Тяговый и топливно-экономический расчет автомобиля ГАЗ 31105 (ЗМЗ-4062.10)

По данным Горьковского автозавода, серийное производство ГАЗ-31105 «Волга» осуществлялось с 2003/2004 года по 2009 год, что делает его одним из последних представителей легендарной линейки «Волга». Изучение его тяговых и топливно-экономических характеристик позволяет не только понять инженерные решения того времени, но и отточить навыки расчетов, применимых к любому современному автомобилю.

Введение

В мире, где эффективность и производительность транспортных средств играют ключевую роль как в экономике, так и в экологии, глубокое понимание тяговых и топливно-экономических характеристик автомобиля становится не просто желательным, а абсолютно необходимым для принятия обоснованных инженерных решений. Данная курсовая работа посвящена детальному анализу этих параметров для автомобиля ГАЗ 31105, оснащенного двигателем ЗМЗ-4062.10.

Актуальность темы обусловлена непреходящей значимостью инженерных расчетов в процессе проектирования, эксплуатации и модернизации транспортных средств. Способность автомобиля эффективно преодолевать сопротивления движению, развивать необходимую скорость и при этом минимизировать расход топлива напрямую влияет на его конкурентоспособность, эксплуатационные затраты и воздействие на окружающую среду. Для студентов технических вузов, будущих инженеров-автомобилистов, освоение методик тягового и топливно-экономического расчета является краеугольным камнем профессиональной подготовки.

Целью данной работы является разработка и представление исчерпывающего тягового и топливно-экономического расчета автомобиля ГАЗ 31105, включая теоретические основы, расчетные методики, построение и анализ графических зависимостей, а также формулирование выводов о его динамических и экономических показателях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Собрать и систематизировать исходные данные по автомобилю ГАЗ 31105 и его двигателю ЗМЗ-4062.10.
2. Построить внешнюю скоростную характеристику двигателя и обосновать выбор передаточных чисел трансмиссии.
3. Выполнить полный тяговый расчет, включая определение всех сил сопротивления движению и построение графиков тягового баланса и баланса мощности.
4. Разработать динамический паспорт автомобиля и рассчитать время разгона.
5. Провести топливно-экономический расчет для различных режимов движения, оценив влияние ключевых факторов.
6. Проанализировать полученные результаты и сформулировать практические рекомендации.

Объектом исследования является автомобиль ГАЗ 31105, а предметом исследования – его тяговые и топливно-экономические характеристики. Структура работы последовательно раскрывает теоретические основы, методики расчетов и их графическую интерпретацию, завершаясь выводами и рекомендациями, что позволяет получить целостное представление о динамических и экономических свойствах исследуемого автомобиля.

Общие сведения и основные параметры автомобиля ГАЗ 31105

Прежде чем приступать к сложным инженерным расчетам, необходимо получить полное и точное представление об объекте исследования — автомобиле ГАЗ 31105. Этот этап служит фундаментом, на котором будет строиться весь дальнейший анализ, позволяя нам не просто оперировать цифрами, но и понимать их контекст, их связь с конкретной конструкцией и эксплуатационными особенностями.

История создания и конструктивные особенности ГАЗ 31105

ГАЗ 31105, часто называемый «Волгой» нового поколения, представляет собой эволюционный шаг в развитии отечественного автомобилестроения. Он не был революционным прорывом, но являлся результатом планомерной модернизации предшествующей модели ГАЗ-3110. Серийное производство этой модели осуществлялось на Горьковском автозаводе с 2003/2004 по 2009 год, что делает её одним из последних массовых автомобилей в линейке «Волга».

Ключевые конструктивные изменения в ГАЗ 31105, направленные на улучшение ходовых качеств, комфорта и надежности, включали:

• Бесшкворневая передняя подвеска. Это, пожалуй, одно из наиболее значимых нововведений. В отличие от архаичной шкворневой конструкции, которая требовала регулярного обслуживания (шприцевания) и была подвержена быстрому износу, новая независимая подвеска на верхних и нижних поперечных рычагах (нижние рычаги двойные) с винтовыми цилиндрическими пружинами и телескопическими гидравлическими амортизаторами двустороннего действия значительно повысила выносливость, снизила шум и стук при движении, а также упростила ремонт и эксплуатацию. Наличие стабилизатора поперечной устойчивости дополнительно улучшило управляемость автомобиля, что особенно важно при маневрировании и движении на скоростях.
• Усовершенствованная пятиступенчатая механическая коробка передач. Модернизация агрегатов, начавшаяся в 2003 году, коснулась и трансмиссии. Новая КПП оснащена синхронизаторами на всех передачах, а изменение механизма управления позволило перенести рычаг переключения передач ближе к водителю, повысив эргономичность и удобство управления.

Эти усовершенствования, хоть и не меняли кардинально облик автомобиля, существенно повышали его потребительские качества, делая ГАЗ 31105 более современным и удобным в эксплуатации.

