Методичка курсовой в Excel АТ Файл
advertisement
Министерство образования Российской Федерации Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра "Автомобили и безопасность движения" ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР В КУРСОВОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "Автомобили и двигатели" для специальности 150200 Составитель: А.М. Зарщиков Омск Издательство СибАДИ 2005 УДК 629.114 Рецензент канд. тех. наук, доц. И.В. Князев Работа одобрена методической комиссией факультета «Автомобильный транспорт» в качестве методических указаний к выполнению курсового проекта по дисциплине «Автомобили и двигатели» для студентов специальности 150200 - Автомобили и автомобильное хозяйство Персональный компьютер в курсовом проектировании: Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Автомобили и двигатели» для студентов специальности 150200 / Сост.: А.М. Зарщиков. Омск: Изд-во СибАДИ, 2005.- с. На практическом примере показано использование программы Microsoft Excel в проведении расчетов и построении графиков при выполнении курсового проекта по кафедре «Автомобили и безопасность движения» студентами специальности 150200. 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение...……………………………………………………………..…...4 Расчет максимальной мощности двигателя ..............................................5 Построение внешней скоростной характеристики...................................6 Построение мощностного и силового балансов......................................16 Динамический паспорт автомобиля..........................................................18 Построение графика ускорения.................................................................20 Графики времени и пути разгона..............................................................20 Построение дорожно-экономической характеристики...........................22 Графики режима движения на маршруте.................................................24 Контрольные вопросы по курсовому проекту.........................................26 Литература...................................................................................................27 3 Введение Основой для выполнения курсового проекта является методическое руководство /1/. Однако, для студентов дневного отделения факультета АТ необходимо самостоятельно вычислить мощность двигателя. Кроме того, задание к проекту, в отличие от студентов заочного отделения, выдает преподаватель. В задании преподаватель указывает: модель автомобиля-прототипа, тип двигателя, число оборотов коленчатого вала при максимальной мощности двигателя, максимальную скорость движения груженого автомобиля. При выполнении курсового проекта с использованием персонального компьютера (ПК) пояснительная записка оформляется в MS Word и сдается на диске (предпочтительно) или дискетах. В записке: первая страница – титульный лист, вторая – задание, выданное преподавателем и основные параметры для расчета проекта (см. 43 стр. /1/). Каждая следующая страница имеет: вверху - название очередного графика; далее – записываются основные формулы, по которым строится график в общем виде и с подставленными значениями для одной расчетной точки графика (в таком случае есть возможность найти ошибку в расчетах); ниже – таблицы, перенесенные из MS Excel с рассчитанными значениями для всех точек графика; завершает страницу график, также перенесенный из MS Excel. Формулы лучше писать с использованием редактора формул. Редактор формул открывается: Вставка, Объект, Создание, Microsoft Equation 3.0 или с помощью кнопки на поле инструментов. Эта кнопка перетаскивается из окна, находящегося: Сервис, Настройка, Команды, Вставка. От туда же не плохо перетащить на панель инструментов кнопку «Символ». Расшифровывать под формулой названия величин и их размерность не обязательно. Несмотря на оформление записки в Word, все листы Excel с таблицами и графиками обязательно сохраняются и находятся на том же диске для проверки. Без этих листов на диске проект к защите не принимается. Как следует из вышесказанного, на каждой странице в записке будет свой график. Для защиты курсового проекта графики