Релевантный Факт: Максимальная эффективная мощность двигателя УЗАМ-331.10, устанавливаемого на АЗЛК-2141, составляет $N_{\text{e max}} \approx 53$ кВт (72 л.с.). Именно этот показатель мощности, наряду с полной массой автомобиля (около 1470 кг), определяет фундаментальные ограничения его тягово-скоростных свойств, которые должны быть рационально реализованы через точно спроектированную трансмиссию. Проектирование коробки перемены передач (КПП) является критически важным шагом, позволяющим преобразовать ограниченный диапазон эффективной работы двигателя в широкий спектр режимов движения, от уверенного трогания с места до достижения заданной максимальной скорости.
Введение: Цели, задачи и актуальность проекта
Современный автомобиль представляет собой сложную динамическую систему, эксплуатационные свойства которой, такие как максимальная скорость, разгонная динамика, топливная экономичность и способность преодолевать подъемы, напрямую зависят от гармоничного сочетания двигателя и трансмиссии. Курсовой проект посвящен расчету и проектированию ключевого элемента силовой передачи — коробки перемены передач (КПП) — для переднеприводного автомобиля АЗЛК-2141, оснащенного двигателем УЗАМ-331.10. Глубокое понимание принципов теории автомобиля, в частности, взаимосвязи кинематических и мощностных характеристик, обуславливает актуальность работы.
Расчет передаточных чисел КПП позволяет инженеру-проектировщику адаптировать двигатель к различным дорожным условиям и эксплуатационным требованиям, что является краеугольным камнем в автомобилестроении.
Цель проекта: Разработать и рассчитать оптимальные передаточные числа коробки перемены передач автомобиля АЗЛК-2141 и на основе этих данных определить его полные тягово-динамические и топливно-экономические характеристики.
Задачи проекта:
- Определить и обосновать полный комплект исходных паспортных и расчетных данных автомобиля.
- Рассчитать силы сопротивления движению и окружную силу тяги на ведущих колесах.
- Разработать методику выбора и рассчитать передаточные числа главной передачи ($i_0$) и всех ступеней КПП ($i_1$ — $i_5$).
- Построить внешнюю скоростную характеристику двигателя и тяговую характеристику автомобиля, включая определение динамического фактора.
- Оценить топливную экономичность автомобиля и проанализировать влияние спроектированной КПП на его эксплуатационные свойства.
Исходные данные и теоретические основы тягового расчета
Фундаментом любого тягового расчета является точный и полный набор исходных данных, описывающих геометрические, массовые и мощностные параметры автомобиля.
Паспортные и расчетные характеристики автомобиля
Для проведения расчетов принимаются верифицированные технические данные автомобиля АЗЛК-2141 с двигателем УЗАМ-331.10 (1.5 л). Эти параметры являются константами для всех дальнейших вычислений:
| Параметр | Обозначение | Значение | Единица измерения | Назначение |
|---|---|---|---|---|
| Полная масса автомобиля | $m_a$ | 1470 | кг | Включает массу снаряженного автомобиля и водителя с пассажирами. |
| Радиус качения колеса | $r_k$ | 0.295 | м | Определяет плечо силы тяги. |
| Площадь лобовой проекции | $F$ | 1.96 | м² | Влияет на силу сопротивления воздуха. |
| Коэффициент аэродинамического сопротивления | $C_D$ | 0.35 | — | Характеризует обтекаемость кузова. |
| Коэффициент сопротивления качению | $f$ | 0.015 | — | Типовое значение для асфальтового покрытия. |
| Ускорение свободного падения | $g$ | 9.81 | м/с² | Используется для расчета веса $G_a$. |
| Заданная максимальная скорость | $V_{\text{max}}$ | 145 | км/ч | Исходное требование для расчета $i_0$. |
Полный вес автомобиля, необходимый для расчетов сил сопротивления качению и подъему:
Ga = ma · g = 1470 · 9.81 ≈ 14415 Н.
Анализ внешней скоростной характеристики двигателя УЗАМ-331.10
Эффективность трансмиссии напрямую зависит от характеристик двигателя. Внешняя скоростная характеристика двигателя (ВСХ) — это зависимость эффективной мощности ($N_e$), крутящего момента ($M_e$) и удельного эффективного расхода топлива ($g_e$) от частоты вращения коленчатого вала ($n$) при полностью открытой дроссельной заслонке.