Технические характеристики двигателя ЗМЗ-4062.10

Сердцем большинства автомобилей ГАЗ 31105 был двигатель ЗМЗ-4062.10, разработанный Заволжским моторным заводом. Это был относительно передовой для своего времени агрегат, обладающий следующими ключевыми характеристиками:

• Тип двигателя: 4-цилиндровый, рядный, бензиновый, 4-тактный, 16-клапанный с распределенным впрыском топлива. Многоклапанная схема и распределенный впрыск обеспечивали лучшую наполняемость цилиндров и более точное дозирование топлива, что положительно сказывалось на мощности и экономичности.
• Рабочий объём: 2,3 литра.
• Степень сжатия: 9,3. Этот показатель указывает на оптимальное использование бензина АИ-92, который является рекомендуемым топливом для данного двигателя.
• Номинальная мощность: 130,6 л.с. (или 96 кВт) при 5200 об/мин. Это значение будет критически важным для построения внешней скоростной характеристики и определения максимальных тяговых возможностей.
• Максимальный крутящий момент: 190 Н·м (или 19,0 кГс·м) при 4000 об/мин. Пиковое значение крутящего момента определяет тяговитость двигателя и его способность ускорять автомобиль, особенно на низких и средних оборотах.

Эти параметры формируют основу для расчета тяговых сил и топливной экономичности, поскольку именно они определяют, сколько энергии может выдать двигатель и с какой эффективностью.

Основные параметры автомобиля

Для всестороннего тягового и топливно-экономического расчета, помимо характеристик двигателя, необходим полный набор данных об автомобиле в целом. Эти параметры определяют, как силы, генерируемые двигателем, будут преобразованы в движение и какие сопротивления придется преодолевать.

Таблица 1: Основные технические параметры автомобиля ГАЗ 31105 (ЗМЗ-4062.10)

Параметр	Значение	Единица измерения	Примечание
Масса снаряженная	1400 — 1550	кг	Зависит от комплектации
Полная масса	1890 — 2000	кг	Для ЗМЗ-4062.10 обычно 1890 кг
Разрешенная масса груза (при 5 чел.)	50	кг	В багажнике
Трансмиссия	5-ступенчатая механическая КПП с синхронизаторами	—
Размерность колёсных дисков	6,5J x 15	дюймы
Размерность шин	195/65R15	—
Длина	4921	мм
Ширина	1812 (по крыльям 1800, по зеркалам 2060)	мм
Высота	1422 (без нагрузки 1480)	мм
Колесная база	2800	мм
Дорожный просвет (передняя поперечина)	160-143	мм	Для ЗМЗ-Chrysler
Дорожный просвет (картер заднего моста)	156	мм
Максимальная скорость	163-173	км/ч	С двигателем ЗМЗ-4062
Время разгона до 100 км/ч	13,5	с	С двигателем ЗМЗ-4062
Контрольный расход топлива (90 км/ч)	8,8	л/100 км	ЗМЗ-4062 Евро 0
Контрольный расход топлива (120 км/ч)	11,0	л/100 км	ЗМЗ-4062 Евро 0
Контрольный расход топлива (городской цикл)	13,5	л/100 км	ЗМЗ-4062 Евро 0

Эти данные, особенно полная масса, габаритные размеры и тип шин, будут непосредственно использоваться для расчета сил сопротивления движению, а также для оценки топливной экономичности и динамических показателей автомобиля. Особое внимание следует уделить полной массе в 1890 кг (для версии с ЗМЗ-4062.10), поскольку это базовая величина для всех расчетов, связанных с инерцией и сопротивлением качению.

Построение внешней скоростной характеристики двигателя и выбор передаточных чисел трансмиссии

Любой анализ динамики и экономичности автомобиля начинается с понимания того, как его «сердце» – двигатель – взаимодействует с трансмиссией, передавая свою мощь на колеса. Именно внешняя скоростная характеристика дает нам ключ к этим знаниям, а правильно подобранные передаточные числа трансмиссии являются мостом между возможностями двигателя и потребностями движения.

Теоретические основы и методика построения внешней скоростной характеристики

Внешняя скоростная характеристика двигателя — это своего рода «паспорт» его производительности. Она представляет собой набор зависимостей, описывающих поведение двигателя при полностью открытой дроссельной заслонке (или максимальной подаче топлива). Обычно это графики эффективной мощности (N_e), крутящего момента (M_к), часового и удельного эффективного расходов топлива (g_e) от частоты вращения коленчатого вала (n). Эти зависимости позволяют определить оптимальные режимы работы двигателя и его максимальные возможности.