распечатать по два на страницу формата А4. Распечатывать на одну сторону листа. На страницах с расчетом сцепления необходимо написать формулы в общем виде, подставить значения, показать результаты расчета без объяснений. Страницы пояснительной записки с расчетом сцепления также распечатать (допускается на обеих сторонах листа). Чертеж продольного разреза сцепления можно выполнять как в программах «Компас», «Автокад» (в таком случае только продольный разрез) с распечаткой на формате А4 (с обязательным указанием точного масштаба и наибольшим использованием площади формата), так и карандашом на ватмане А1 в масштабе 1:1 (в этом случае выполняется продольный разрез и вид со стороны коробки передач с местными вырезами, чтобы показать ведомый диск, нажимной диск, кожух). 4 Диск (с пояснительной запиской и расчетами на листах Excel), распечатанные страницы и чертеж сцепления (если он на ватмане, то после успешной защиты) - вкладываются в полиэтиленовый «файл» или прозрачную папку. «Файл» закрывается прищепками. На футляре диска указывается группа и фамилия студента. Применение ПК поощряется и учитывается при выставлении оценки, однако, во время защиты проекта появляются дополнительные вопросы, выявляющие самостоятельность работы на ПК. Защита таких проектов происходит с непосредственным применением ПК. Расчет максимальной мощности двигателя Для нахождения максимальной мощности двигателя Nemax рассматривается движение полностью груженого автомобиля с максимальной скоростью по горизонтальной асфальтированной дороге. В этом случае двигатель легкового автомобиля тратит свою мощность на преодоление дорожного сопротивления Nψ, сопротивления воздуха Nw и на трение в трансмиссии Nη. Определив эти три составляющие можно найти мощность при максимальной скорости движения NVmax (кВт) NV max N NW 3 RZ Vmax k F Vmax 1000 1000 1000 – деление на тысячу переводит ватты в киловатты, RZ - полный вес автомобиля, - коэффициент суммарного дорожного сопротивления. В данном случае он равен коэффициенту сопротивления качению fV max , который находится, как показано в /1/ уравнение (11), k - коэффициент обтекаемости (см. /1/), F 0.8B H - лобовая площадь автомобиля, принимается, как 80% от произведения ширины автомобиля (без учета выступающих малогабаритных деталей) на высоту, - КПД трансмиссии (см. /1/). Все размерности в этой формуле в системе СИ. Далее из формулы Лейдермана V max b ( V max ) 2 c ( V max ) 3 ) N N N можно определить максимальную мощность двигателя N e max легково- NV max N e max (a го автомобиля с учетом, что частота вращения коленчатого вала : V max 1.1N ( N - задает преподаватель, коэффициенты a, b, c - см. /1/). У грузовых автомобилей из-за срабатывания ограничителя оборотов и у легковых дизельных двигателей кривая мощности непрерывно растет до мак- 5 симального значения при максимальной частоте вращения коленчатого вала, т.е. N e max NV max . Однако, из-за срабатывания ограничителя оборотов у двигателя грузового автомобиля, в отличие от легкового, остается запас мощности N зап 0,15 N . Поэтому его максимальную мощность можно определить по формуле: N e max NV max N NW N зап 1000 . Построение внешней скоростной характеристики На примере абстрактного грузового автомобиля рассмотрим расчет параметров и построение графиков характеристик двигателя и автомобиля с использованием программы MS Excel . Вначале строим характеристику мощности (*удобнее полностью рассчитать проект в MS Excel, а затем оформлять пояснительную записку). Принимаем несколько значений угловой скорости коленчатого вала (размерность - рад/с): максимальную - задал преподаватель, минимальная составляет 20% от максимальной и штук пять (лучше восемь) между ними : ω 73 150 200 250 300 350 366 Для этих значений угловой скорости рассчитываются: мощность, крутящий момент, удельный и часовой расход топлива. Они являются внешними скоростными характеристиками, поскольку определяются для полностью открытой дроссельной заслонки (у дизельных двигателей – полностью нажатой педали управления рейкой). Мощность рассчитывается, как уже говорилось, по формуле Лейдермана: е b ( е ) 2 c ( е )3 ) N N N N e max = 146 кВт - вычислена заранее, коэффициенты а, b, c N е N e max (a 1 у дан- ного типа двигателя (карбюраторный). Для того чтобы посчитать это уравнение в Excel необходимо установить курсор, например, в ячейку В2 (или в строку формул, предварительно «щелкнув» по ячейке В2), поставить знак равно и записать формулу в следующем виде: =146*(А2/366+(А2/366)^2-(A2/366)^3) Затем - нажать на «Enter». 