижной теплоизоляционной оболочкой» [1]. Схема холодильной установки (Рисунок 4).  «1 - охладитель воды; 2 - горячая вода; 3 - охлаждающая вода; 4 - холодильная башня; 5 - конденсатор; б - электродвигатель; 7 - компрессор; 5 -испаритель; 9 -сепаратор; 10- клапан; 11 - теплообменник» [2]. Рисунок 4 – Установка холодильная  Рисунок 5 - Схема управления всей аэродинамической трубы фирмы ’’Фольксваген” «На рисунке 5 показано вся схема управления. Температура регулируется «двухступенчатым компрессором мощностью 2300 кВт Фреон в виде пара попадая в конденсатор сжижается. После фреон проходит «через сепаратор в испаритель, где охлаждает» циркулирующий трихлорэтилен, через охладитель, установленный в аэродинамической трубе. Пропускная способность установки составляет 2-106 ккал/ч.» [1] Понятие о коэффициенте аэродинамического сопротивления «Коэффициент аэродинамического сопротивления - безразмерная величина, равная отношение силы лобового сопротивления автомобиля F к произведению скоростного напора Q:  , (1)где  – плотность воздуха, кг/м3; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; на площадь фронтальной проекции автомобиля A.  (2)Обычно обозначается как Cx.  , (3)где A– площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; Сх – коэффициент аэродинамического сопротивления; V – скорость объекта относительно воздуха, м/с; – плотность воздуха, кг/м3.Cx зависит только от площади поперечного сечения, скорости потока, плотности воздуха и силы лобового сопротивления. Чем меньше Cx, тем меньше расход топлива при равных других условиях. Cx современных серийно выпускаемых автомобилей легковых находится в пределах от 0,2 до 0,35. У грузовых тяжелых автомобилей и массивных внедорожников, из-за менее обтекаемого воздухом большого кузова — до 0,5 и более». [3] «Коэффициент сопротивления находится экспериментальным методом продувкой макетов авто в аэродинамической трубе, либо расчётным методом с помощью компьютерного моделирования» [8]. «Сх это основа аэродинамики, этот показатель выносит свой вердикт аэродинамичности исследуемого объекта. На силу сопротивления воздуха влияет скорость движения транспортного средства, причем с увеличением скорости автомобиля в два раза, сила сопротивления возрастает в 4 раза, отсюда и появляется большой расход топлива, так как двигателю приходится тратить значительную часть мощности на преодоление этой силы» [7]. Воздух имеет достаточную плотность, чтобы препятствовать движению автомобиля, и чем ниже коэффициент Cx, тем легче «врезается» автомобиль в воздушную «преграду», затрачивая при этом минимум энергии. С увеличением скорости перед автомобилем начинает скапливаться воздушная масса, создается увеличенное давление, препятствующий разрезанию воздуха. Также за движущимся объектом создается область разряжения, которая так же мешает движению автомобиля, её причина отрыв потока от кузова. Но как бы не хотелось повлиять на плотность воздуха инженерам, сделать это невозможно, поэтому конструкторам остается либо уменьшить автомобиль, что ограничивается вместимостью салона и полезным пространством, а также конструкцией автомобиля, либо изменением формы кузова, чем и занимаются конструкторы, продувая автомобили в аэродинамических трубах. Каплевидное тело имеет наименьшее сопротивление, так как плавно разводит поток перед собой, а хвостик сводит его в конце без значительных завихрений. Получается, что капля не создает область повышенного давления перед собой, и не создает область разряжения после себя. Если бы автомобили создавались такими, то их Cх был бы минимальным, но создание такого кузова не является целесообразным, т.к. это не все элементы конструкции получится внедрить в эту форму. Цель исследования Целью данного исследования является модернизация стенда для определения коэффициента аэродинамического сопротивления модели автомобиля. Конструкция стенда За основу был взят стенд (рисунок 6) предыдущей выпускной квалификационной работы, который был модернизирован с целью определения влияние коэффициента аэродинамического сопротивления на нагрузку на ось автомобиля. Данная установка позволяет определять в лабораторных условиях, какая нагрузка приходится на заднюю ось модели автомобиля. Стенд состоит из приводной части, сопла и рабочей камеры.  