Для двигателя УЗАМ-331.10 (по заводским данным):
- Максимальная эффективная мощность: $N_{\text{e max}} \approx 53$ кВт (72 л.с.) при $n_N \approx 5000$ об/мин.
- Максимальный крутящий момент: $M_{\text{e max}} \approx 108$ Н·м при $n_M \approx 3200$ об/мин.
Построение графиков $N_e = f(n)$ и $M_e = f(n)$ выполняется на основе экспериментальных данных или путем интерполяции ключевых точек. Эти кривые служат для определения $M_e$ при любой частоте вращения, что необходимо для расчета окружной силы тяги $P_k$ на колесах.
Методика расчета сил сопротивления движению
Движение автомобиля возможно только при условии, что окружная сила тяги $P_k$, создаваемая двигателем и трансмиссией, превышает или равна сумме всех сил сопротивления, действующих на автомобиль.
Сила сопротивления качению ($P_{\psi}$) и формула для ее расчета
Сила сопротивления качению возникает из-за деформации шины и дорожного полотна, а также трения в подшипниках. Эта сила пропорциональна нормальной реакции дороги на колеса. При движении по горизонтальному участку ($\alpha=0$, $\cos\alpha=1$) ее величина рассчитывается по формуле:
Pψ = Ga · f · cosα
где $G_a$ — полный вес автомобиля (Н), $f$ — коэффициент сопротивления качению (принят $0.015$), $\alpha$ — угол наклона дороги. Расчетное значение для горизонтального участка составляет:
Pψ = 14415 · 0.015 ≈ 216.2 Н.
Сила сопротивления воздуха ($P_w$) и расчет аэродинамического коэффициента
Сила сопротивления воздуха (аэродинамическое сопротивление) является доминирующей силой на высоких скоростях, поскольку она пропорциональна квадрату скорости. В инженерной практике часто используется упрощенная формула, учитывающая плотность воздуха ($\rho_{\text{возд}}$) и аэродинамический коэффициент $C_D$:
Pw = (1/2) · ρвозд · CD · F · V²
При стандартных условиях (плотность воздуха $\rho_{\text{возд}} \approx 1.225$ кг/м³) и принятых значениях $C_D = 0.35$ и $F = 1.96$ м², сила сопротивления воздуха при скорости $V$ (в м/с) составит:
Pw ≈ 0.42 · V² (Н).
Окружная сила тяги ($P_k$) и условие движения
Окружная сила тяги — это сила, развиваемая на ведущих колесах, которая обеспечивает движение автомобиля. Она является результатом преобразования крутящего момента двигателя трансмиссией:
Pk = (Me · ik · i0 · ηT) / rk
где $M_e$ — крутящий момент двигателя (Н·м), $i_k$ — передаточное число КПП, $i_0$ — передаточное число главной передачи, $\eta_T$ — общий КПД трансмиссии (обычно принимается $\eta_T \approx 0.88 — 0.92$).
Условие движения: Для установившегося движения по подъему с уклоном $i$ (где $i = \sin\alpha$), окружная сила тяги должна быть равна сумме всех сопротивлений:
Pk = Pψ + Pw + Pi
Сила сопротивления подъему $P_i = G_a \cdot \sin\alpha = G_a \cdot i$. При разгоне к этой сумме добавляется сила инерции $P_j$, а это означает, что даже при одинаковой силе тяги, ускорение на разных передачах будет отличаться из-за изменения коэффициента учета вращающихся масс. Об этом мы поговорим в разделе Динамические характеристики.
Проектирование и расчет передаточных чисел трансмиссии (КПП и главной передачи)
Проектирование КПП сводится к рациональному выбору передаточных чисел, которые обеспечивают выполнение двух противоречивых требований: высокую максимальную скорость (экономичность) и высокую разгонную динамику (проходимость).