6 В Excel знак ^ обозначает степень; адреса ячеек и знаки операций указывать в английском шрифте. В данной формуле А2 – ссылка на ячейку, в которой А – обозначает столбец, 2 – обозначает строку, в которой находится первое значение угловой скорости коленчатого вала. После нажатия на «Enter» в ячейке В2 появится расчетное значение мощности для угловой скорости соответствующей ячейке А2. Снова «щелкнуть» по ячейке (В2), подвести курсор в ее правый нижний угол (на черный квадратик) и, нажав на левую кнопку мыши растянуть вниз на столько ячеек, сколько значений имеет угловая скорость (в примере семь значений). Выделенной кнопкой округлить значения до десятых. Далее строится график мощности: 1 – Курсор подводится к значку «мастер диаграмм» на панели инструментов и нажимается левая кнопка мыши. 2 – В появившемся окне (шаг 1 из 4) выбирается «Стандартные», «Точечная» и внешний вид нажатием на квадрат с выбранным видом (этот квадрат чернеет): 7 Нажимается кнопка «Далее», после чего появляется следующее окно (шаг 2 из 4). В закладке «Диапазон данных», ставится точка против слова «столбцах»; в закладке «Ряд» нажимается кнопка «Добавить» (в поле появится надпись «Ряд 1»); курсор устанавливается в строку «Значения Х». Мышью выделяется столбец угловой скорости (мышь ставится на ячейку А2, нажимается левая кнопка и протаскивается вниз до ячейки А8). В строке «Значения Х» появляются имена ячеек с диапазоном значений угловой скорости. Строка «Значения Y» с помощью курсора выделяется, если она не свободна и, как в строке Х заполняется диапазоном значений мощности двигателя (ячейки с В2 по В8). Сразу же на сером фоне окна отображается заготовка будущего графика: 8 После нажатия кнопки «Далее» появляется окно «шаг 3 из 4»: 9 В закладке «Заголовки», «Название диаграммы» можно написать, например, «Мощность двигателя». В закладке «Оси» ставятся флажки, обозначающие, что Х – ось категорий, а Y – ось значений. В закладке «Линии сетки» выбираются основные линии. В закладке «Легенда» убирается флажок «Добавить легенду». Нажимается кнопка «Далее», после чего появляется окно «шаг4 из 4»: Можно поставить точку против слова «имеющемся», тогда график разместится на листе со столбиками расчетов (на «Лист1»), если «отдельно» график будет полностью занимать собственный лист, который по умолчанию называется «Диаграмма 1» (можно дать ему свое название). «Готово»: 10 Перемещая один из черных квадратиков по краям «Область диаграммы» меняем размеры графика, если надо. Далее следует работа по доведению графика до нужного вида. Поставить стрелку курсора на серый фон «Область построения диаграммы» и нажать дважды. В появившемся окне установить цвет (черный), толщину рамки (тонкая сплошная линия) и заливку поля (прозрачная). «ОК»: Затем стрелку установить на ось Х или Y и нажать дважды: Перебирая закладки, установить параметры оси, как на рисунках: 11 12 Нажимается кнопка «ОК», стрелка подводится ко второй оси и проделывается все то же. Далее корректируется сама кривая. Дважды щелкнуть по ней левой кнопкой и выставить значения, как на рисунке: Не забудьте поставить флажок «Сглаженная линия». Получится график вида: 13 Мощность двигателя 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Чтобы убрать рамку вокруг графика надо дважды щелкнуть мышью по «Область диаграммы» (не путать с «Область построения диаграммы») и в появившемся окне «Формат области диаграммы» закладка «Вид» поставить точку против слова «невидимая». Осталось подписать оси и саму кривую. Для этого надо нажать кнопку «Рисование» на панели инструментов или использовать путь: «Вид», «Панели инструментов», «Рисование». В нижней части окна появится панель рисования. На ней надо нажать кнопку «Надпись». После этого переместить курсор на «Область диаграммы», нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее выделить поле для надписи. Внутри поля будет мигать текстовый курсор (если курсора в рамке нет, то надо щелкнуть левой кнопкой мыши в рамке дважды), позволяющий сделать надпись, обозначающую ось. Таким же образом надо поступить, обозначая другую ось и саму кривую. 