Рисунок 6 – общий вид Чтобы обеспечить возможность измерения нагрузки, в конструкцию рабочей камеры были внесены изменения, в частности было сделано отверстие, куда устанавливается задняя ось модели автомобиля для данного исследования. Также с нижней части камеры закреплен тензометрический элемент, к которому крепится площадка, выходящая в отверстие в конструкции. Собран мост, соединяющий тензометрический элемент, усилитель и мультиметр. Мультиметр через усилитель выводит показания тензодатчиков на сжатие и разжатия в месте изгиба, когда на тензометрический элемент приходится нагрузка и он прогибается. Изменения показаны на рисунке 7.  Рисунок 7 – проведенная модернизация рабочей камеры Вывод: стенд, как и раньше, позволяет продолжать проводить лабораторные работы по измерению скорости воздушного потока, действующих сил на автомобиль под воздействием потока, а после модернизации еще нагрузку на ось под воздействием потока. Исследовательская часть Этапы проведения испытания Испытание проводится на стенде, который показан на рисунке 8. Чтобы снять показания нужно подготовить установку к работе.  Рисунок 8 – общий вид стенда Подготовительный этап: Подключается блок питания к вентиляторам Закрепляется динамометр на штанге Подключается мультиметр Производится тарировка тензометрической площадки Устанавливается модель автомобиля тензометрическую площадку измерений Модель автомобиля с помощью лески через ролик соединяется с динамометром Снимается напряжение с мультиметра определяющее нагрузку на заднюю ось модели автомобиля Этап испытаний: Запускается установка Снимается значение силы сопротивления с динамометра и напряжение на тензометрическом элементе с мультиметра Выключается установка Убирается модель автомобиля с площадки измерения Устанавливается на место модели машины анемометр Запускается установка Снимаются значения скорости ветра с анемометра Высчитывается площадь поперечного сечения модели  , (4)где A - Площадь поперечного сечения модели; H - Высота модели; B - Ширина Модели. По известной формуле выводится Cx:  , (5) , (6)где A– площадь фронтальной проекции автомобиля, м2; v – скорость движения автомобиля относительно воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м3; Cх – коэффициент аэродинамического сопротивления. Пропорциями в процентном соотношении высчитывается увеличение нагрузки на заднюю ось от увеличения сопротивления. Результаты исследования Опыт 1 Исследования без спойлера При продувке модели без спойлера значение  ,   ВПлощадь поперечного сечения модели равна , (7) .Скорость движения воздуха измеренная с помощью анемометра  Плотность воздуха принята  Подставляем значения в формулу Cx:  , (8)где cos60 - угол под котором приложена сила. Получаем  (9)Высчитываем изменение напряжение в процентах Изменение нагрузки 0,03 В  (10)Опыт 2 Исследования со спойлером на крыше При продувке модели cо спойлером на крыше значение ,   Площадь поперечного сечения модели равна (11) Скорость движения воздуха измеренная с помощью анемометра Плотность воздуха принята Подставляем значения в формулу Cx (12)Получаем  (13)Высчитываем изменение напряжение в процентах Изменение напряжение 0,04 В  (14)Вывод: при  изменение нагрузки на ось составляет 15%, а при  ось нагружается на 18 % больше, чем при статической нагрузке. Тягово-динамический расчет автомобиля «Параметры и данные, заданные техническим заданием: вид авто, вместимость пассажиров, коэффициент дорожного сопротивления ψv, максимальное сопротивление, которое автомобиль преодолевает на первой передаче ψmax, тип двигателя, колесная формула» [10]. «Снаряженная масса автомобиля m0, лобовая площадь F, распределение массы по осям груженого автомобиля, угловая скорость коленчатого вала ωN двигателя при максимальной мощности Nmax, механический коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии ηтр, коэффициент аэродинамического сопротивления Сх. Эти параметры задаются в зависимости от испытаний и статистических данных по существующим моделям, с учетом прогрессивного развития автомобильной техники и перспективного типажа авто» [10]. «Зависимости и данные