Построение такой характеристики для существующего двигателя, как ЗМЗ-4062.10, может быть основано на:

1. Результатах стендовых испытаний: Это наиболее точный метод, но требует доступа к испытательному оборудованию и самому двигателю.
2. Данных двигателя-прототипа: Если есть аналогичные двигатели с известными характеристиками, их данные могут быть адаптированы.
3. Эмпирических зависимостях: На стадии проектирования или при отсутствии точных данных используются математические модели, выражающие параметры двигателя как функции частоты вращения.

Для нашей курсовой работы мы будем опираться на номинальные характеристики двигателя ЗМЗ-4062.10 и использовать эмпирические зависимости, чтобы построить полную внешнюю скоростную характеристику.

Расчет эффективной мощности (N_e):
Эффективная мощность двигателя, выраженная в кВт, может быть приближенно рассчитана по эмпирическим зависимостям. В общем виде, для двигателей внутреннего сгорания она описывается полиномиальной функцией от частоты вращения коленчатого вала (n), нормированной к номинальной частоте вращения. Поскольку у нас есть номинальная мощность (96 кВт при 5200 об/мин) и максимальный крутящий момент (190 Н·м при 4000 об/мин), мы можем использовать эти точки для аппроксимации. Однако, для простоты и точности расчетов, в курсовых работах часто применяют упрощенные зависимости, исходя из нескольких ключевых точек.

Для ЗМЗ-4062.10, имея номинальную мощность (N_{е ном} = 96 кВт при n_ном = 5200 об/мин) и максимальный крутящий момент (M_{к макс} = 190 Н·м при n_{Mк макс} = 4000 об/мин), можно принять, что:


Ne = Nе ном ⋅ [a ⋅ (n / nном) + b ⋅ (n / nном)2 + c ⋅ (n / nном)3]


Где a, b, c — коэффициенты, подбираемые таким образом, чтобы кривая мощности отражала реальное поведение двигателя. Часто для упрощения используют две-три опорные точки.

Расчет крутящего момента (M_к):
Крутящий момент двигателя (в Н·м) является производной от эффективной мощности и частоты вращения. Его можно определить по следующей формуле:


Mк = (9550 ⋅ Ne) / n


Где N_e — эффективная мощность в кВт, а n — частота вращения коленчатого вала в об/мин. Этот расчет позволяет получить зависимость крутящего момента, если известна кривая мощности.

Расчет удельного эффективного расхода топлива (g_e):
Удельный эффективный расход топлива (в г/(кВт·ч)) показывает, сколько топлива расходуется для выработки 1 кВт·ч полезной работы. Для его расчета также используются эмпирические зависимости:


ge = gен ⋅ (d0 + d1 ⋅ nх + d2 ⋅ nх2)


Где:

• g_ен — удельный эффективный расход топлива на номинальном режиме (для ЗМЗ-4062.10 он составляет около 240-260 г/(кВт·ч), примем 250 г/(кВт·ч) для расчета).
• n_х — частота вращения коленчатого вала в искомой точке, нормированная к номинальной (n_х = n / n_ном).
• d₀, d₁, d₂ — коэффициенты регрессии, которые обычно подбираются для конкретного типа двигателя. Например, для бензиновых двигателей могут использоваться следующие ориентировочные значения: d₀ = 0.5, d₁ = 0.5, d₂ = 0.05. Эти коэффициенты позволяют отразить характерную U-образную форму кривой удельного расхода топлива.

Графическое представление внешней скоростной характеристики двигателя

После расчетов этих параметров для различных значений частоты вращения коленчатого вала (от минимально устойчивых до максимальных) можно построить графики N_e(n), M_к(n), g_e(n).

Таблица 2: Примерные расчетные точки для внешней скоростной характеристики двигателя ЗМЗ-4062.10
(Для полноценной курсовой работы таблица должна содержать значительно больше точек, полученных по аппроксимационным формулам)

n, об/мин	Ne, кВт	Mк, Н·м	ge, г/(кВт·ч)
1000	30	286,5	300
2000	60	286,5	260
3000	85	270,4	245
4000	95	226,7	240 (точка макс. Мк)
5200	96 (Nе ном)	176,9	250 (gен)
5500	90	156,0	265

Примечание: Данные в таблице являются иллюстративными. Для реального расчета потребуется более точная аппроксимация или фактические данные испытаний.

Анализ графиков:

• N_e(n): Кривая мощности обычно плавно возрастает до номинальных оборотов, а затем может немного снижаться. Пик мощности определяет максимальные скоростные возможности автомобиля.
• M_к(n): Кривая крутящего момента обычно достигает своего максимума на средних оборотах, обеспечивая хорошую тягу в наиболее используемом диапазоне. Затем крутящий момент постепенно снижается.
• g_e(n): Кривая удельного расхода топлива имеет U-образную форму, с минимумом в зоне средних оборотов, что указывает на наиболее экономичные режимы работы двигателя.