14 В результате проделанной работы график примет окончательный вид: Мощность двигателя Ne,кВт 160 140 Ne 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 ω е, 350 рад/с Таким же образом строятся остальные простые графики: Me, ge, Ge. 15 400 Построение мощностного и силового балансов Отличие от предыдущего построения заключается лишь в том, что во втором шаге «Мастер диаграмм» будет не один, а несколько рядов (кривых). Поэтому после задания значений «Ряд1» надо снова нажать кнопку «Добавить» и в следующий ряд («Ряд2») вводить выделением столбики с новыми значениями (чтобы каждому значению Х соответствовало свое значение Y) и т.д. Кроме того, на осях надо сделать метки делений, как основных, так и промежуточных: Если вы перешли работать на другой лист Exсel (на листы указывают закладки внизу рабочего поля), остается возможность пользоваться столбиками вычислений любого листа Excel. Например, вы работаете на «Лист2», а данные для дальнейших вычислений располагаются на «Лист1». На листе «2» щелкаете по ячейке, куда будут заноситься результаты вычислений, ставите знак «=», открываете «Лист1», щелкаете по нужной ячейке, предположим В2. В строке формул появится имя этой ячейки и ссылка на лист, на котором эта ячейка располагается: «Лист1!$B$2». Если в названии ячейки стоят символы «$», то их нужно убрать. Поместите курсор сразу за именем ячейки в строке формул и нажмите на клавиатуре кнопку «F4» столько раз, сколько нужно для устранения всех символов «$». Останется запись «Лист1!В2». Далее ставите оператор в соответствии с вашей формулой (+ ,- , /, *) и возвращаетесь на рабочий «Лист2», продолжая запись формулы в строку формул. Чтобы скопировать столбцы значений с другого листа, когда сами значения являются формулами, лучше сделать это путем перемножения ячеек на единицу. Листы Excel будут выглядеть примерно так: 16 17 Для построения кривых, общих для всех передач (например, Pψ, Nψ и др.) удобно свести выборочные данные для всего диапазона скоростей в одну таблицу, как показано на рисунке выше. Динамический паспорт Отличие этого графика заключается в добавлении к нему рисунка - вторая ось. Вначале по таблице с расчетами строится обычным образом график «Динамический паспорт», как показано на примере графика мощности. Получим: Динамический паспорт 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 20 40 60 80 100 Затем щелкаем левой кнопкой мыши по «Область построения диаграммы» (не путать с «Область диаграммы»). По краям сетки появятся черные квадратики. Захватив один левый, например угловой, сдвигаем левый край графика вправо. В поле «Область диаграммы» слева появится достаточно места для рисования второй оси. На панели инструментов нажимается кнопка «Рисование». Используя кнопки «Линия» или «Полилиния», расположенных на нижней панели инструментов, к графику дорисовывается ось «0% нагрузки», как показано на рисунке: 18 Динамический паспорт 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 20 40 60 80 100 Далее, применяя кнопку «Надпись» расставляются числа и обозначения осей. Окончательный вид графика: Динамический паспорт D Do 0,40 0,30 0,4 0,20 0,3 0,2 0,10 0,1 0 0,00 0 20 40 19 60 80 V,км/ч 100 Построение графика ускорения Ни в расчетах, ни в построении графика ускорения особенностей нет. График времени и пути разгона Здесь надо сделать следующее допущение: Автомобиль разгоняется на первой передаче, полностью проходя кривую ускорения от начала до конца. При достижении максимальной скорости на первой передаче происходит переключение на вторую. График ускорения на второй передаче автомобиль проходит от скорости момента переключения (равняется V1max) до максимальной скорости на второй передаче (V2max), далее - переключение на третью передачу и т.