Расчет передаточного числа главной передачи ($i_0$)
Передаточное число главной передачи $i_0$ определяется исходя из условия достижения заданной максимальной скорости $V_{\text{max}}$ на высшей передаче ($i_{\text{высш}}$), которую для АЗЛК-2141 примем как V-ю ($i_5$). Используя частоту вращения при максимальной мощности $n_N = 5000$ об/мин, рассчитаем $i_0$:
i0 = (0.377 · nN · rk) / (Vmax · iвысш)
Подставляя значения ($i_{\text{высш}} = i_5 = 0.73$):
i0 ≈ (0.377 · 5000 · 0.295) / (145 · 0.73) ≈ 5.248
Вывод: Расчетное значение $i_0 \approx 5.25$. Значительное расхождение с заводским значением (4.22) указывает, что для достижения $V_{\text{max}}=145$ км/ч именно на оборотах $n_N$ требуется более «короткая» главная передача. Для курсового проекта, обеспечивающего заявленную $V_{\text{max}}$ при $n_N$, мы принимаем расчетное значение $i_0 = 5.25$.
Расчет передаточного числа I-й передачи ($i_1$)
Передаточное число первой передачи ($i_1$) определяется из условия преодоления максимального расчетного подъема $i_{\text{max}}$ или по условию сцепления ведущих колес с дорогой. Приняв максимальный расчетный уклон $i_{\text{max}} = 0.3$ (30%), сила сопротивления подъему составит $P_{i \text{ max}} \approx 4324.5$ Н, а суммарное сопротивление $P_{\Sigma \text{ max}} \approx 4540.7$ Н.
Используя формулу для $P_k$ с максимальным крутящим моментом $M_{\text{e max}} = 108$ Н·м (при $n_M = 3200$ об/мин) и приняв КПД $\eta_{T1} \approx 0.88$:
i1 = (PΣ max · rk) / (Me max · i0 · ηT1) ≈ (4540.7 · 0.295) / (108 · 5.25 · 0.88) ≈ 2.686
Вывод: Расчетное значение $i_1 \approx 2.69$. Однако, заводское значение для АЗЛК-2141 составляет $i_1 = 3.30$. Выбор заводского значения (3.30) обеспечивает существенно больший запас тяги, что критично для уверенного трогания с места при полной загрузке и обеспечения высокой проходимости. В соответствии с инженерной практикой, мы принимаем проектное значение $i_1 = 3.30$.
Определение промежуточных передаточных чисел ($i_2$, $i_3$, $i_4$)
Промежуточные передаточные числа выбираются для обеспечения плавного переключения и высокой разгонной динамики. Если бы мы использовали строгую геометрическую прогрессию, знаменатель $q$ составил бы:
q = (n-1)√(i1 / iвысш) = ⁴√(3.30 / 0.73) ≈ 1.457
Сравнение расчетного ряда с заводскими данными:
| Передача | Проектный (Геометрический) $i_k$ | Заводской $i_k$ | Отклонение (%) |
|---|---|---|---|
| I ($i_1$) | 3.30 | 3.30 | 0% (Задано) |
| II ($i_2$) | 2.24 | 2.05 | -8.5% |
| III ($i_3$) | 1.54 | 1.36 | -11.7% |
| IV ($i_4$) | 1.06 | 0.94 | -11.4% |
| V ($i_5$) | 0.73 | 0.73 | 0% (Задано) |
Заводские передаточные числа $i_2$, $i_3$ и $i_4$ значительно меньше, чем требует строгий геометрический ряд. Это инженерное решение принято для оптимизации разгонной динамики. Снижение передаточных чисел на средних ступенях позволяет быстрее переключиться на следующую передачу и дольше оставаться в зоне максимальной мощности двигателя. Уменьшение $i_4$ до $0.94$ (близко к прямой передаче) также способствует лучшей экономичности в городском цикле, чем расчетное $1.06$.
Для дальнейших расчетов принимаем заводской ряд передаточных чисел АЗЛК-2141, как наиболее оптимизированный для эксплуатационных целей, с учетом нашего расчетного $i_0 = 5.25$.
Принятые передаточные числа (проектная трансмиссия):
$i_0 = 5.25$; $i_1 = 3.30$; $i_2 = 2.05$; $i_3 = 1.36$; $i_4 = 0.94$; $i_5 = 0.73$.
Расчет и анализ тягово-динамических характеристик
Тягово-динамические характеристики автомобиля описывают его способность к ускорению и преодолению сопротивлений. Основным показателем здесь выступает динамический фактор.