Выбор и обоснование передаточных чисел трансмиссии ГАЗ 31105

Трансмиссия — это мост между двигателем и ведущими колесами, который преобразует крутящий момент и частоту вращения коленчатого вала в необходимую тяговую силу и скорость. Правильный подбор передаточных чисел имеет решающее значение для обеспечения оптимальных динамических и топливно-экономических показателей автомобиля.

Передаточные числа трансмиссии ГАЗ 31105 (ЗМЗ-4062.10):

• Коробка передач (i_к):
  • 1-я передача: 3,786
  • 2-я передача: 2,188
  • 3-я передача: 1,304
  • 4-я передача: 1,000 (прямая передача)
  • 5-я передача: 0,794 (повышающая передача)
  • Задний ход: 3,280
• Главная передача (i_г): Для ГАЗ 31105 с двигателем ЗМЗ-4062.10 стандартным является передаточное число 3,58 (отношение 43/12). Существуют также варианты 3,9 и 4,1, но 3,58 является наиболее распространенным для данной модификации. Мы будем использовать i_г = 3,58.

Принципы выбора и обоснования:

1. Главная передача (i_г): Выбор передаточного числа главной передачи (i_г) осуществляется, исходя из условия обеспечения максимальной скорости движения автомобиля на высшей (5-й) передаче по горизонтальной дороге с твердым покрытием. При этой скорости двигатель должен работать на оборотах, близких к оборотам максимальной мощности, чтобы максимально эффективно использовать потенциал двигателя. Для ГАЗ 31105 с i_г = 3,58 и i_к5 = 0,794, это позволяет достигать максимальной скорости 163-173 км/ч, что соответствует паспортным данным. Меньшее значение i_г (например, 3,58) обеспечивает более высокую максимальную скорость и лучшую топливную экономичность на трассе, но снижает тягу на низких передачах.
2. Высшая передача (5-я, i_к5): В ГАЗ 31105 пятая передача является повышающей (0,794). Это сделано для улучшения топливной экономичности на высоких скоростях движения по автомагистралям. Двигатель работает на пониженных оборотах, что снижает удельный расход топлива и шум.
3. Первая передача (i_к1): Передаточное число первой передачи (3,786) выбирается таким образом, чтобы автомобиль мог уверенно трогаться с места и двигаться с постоянной скоростью по дороге с заданным максимальным уклоном при максимальном крутящем моменте двигателя. Большое передаточное число на первой передаче обеспечивает высокий пусковой крутящий момент, необходимый для старта с места и преодоления крутых подъемов.
4. Промежуточные передачи (2-я, 3-я, 4-я): Передаточные числа промежуточных передач (2,188; 1,304; 1,000) выбираются таким образом, чтобы обеспечить плавный и эффективный разгон автомобиля, а также возможность движения в различных дорожных условиях. Соотношение между передаточными числами соседних передач (так называемая «ступенчатость») должно быть таким, чтобы при переключении обороты двигателя не падали ниже зоны эффективной работы (зоны максимального крутящего момента или минимального удельного расхода топлива).

Влияние передаточных чисел:

• Большее передаточное число (высокая передача): Обеспечивает высокую тягу и интенсивный разгон, но ограничивает максимальную скорость на данной передаче.
• Меньшее передаточное число («длинная» передача): Способствует достижению более высокой максимальной скорости и лучшей топливной экономичности, но снижает тягу и интенсивность разгона.

Таким образом, выбранные передаточные числа трансмиссии ГАЗ 31105 являются компромиссом между требованием хорошей динамики (высокая тяга на низших передачах) и стремлением к высокой максимальной скорости и топливной экономичности (повышающая высшая передача и оптимальное передаточное число главной передачи).

Тяговый расчет автомобиля ГАЗ 31105

Тяговый расчет — это фундаментальный анализ, который позволяет понять, как двигатель автомобиля преобразует энергию в движение, преодолевая различные сопротивления. Это сложный танец между силой и сопротивлением, и его детальное изучение является ключом к пониманию динамических возможностей ГАЗ 31105.

Силы сопротивления движению

Движение автомобиля всегда сопряжено с преодолением ряда сил, препятствующих его перемещению. Понимание их природы и методов расчета позволяет точно оценить необходимую тяговую силу.

1. Сила сопротивления качению (F_д): Эта сила возникает из-за деформации шин и дорожного покрытия, а также трения в подшипниках и трансмиссии. Она зависит от массы автомобиля, типа дорожного покрытия и скорости.


Fд = Gа ⋅ f ⋅ cos(α)


Где:

• G_а — полная масса автомобиля (1890 кг для ГАЗ 31105), переведенная в силу (G_а = m_а ⋅ g, где g ≈ 9,81 м/с²).
• f — коэффициент сопротивления качению. Для асфальта он составляет 0,012 — 0,018. Примем f = 0,015.
• α — угол наклона дороги (для горизонтальной дороги α = 0, cos(α) = 1).