д. Таким образом, кривые ускорения, за исключением первой передачи, обрабатываются не от начала, а от скорости в момент переключения и до конца кривой. При переключении передач пренебречь временем переключения. Время начала движения на следующей передаче совместить со временем окончания движения на предыдущей. По этой причине, при переключении передач пренебречь и путем, проходимым автомобилем за время переключения. Путь начала движения на следующей передаче совместить с путем окончания движения на предыдущей. С принятием указанного допущения графики времени и пути разгона превратятся в непрерывные монотонно возрастающие кривые. Значение ускорения на последующей передаче в момент переключения определяется либо по графику ускорения, либо по таблице ускорения при ближайшем значении скорости. Для повышения точности определения ускорения по графику можно уменьшить цену делений промежуточных меток в окне «Формат оси» (двойной щелчок левой кнопкой по соответствующей оси или шкале графика), «Шкала». Также можно увеличить масштаб графика, потянув за черный уголок «Область диаграммы». Таблицы времени разгона Σt и пути разгона ΣS должны начинаться с «0», поскольку первая точка (при первом значении скорости V1) – начало отсчета и суммировать еще нечего. Проверяя себя надо помнить, что каждому значению Σt и ΣS соответствует ячейка скорости в таблице скоростей (иначе график не построить). Таблицы скоростей и ускорений, которые использовалась для построения предыдущих графиков сразу же нужно скорректировать с учетом момента переключения передач (см. рисунок ниже). 20 21 Построение дорожно-экономической характеристики Построение четырех графиков дорожно-экономической характеристики не вызывает затруднений. График дорожного расхода топлива строить не нужно. 22 23 Графики режима движения на маршруте Графиков абсолютного расхода топлива и времени движения на маршруте рассчитывать и строить не нужно. Скорость движения на маршруте. Для получения значений скорости на маршруте используются уже имеющиеся графики и таблицы. Максимальная скорость движения в гору берется из динамического паспорта (подъем характеризует кривая - ψ') в месте, где кривая суммарного дорожного сопротивления ψ' пересекает характеристику динамического фактора (в нашем примере скорость составила 51км/ч). Путь в гору по заданию - 1000 м. Эти условия позволяют построить первую часть графика скорости. При выезде на горизонтальную часть пути автомобиль разгоняется с максимальным ускорением до 0,9Vmax (в нашем примере взято 0,77Vmax = 77 км/ч, иначе путь разгона превышал оставшиеся 2000 м, и не было возможности показать третий участок). Далее автомобиль движется равномерно со скоростью 0,9Vmax – третий участок пути. На участке разгона (в нашем примере от 51 до 77км/ч) значения скорости и пути берутся с графика пути от скорости начала разгона (в примере 51км/ч) до скорости 0,9Vmax (для тяжелых грузовиков лучше взять 0,8Vmax). Можно первое и последнее значение диапазона взять с графика, а промежуточные – из таблиц (на рисунке вверху отмечены затемненными ячейками), по которым строился график пути. На третьем участке скорость постоянна - 0,9Vmax, а диапазон пути – от последней точки разгонного участка (в примере – 2050 м) до конца маршрута – 3000 м. Часовой расход топлива на маршруте. Если на графике динамического паспорта кривая ψ' (движение на подъем – первый участок режима движения) пересекается с кривой динамического фактора, то в точке их пересечения происходит полное использование мощности двигателя (р = 1,0). Кроме того, известна скорость движения автомобиля и передаточное число включенной передачи, откуда определяется угловая скорость двигателя (из уравнения (9) работы /1/): е V iK iO 3.6 rK Используя график часового расхода топлива при полной загрузке двигателя (р=1,0), определяется часовой расход. Использовать можно, как график часового расхода из дорожно-экономической характеристики, так и график часового расхода из внешней скоростной характеристики. Если кривая ψ' не пересекает кривую динамического фактора (располагается ниже), то загрузка двигателя не будет максимальной (р<1,0). В таком случае часовой расход придется подсчитать по уравнению (7) работы /1/: Gt ge Ne 1000 g N K K N Nе . 