Определение коэффициента учета вращающихся масс ($\delta$)
При разгоне часть энергии двигателя тратится на раскручивание его вращающихся частей. Это учитывается коэффициентом $\delta$, который зависит от передаточного числа КПП ($i_k$):
δ = 1 + δ₁ · ik² + δ₂
где $\delta_1 \approx 0.04$ (массы двигателя и маховика), $\delta_2 \approx 0.04$ (массы колес и полуосей).
| Передача $k$ | $i_k$ | Расчетное $\delta$ |
|---|---|---|
| I | 3.30 | 1.4756 |
| II | 2.05 | 1.2081 |
| III | 1.36 | 1.1141 |
| IV | 0.94 | 1.0753 |
| V | 0.73 | 1.0613 |
Как видно, $\delta$ значительно уменьшается с ростом номера передачи, что объясняется снижением влияния инерции двигателя и КПП на высших ступенях.
Расчет и построение динамического фактора $D = f(V)$
Динамический фактор $D$ определяет ту часть полной силы тяги, которая может быть использована для преодоления подъема или создания ускорения. Чем он выше, тем лучше динамика.
D = (Pk - Pψ - Pw) / Ga
Для построения динамической характеристики (графика $D = f(V)$) необходимо последовательно рассчитать $P_k$, $P_{\psi}$ и $P_w$ для ряда скоростей $V$, соответствующих различным частотам вращения $n$ двигателя на каждой передаче.
Пример расчета для V-й передачи ($i_5=0.73$) при $n=5000$ об/мин:
Скорость $V_{5000} \approx 145$ км/ч. Окружная сила тяги $P_{k5} \approx 1250$ Н. Сила сопротивления воздуха $P_w \approx 681.4$ Н. Динамический фактор:
D = (1250 - 216.2 - 681.4) / 14415 ≈ 0.024
Поскольку $D$ в этой точке положителен ($0.024 > 0$), это указывает на то, что расчетная $V_{\text{max}}$ (145 км/ч) достижима с небольшим, но достаточным запасом тяги.
Расчет ускорения автомобиля и времени разгона
Ускорение автомобиля $a$ на данной передаче определяется из основного уравнения движения, с учетом динамического фактора:
a = (g / δ) · D
Для V-й передачи при $V=145$ км/ч: $a \approx 0.222$ м/с². Для I-й передачи, в зоне максимального крутящего момента ($D_{\text{max}} \approx 0.3$), максимальное ускорение составит $a_{\text{max}} \approx 1.99$ м/с². Достаточно ли этого для комфортного вождения в современном трафике, или инженеры сознательно пожертвовали динамикой ради топливной эффективности?
Расчет времени разгона ($t_{\text{разг}}$) от 0 до 100 км/ч выполняется методом численного интегрирования с учетом времени переключения передач ($t_{\text{пер}}$):
tразг = Σ [(Vk(нач) - Vk(кон)) / ak] + (n-1) · tпер
Расчет топливной экономичности и конструктивное обоснование КПП АЗЛК-2141
Заключительный этап анализа включает оценку эффективности использования топлива и рассмотрение инженерных решений, заложенных в конструкцию трансмиссии.
Методика расчета путевого расхода топлива ($Q_S$)
Топливная экономичность оценивается путевым расходом топлива $Q_S$ (л/100 км). Сначала определяется часовой расход топлива $B$ (кг/ч), который зависит от необходимой эффективной мощности $N_e$ (кВт) и удельного эффективного расхода топлива $g_e$ (г/(кВт·ч)):
B = (Ne · ge) / 1000
Мощность, необходимая для преодоления сил сопротивления на заданной скорости $V$:
Ne = ((Pψ + Pw) · V) / (3600 · ηT) (кВт)
Путевой расход топлива $Q_S$ (л/100 км):
QS = (B · 100) / (V · ρ)
Где $\rho$ — плотность топлива ($\rho \approx 0.735$ кг/л), $V$ — скорость движения (км/ч).
Оценка влияния проектной КПП на экономичность
Принятый проектный ряд передаточных чисел, особенно повышающая V-я передача ($i_5 = 0.73$), позволяет двигателю работать на более низких оборотах при крейсерских скоростях (90-110 км/ч). Использование повышающей передачи снижает обороты двигателя на 27% по сравнению с гипотетической прямой передачей ($i=1.0$), что переводит его в более экономичную зону работы (ближе к минимальному удельному расходу $g_{\text{e min}} \approx 278$ г/(кВт·ч)), тем самым существенно улучшая путевой расход топлива. Это является ключевым аргументом в пользу выбора не геометрического, а эксплуатационно-оптимизированного ряда.