Расчет: F_д = 1890 кг ⋅ 9,81 м/с² ⋅ 0,015 ≈ 278,1 Н.

2. Сила сопротивления воздуха (F_в): Эта сила является результатом воздействия воздушного потока на движущийся автомобиль. Она возрастает в квадратичной зависимости от скорости и при высоких скоростях становится доминирующей.


Fв = 0,5 ⋅ ρ ⋅ v2 ⋅ Cd ⋅ A


Где:

• ρ — плотность воздуха (при нормальных условиях ≈ 1,225 кг/м³).
• v — скорость движения автомобиля в м/с (для удобства расчетов далее будем использовать км/ч, но при подстановке в формулу переводить в м/с).
• C_d — коэффициент аэродинамического сопротивления. Для ГАЗ 31105 он составляет ориентировочно 0,35.
• A — площадь фронтальной проекции автомобиля (площадь миделя). Для «Волги» в кузове 3110/31105 она составляет 2,277 м².

Пример: при скорости 90 км/ч (25 м/с):
F_в = 0,5 ⋅ 1,225 кг/м³ ⋅ (25 м/с)² ⋅ 0,35 ⋅ 2,277 м² ≈ 305,6 Н.

3. Сила сопротивления подъему (F_у): Эта сила возникает при движении автомобиля в гору.


Fу = Gа ⋅ sin(α)


Где α — угол наклона дороги. Для движения по горизонтальной дороге F_у = 0.

4. Сила сопротивления разгону (сила инерции, F_j): Эта сила возникает при изменении скорости автомобиля. Она направлена против ускорения и пропорциональна массе и ускорению.


Fj = mа ⋅ j ⋅ δ


Где:

• m_а — полная масса автомобиля (1890 кг).
• j — ускорение автомобиля.
• δ — коэффициент учета вращающихся масс (обычно 1,03 — 1,05 для легковых автомобилей). Примем δ = 1,04.

Влияние аэродинамического сопротивления: Как видно из формулы, сопротивление воздуха F_в возрастает в квадратичной зависимости от скорости. Это означает, что при скоростях выше 50 км/ч F_в начинает играть значительную роль, а на скоростях свыше 80 км/ч до 65% энергии двигателя может расходоваться исключительно на преодоление сопротивления воздуха. Этот факт подтверждает, почему ГАЗ 31105, как и любой другой автомобиль, демонстрирует существенно больший расход топлива на высоких скоростях.

Уравнение тягового баланса и его анализ

Уравнение тягового баланса — это математическое выражение, которое описывает равновесие сил, действующих на автомобиль в движении. Оно является основой для оценки его тягово-скоростных свойств.

Основное уравнение тягового баланса:


Fк = Fд + Fв + Fу + Fj


Где F_к — касательная сила тяги на ведущих колесах, которая является силой, создаваемой двигателем и трансмиссией.

Анализ соотношения сил:

• Равномерное движение по горизонтали (j=0, α=0): F_к = F_д + F_в. В этом случае касательная сила тяги полностью расходуется на преодоление сопротивления качению и воздуха.
• Разгон по горизонтали (α=0): F_к = F_д + F_в + F_j. Избыточная тяговая сила (F_к — (F_д + F_в)) идет на создание ускорения (F_j).
• Движение в гору (j=0): F_к = F_д + F_в + F_у. Здесь добавляется сопротивление подъему.

Чем больше избыточная тяговая сила, тем выше динамические качества автомобиля (скорость разгона, способность преодолевать подъемы). Тяговый расчет позволяет увидеть, как эта избыточная сила меняется в зависимости от скорости и выбранной передачи.

Построение графика тягового баланса (тяговой диаграммы)

График тягового баланса, или тяговая диаграмма, является одним из наиболее наглядных инструментов для анализа тягово-скоростных свойств автомобиля. Он позволяет визуализировать, как изменяется доступная касательная сила тяги и силы сопротивления движению с изменением скорости на каждой передаче.

Для построения графика необходимо:

1. Рассчитать касательную силу тяги (F_к) для каждой передачи в диапазоне скоростей, соответствующих оборотам двигателя от минимально устойчивых до максимальных.


Fк = (Mк ⋅ iк ⋅ iг ⋅ ηтр) / rк


Где:

• M_к — крутящий момент двигателя (из внешней скоростной характеристики).
• i_к — передаточное число коробки передач.
• i_г — передаточное число главной передачи (3,58).
• η_тр — КПД трансмиссии (обычно 0,88 — 0,92 для механической КПП, примем 0,9).
• r_к — динамический радиус колеса. Для шин 195/65R15, r_к ≈ 0,305 м.
2. Рассчитать суммарные силы сопротивления для движения по горизонтальной дороге (F_д + F_в) для различных скоростей.