при расчетах: максимальная мощность двигателя автомобиля Nmax, передаточное число главной передачи автомобиля U0, передаточные числа коробки передач Uк и раздаточной коробки Uд, а также зависимости: - топливно-экономическая характеристика. - мощностной баланс автомобиля; - внешняя скоростная характеристика двигателя; - динамическая характеристика автомобиля; - тяговая характеристика автомобиля и силовой баланс; -зависимость от скорости автомобиля: ускорения, времени и пути разгона» [10]. Исходные данные для тягового расчета Для выполнения тягового расчета необходимо определить снаряженную массу автомобиля m0. На первом этапе проектирования ее находим ориентировочно, исходя из грузоподъемности, назначения, первоначально задуманной конструктором компоновки автомобиля на основе накопленного статистического материала, то есть опираясь на среднюю величину отношения грузоподъемности mг к снаряженной массе m0 автомобиля. При отсутствии подробных данных по удельной грузоподъемности можно их принять по таблице 1.  , (15)Таблица 1 – Удельная грузоподъемность автомобилей
Полная масса автомобиля находится по формуле:  , (16)где mч – масса человека 75 кг; m0 – масса автомобиля снаряженная, (кг); n – число пассажиров; mδ – вес багажа 10 кг на 1 пассажира.  .«Для подбора шин необходимо знать нагрузку, приходящуюся на одно колесо, а для этого – распределение нагрузки по осям автомобиля. У легковых автомобилей распределение нагрузки от полной массы по осям зависит в основном от компоновки: у автомобилей, имеющих классическую компоновку, на заднюю ось приходится 52-55% нагрузки от полной массы, у автомобилей с задним расположением двигателя 56-60%, у переднеприводных 40-45%, у полноприводных 45-55%» [11]. Зная размер шин, определяем статический радиус колеса:  , (17)где d = 14 – диаметр посадочный λz = 0.86 – коэффициент вертикальной деформации, зависящий от типа шин. H/B = 65 –отношение ширины профиля шины к ее высоте, %. B = 0.175 – ширина шины (профиля), м. H = 65 * 0.175 = 0.114 – высота шины (профиля), м.  На дорогах с твердым покрытием  , где rд – динамический радиус колеса; rк – радиус качения колеса. rст ≈ rд ≈ rк = 0.28 м. Затем выбираем параметры обтекаемости автомобиля: коэффициент аэродинамического сопротивления и лобовую площадь автомобиля. Коэффициент аэродинамического сопротивления Сх зависит от формы и качества окраски автомобиля. Сх=0,34. Часто применяемый в литературе коэффициент обтекаемости k связан с Сх следующей зависимостью:  , (18)где ρ –плотность воздуха в нормальных условиях (760 мм рт.ст.), ρ=1,293. k=0,34·1,293/2=0,2327 Н·с2/м4. При расчетах лобовую площадь F легковых автомобилей со стандартным кузовом определяют по приближенной формуле: F=0,8·Вг·Нг, (19) где Вг –ширина автомобиля габаритная, м; Нг - высота автомобиля габаритная, м. F=0,8·1,68·1,42=1.908 м2. Среднее значение коэффициентов Сх, k и площади F приведены в таблице 2. Таблица 2 – Параметры обтекаемости автомобилей
Механический КПД трансмиссии для всех пяти передач постоянно, так как происходящее увеличение потерь мощности на преодоление трения в зубчатых зацеплениях при включении низших передач в коробке компенсируется одновременным уменьшением гидравлических потерь в агрегатах трансмиссии. В расчетах могут приниматься следующие средние величины КПД для автомобилей (таблица 3). Таблица 3 – КПД трансмиссии автомобилей
«При малой скорости автомобиля (до 10-15 м/с) коэффициент сопротивления качению f можно считать постоянным. Высокая скорости автомобиля создает энергетические потери в шине, в следствии чего коэффициент сопротивления качению возрастает» [11]. Для нахождения коэффициенте качения пользуемся формулой:  , (20)где f0 - коэффициент качения с малой скоростью; V – скорость автомобиля, м/с. f = 0,014·(1+51.392/2000)=0,0325. При движении по мягкому грунту, песку и снегу, учитывая большое количество различных факторов, влияющих на величину коэффициента, в расчет вводят его средние значения (таблица 4). Таблица 4 – Коэффициент сопротивлению качению
Коэффициент сцепления в продольном направлении φ приведен в таблице 5. Таблица 5 – Коэффициент сцепления с дорогой
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||