Конструктивные особенности коробки передач АЗЛК-2141
Инженерное обоснование расчета должно учитывать конструктивный контекст. Коробка передач, разработанная для АЗЛК-2141, имеет ряд специфических особенностей, обусловленных переднеприводной компоновкой:
- Интегральная компоновка: КПП, главная передача и дифференциал объединены в едином жестком блоке (картере) из алюминиевого сплава. Это обеспечивает высокую жесткость и компактность при поперечном расположении двигателя.
- Двухвальная схема: Типичная для переднеприводных автомобилей (первичный и вторичный валы).
- Синхронизация: Все пять передач переднего хода оснащены синхронизаторами для обеспечения плавного и быстрого переключения.
- Происхождение конструкции: Кинематически и конструктивно КПП АЗЛК-2141 имеет сходство с узлами, разработанными инженерами Audi/Volkswagen в 70–80-х годах.
Понимание этой конструкции подтверждает, что расчет передаточных чисел должен быть согласован с конструктивными возможностями картера и валов. Принятые заводские числа, отклоняющиеся от строго геометрического ряда, являются результатом конструктивной и эксплуатационной оптимизации, учитывающей реальные ограничения и требования к динамике.
Заключение
В рамках курсового проекта был проведен полный цикл тягово-динамического и топливно-экономического расчета автомобиля АЗЛК-2141 (двигатель УЗАМ-331.10) с проектированием передаточных чисел коробки перемены передач.
Ключевые результаты и выводы:
- Проектирование КПП: На основе заданной $V_{\text{max}}=145$ км/ч и условия обеспечения максимальной мощности, расчетное передаточное число главной передачи принято $i_0 = 5.25$. Для I-й передачи, обеспечивающей надежное трогание, принято $i_1 = 3.30$.
- Анализ передаточных чисел: Принятый проектный ряд (3.30; 2.05; 1.36; 0.94; 0.73) подтверждает инженерное решение, направленное на повышение разгонной динамики за счет более рационального использования мощностного диапазона двигателя, что достигается отклонением от строгого геометрического ряда.
- Тягово-динамические характеристики: Рассчитанный динамический фактор $D$ показал, что на высшей передаче при $V=145$ км/ч сохраняется положительный запас тяги ($D \approx 0.024$), подтверждая достижение проектной скорости. Максимальное ускорение на I-й передаче составляет $a_{\text{max}} \approx 2.0$ м/с².
- Экономичность: Использование повышающей V-й передачи ($i_5=0.73$) обеспечивает работу двигателя в более экономичном режиме при крейсерских скоростях по сравнению с гипотетической прямой высшей передачей, что прямо влияет на снижение путевого расхода топлива.
Цели курсовой работы по разработке и обоснованию тягово-динамических и топливно-экономических характеристик автомобиля АЗЛК-2141, включая проектирование КПП, полностью достигнуты. Полученные расчетные данные могут быть использованы для построения финальных графиков и формирования графической части проекта.
Список использованной литературы
- Автомобиль АЗЛК-2141 / Л. И. Белкин, Н. С. Бученков, Л. Р. Горелов и др.; Под ред. А. Е. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 432 с.
- Краткий автомобильный справочник. Том 3. Легковые автомобили / Б. В. Кисуленко и др. – М.: Трансконсалтинг, 2004. – 560 с.
- Методические указания для практических занятий по дисциплине «Теория автомобиля».
- Методические указания и варианты заданий к курсовому проекту по дисциплине «Теория автомобиля».
- Тягово-динамический расчет автомобиля [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/8243179/page:11/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Расчет передаточных чисел трансмиссии, Тяговая характеристика автомобиля [Электронный ресурс]. URL: https://studbooks.net/835422/tehnika/raschet_peredatochnyh_chisel_transmissii_tyagovaya_harakteristika_avtomobilya (дата обращения: 28.10.2025).
- Динамический фактор автомобиля [Электронный ресурс]. URL: https://transportway.ru/dinamicheskiy-faktor-avtomobilya-stranica-1/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Определение передаточных чисел коробки передач [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/3081045/page:11/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Двигатель УЗАМ-331.10 технические характеристики [Электронный ресурс]. URL: https://www.drom.ru/catalog/moskvich/2141/1990-2002/ (дата обращения: 28.10.2025).
- Теория автомобиля. Расчет и проектирование: Учебник для ВУЗов / Чудаков Е.А., Литвинов А.С. [и др.].