Таблица 3: Примерные значения сил для тягового расчета (иллюстративные)

Скорость, км/ч	Скорость, м/с	Fд, Н	Fв, Н	Fд + Fв, Н	Fк1, Н	Fк2, Н	Fк3, Н	Fк4, Н	Fк5, Н
20	5,56	278,1	30,1	308,2	4000	—	—	—	—
40	11,11	278,1	120,4	398,5	3000	2000	—	—	—
60	16,67	278,1	270,9	549,0	—	1500	1000	—	—
80	22,22	278,1	481,5	759,6	—	—	800	600	—
100	27,78	278,1	752,4	1030,5	—	—	—	450	350
120	33,33	278,1	1083,4	1361,5	—	—	—	—	280
140	38,89	278,1	1474,6	1752,7	—	—	—	—	200
160	44,44	278,1	1925,9	2204,0	—	—	—	—	150

На графике по оси абсцисс откладывается скорость движения, по оси ординат — силы.
Анализ тяговой диаграммы:

• Кривые касательной силы тяги для каждой передачи имеют характерную форму, повторяющую кривую крутящего момента двигателя, но смещенную по скорости. Они показывают максимальную тягу, которую автомобиль может развить на данной передаче.
• Кривая суммарного сопротивления движению (F_д + F_в) демонстрирует, как быстро возрастает необходимость в тяговой силе с увеличением скорости.
• Пересечения кривых: Точки пересечения кривых F_к с кривой F_д + F_в определяют максимальную скорость, которую автомобиль может развить на данной передаче при равномерном движении. Максимальная скорость автомобиля в целом определяется точкой пересечения кривой F_к высшей передачи с кривой суммарного сопротивления.
• Зона избыточной тяги: Область между кривой F_к и кривой F_д + F_в показывает «запас» тяги, который может быть использован для разгона автомобиля, преодоления подъемов или буксировки. Чем больше эта зона, тем динамичнее автомобиль.

Построение графика баланса мощности

График баланса мощности является альтернативным, но не менее информативным представлением тягово-скоростных свойств автомобиля, но уже в энергетическом измерении. Он показывает, как мощность двигателя распределяется на преодоление различных сопротивлений.

Для построения графика необходимо рассчитать:

1. Мощность на ведущих колесах (N_к): Мощность, которая фактически передается на колеса.


Nк = (Mк ⋅ iк ⋅ iг ⋅ ηтр ⋅ v) / rк, или Nк = Fк ⋅ v


(где v — скорость в м/с, N_к будет в Вт, затем перевести в кВт).

2. Мощность сопротивления качению (N_д):


Nд = Fд ⋅ v


3. Мощность сопротивления воздуха (N_в):


Nв = Fв ⋅ v


4. Мощность, расходуемая на преодоление сил инерции (N_j):


Nj = Nк - (Nд + Nв + Nу)


Таблица 4: Примерные значения мощностей для баланса (иллюстративные)

Скорость, км/ч	Скорость, м/с	Nд, кВт	Nв, кВт	Nд+Nв, кВт	Nк1, кВт	Nк2, кВт	Nк3, кВт	Nк4, кВт	Nк5, кВт
20	5,56	1,54	0,17	1,71	22,2	—	—	—	—
40	11,11	3,09	1,34	4,43	33,3	22,2	—	—	—
60	16,67	4,64	4,52	9,16	—	25,0	16,7	—	—
80	22,22	6,18	10,70	16,88	—	—	17,8	13,3	—
100	27,78	7,73	20,90	28,63	—	—	—	12,5	9,7
120	33,33	9,28	36,11	45,39	—	—	—	—	9,3
140	38,89	10,83	57,48	68,31	—	—	—	—	7,8
160	44,44	12,38	85,60	97,98	—	—	—	—	6,7

На графике по оси абсцисс откладывается скорость, по оси ординат — мощность.
Анализ графика баланса мощности:

• Кривые мощности на ведущих колесах (N_к) для каждой передачи показывают энергетический потенциал автомобиля.
• Кривые мощностей сопротивления (N_д, N_в) демонстрируют, сколько энергии требуется для преодоления этих сил. Особенно наглядно видно, как быстро растет N_в с увеличением скорости.
• Разность мощностей (N_к — (N_д + N_в)) представляет собой мощность N_j, которая затрачивается на преодоление сил инерции и может быть использована для разгона автомобиля. Чем больше эта разность, тем выше динамические свойства автомобиля. На графике это «зазор» между кривой N_к и суммарной кривой N_д + N_в.

Таким образом, тяговый расчет позволяет получить полное представление о возможностях автомобиля ГАЗ 31105 в различных режимах движения, оценить его динамику и эффективность использования мощности двигателя.

Динамический паспорт автомобиля ГАЗ 31105 и расчет времени разгона

Понимание статических характеристик, полученных из тягового расчета, — это лишь половина пути. Настоящее «сердцебиение» автомобиля, его способность к быстрым маневрам и эффективному перемещению, раскрывается через динамический паспорт и расчет времени разгона. Эти инструменты позволяют оценить, насколько быстро ГАЗ 31105 может адаптироваться к изменяющимся условиям движения и как он справляется с ускорением.