1000 24 В этой формуле для определения скоростного коэффициента K потребуется угловая скорость двигателя е , которая рассчитывается по формуле, показанной выше. Для определения загрузочного коэффициента K N потребуется текущее значение мощности ( Ne ) и 100% мощность ( N100 ) при этой же угловой скорости двигателя. Текущее значение мощности двигателя равно потребной при данной скорости движения автомобиля и определяется по графику потребной мощности дорожно-экономической характеристики ( Ne N потр ψ'). Найдя угловую скорость по приведенной выше формуле, из графика загрузки двигателя определяется 100% мощность - N100 . В результате в строку формул Excel придется записать формулу (если двигатель карбюраторный): e e Ne 0,67 ( ) 2 ) (3,27 8,22 N N N100 Ne 2 Ne 3 ) 3,18 ( ) ) Ne / 1000 . + 9,13 ( N100 N100 Gt g N (1,27 0,94 + Выглядеть она будет в строке формул: Те же действия придется предпринять для нахождения часового расхода топлива на третьем участке маршрута. 25 В примере, показанном выше на рисунках, часовой расход пришлось рассчитывать только для третьего участка маршрута, поскольку на первом участке при движении на подъем кривая суммарного дорожного сопротивления ψ' пересеклась с динамическим фактором автомобиля на третьей передаче при скорости 51км/ч. Часовой расход на первом участке был определен сразу по графику часового расхода дорожно-экономической характеристики при Ne N100 . На втором участке маршрута (начало горизонтального участка) автомобиль движется с максимальным ускорением, а значит, при полной загрузке двигателя ( N100 , р=1,0). В этом случае достаточно: взять несколько скоростей движения автомобиля (например, те же, что и в предыдущем графике «Скорость на маршруте»); рассчитать для них угловые скорости двигателя (учитывая изменение угловой скорости в момент переключения передач); по графику часового расхода топлива дорожно-экономической характеристики определить расход топлива (как было сделано в примере на рисунке выше) и построить последний график курсового проекта. Контрольные вопросы по курсовому проекту Графики 1. С помощью каких формул, и каким образом строились графики? 2. Как определялась максимальная мощность двигателя? 3. На что тратится мощность двигателя при данной включенной передаче и скорости движения автомобиля? 4. Нарисовать общий случай движения автомобиля и расставить стрелками действующие силы. 5. По графику мощностного или силового баланса определить: ускорение автомобиля; угол преодолеваемого уклона; максимальную скорость движения или ускорение при данных дорожных условиях (величине уклона, величине сопротивления качению). Дорожные условия и режим движения задает преподаватель. 6. Определить ускорение автомобиля по графику динамического фактора при заданных преподавателем режимах (степени загрузки автомобиля, коэффициенте сопротивления движению, величине динамического фактора). 7. Определить часовой расход топлива при заданной преподавателем потребной мощности и режиме движения (равномерное движение, движение с максимальным ускорением). Сцепление 1. Рассказать механизм выключения сцепления. 2. Способ передачи момента от коленчатого вала к первичному валу коробки передач и расчет передающих деталей? 3. Как в вашей конструкции выполняются специальные требования к сцеплению? 26 4. Рассказать подробно с выполнением, если нужно, необходимых рисунков работу демпфера крутильных колебаний. 5. Расчет демпферной пружины? 6. Как определялись геометрические параметры: ведомого диска; нажимного диска? 7. Расчет нажимной витой цилиндрической пружины или способ определения толщины диафрагменной пружины (смотря, какая у вас конструкция сцепления)? 8. Какие проверки производятся после определения силы сжатия дисков сцепления? 9. Как подбирались геометрические размеры привода сцепления? Литература 1. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Автомобили» для студентов заочного факультета специальности 1505. Назарко С. А., Приходько Г. К., Омск : Изд. СибАДИ, 1989, 45 с. 2. Вовк Е., Баричев С., Плотников О. Самоучитель работы на компьютере, М.: Изд. КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000, 363с. 27