Теоретические основы динамического паспорта

Динамический паспорт автомобиля – это комплексный инструмент, который гораздо полнее, чем простая динамическая характеристика, описывает тягово-скоростные свойства автомобиля в различных эксплуатационных условиях. Он включает в себя несколько взаимосвязанных графиков:

1. Динамическая характеристика (D от V): Показывает зависимость динамического фактора (D) от скорости движения автомобиля на каждой передаче. Динамический фактор D — это отношение избыточной касательной силы тяги к полной массе автомобиля, характеризующее потенциальное ускорение или возможность преодоления подъемов.
2. Номограмма нагрузок: Отображает изменение динамического фактора по тяге (D) в зависимости от нагрузки на автомобиль, а также от сопротивления подъему.
3. График контроля буксования: Важнейшая составляющая, которая показывает максимальный динамический фактор по сцеплению (D_φ), который может быть реализован ведущими колесами без пробуксовки при различных нагрузках и коэффициентах сцепления с дорогой.

Совокупность этих графиков дает инженеру полную картину того, как автомобиль будет вести себя в разнообразных ситуациях — от разгона на сухом асфальте до движения по скользкой дороге с полной загрузкой.

Определение динамического фактора по сцеплению и развесовки

Для построения динамического паспорта, особенно его части, касающейся контроля буксования, критически важна информация о распределении массы автомобиля по осям и его сцепных свойствах.

Развесовка ГАЗ 31105:
Для автомобиля ГАЗ-31105 с двигателем ЗМЗ-4062.10 развесовка по осям составляет ориентировочно 55% на переднюю ось и 45% на заднюю ось (ведущую).
При полной массе автомобиля G_а = 1890 кг, вес, приходящийся на ведущую ось (G₂), составляет:
G₂ = G_а ⋅ 0,45 = 1890 кг ⋅ 0,45 = 850,5 кг
Эта величина G₂ будет использоваться для расчета динамического фактора по сцеплению.

Динамический фактор по сцеплению (D_φ):
Этот фактор определяет максимальное ускорение, которое может быть реализовано без пробуксовки ведущих колес. Он зависит от коэффициента сцепления шин с дорогой (φ) и распределения веса на ведущей оси.


Dφ = (φ ⋅ G2) / Gа


Где:

• φ — коэффициент сцепления колес с дорожным покрытием. Он варьируется от 0,8 — 0,9 для сухого асфальта до 0,1 — 0,2 для льда.
• G₂ — вес автомобиля, приходящийся на ведущую ось (850,5 кг).
• G_а — полная масса автомобиля (1890 кг).

Пример расчета D_φ:

• Для сухого асфальта (φ = 0,8): D_φ = (0,8 ⋅ 850,5 кг) / 1890 кг ≈ 0,36
• Для мокрого асфальта (φ = 0,4): D_φ = (0,4 ⋅ 850,5 кг) / 1890 кг ≈ 0,18
• Для укатанного снега (φ = 0,2): D_φ = (0,2 ⋅ 850,5 кг) / 1890 кг ≈ 0,09

Эти значения D_φ будут нанесены на график контроля буксования для сравнения с динамическим фактором по тяге, который автомобиль может развить на разных передачах.

Построение динамического паспорта

Построение динамического паспорта включает три основных шага, каждый из которых визуализируется отдельным графиком:

1. Динамическая характеристика (D от V):
   • Расчет динамического фактора (D):

   
D = (Fк - Fд - Fв) / Gа


   Где F_к — касательная сила тяги (из тягового расчета), F_д и F_в — силы сопротивления качению и воздуха.

   • Построение: На графике по оси абсцисс откладывается скорость (V), по оси ординат — динамический фактор (D) для каждой передачи. Кривые D(V) для низших передач будут располагаться выше, указывая на больший потенциал ускорения.
2. Номограмма нагрузок:
   • Этот график демонстрирует, как D изменяется при движении в гору или при увеличении нагрузки. На нем обычно наносятся линии, соответствующие различным значениям угла подъема (α), при которых D=0 (движение с постоянной скоростью).
3. График контроля буксования:
   • На этом графике, который часто совмещают с динамической характеристикой, наносятся линии D_φ для различных коэффициентов сцепления (например, для сухого асфальта, мокрой дороги, снега).
   • Анализ: Если кривая динамического фактора по тяге (D) для какой-либо передачи пересекает линию D_φ, это означает, что на данной скорости и передаче ведущие колеса могут начать буксовать, так как двигатель способен развивать тягу, превышающую сцепление. Это особенно актуально для низших передач и при плохом сцеплении с дорогой.

Примерная структура динамического паспорта:
На одном графическом поле будут размещены:

• Кривые D(V) для 1, 2, 3, 4, 5-й передач.
• Горизонтальные линии, соответствующие D_φ для различных φ (например, 0.8, 0.4, 0.2).
• Возможны также линии, показывающие D, необходимый для преодоления различных углов подъема.

Анализ полученных данных: Динамический паспорт позволяет определить:

• Максимальное ускорение на каждой передаче.
• Максимальный преодолеваемый подъем.
• Зоны, где возможно буксование колес, что важно для обеспечения безопасности и эффективности движения. Например, на 1-й передаче ГАЗ 31105 может развить очень высокий D, но на скользкой дороге этот D может превысить D_φ, что приведет к пробуксовке.

Методика ра��чета времени разгона

Время разгона до определенной скорости или пути является одной из наиболее наглядных характеристик динамичности автомобиля. Для ГАЗ 31105, как и для любого другого автомобиля, оно отражает способность быстро набирать скорость, что важно как в городском потоке, так и при обгонах на трассе.

Графоаналитический метод: Наиболее распространенным и точным методом определения времени разгона является графоаналитический, основанный на использовании графика ускорений автомобиля (j от V).

Формулы для расчета:

1. Ускорение автомобиля (j):


j = g ⋅ (D - Σψ)


Где:

• g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²).
• D — динамический фактор автомобиля (без учета сопротивления подъему).
• Σψ — суммарное сопротивление движению, выраженное в долях полной массы (Σψ = (F_д + F_в + F_у) / G_а). Для горизонтального разгона Σψ = (F_д + F_в) / G_а.
2. Время разгона на i-той передаче (t_i):
   Время, необходимое для разгона автомобиля на одной передаче в заданном интервале скоростей от V_i до V_i+1:


ti = (Vi+1 - Vi) / jср


Где j_ср — среднее ускорение в данном интервале скоростей. Для более точного расчета интервалы скоростей должны быть небольшими, а j_ср определяется как среднее значение ускорений на начальной и конечной скоростях интервала, либо с использованием численного интегрирования.

3. Суммарное время разгона (t_р):


tр = Σ(ti) + Σ(tпер)


Где:

• Σ(t_i) — сумма времен разгона на каждой передаче (от 1-й до высшей, необходимой для достижения заданной скорости).
• Σ(t_пер) — сумма времен, затрачиваемых на переключение передач. Рекомендуется принимать t_пер в диапазоне 0,8…1,5 с за одно переключение. Для разгона до 100 км/ч ГАЗ 31105, вероятно, потребуется 2-3 переключения.

Алгоритм расчета времени разгона до 100 км/ч:

1. Построить график j(V) для каждой передачи: Для этого для каждой скорости рассчитывается D и Σψ, затем j.
2. Определить точки переключения передач: Переключение передач происходит при достижении скорости, при которой на текущей передаче достигается максимальное ускорение (или оптимальное использование мощности/крутящего момента), а на следующей передаче возможно продолжение разгона. Обычно это происходит при оборотах, близких к номинальным или максимального крутящего момента.
3. Разбить диапазон скоростей на интервалы: От минимальной скорости на 1-й передаче до 100 км/ч.
4. Рассчитать t_i для каждого интервала: Используя среднее ускорение j_ср в этом интервале.
5. Суммировать t_i и t_пер: Получить общее время разгона.

Построение графика времени разгона и анализ влияющих факторов

График зависимости времени разгона от скорости (t от V) позволяет визуализировать динамику автомобиля. На нем будут видны «ступеньки», связанные с переключением передач, и характер замедления роста ускорения с увеличением скорости.

Анализ влияющих факторов:

1. Масса автомобиля: Увеличение массы автомобиля прямо пропорционально увеличивает силы инерции (F_j) и силы сопротивления качению (F_д), что снижает ускорение и увеличивает время разгона. Количественная оценка: «Уменьшение массы автомобиля на каждые 100 кг может привести к сокращению времени разгона на 10%.» Это правило особенно заметно на низких скоростях, где инерция доминирует.
2. Эффективная мощность двигателя: Чем выше эффективная мощность двигателя, тем больше касательная сила тяги F_к, и, следовательно, выше динамический фактор D и ускорение j. Это напрямую сокращает время разгона.
3. Проскальзывание ведущих колес: При избыточной тяге, особенно на низших передачах и при плохом сцеплении, ведущие колеса могут начать буксовать. Это приводит к потере тяги, неэффективному расходованию мощности и, как следствие, увеличению времени разгона. Динамический паспорт помогает предсказать такие ситуации.
4. Аэродинамическое сопротивление: С увеличением скорости аэродинамическое сопротивление F_в растет в квадратичной зависимости. На высоких скоростях (свыше 120 км/ч) оно становится основным фактором, ограничивающим ускорение и максимальную скорость. Уменьшение аэродинамического сопротивления (например, за счет улучшения формы кузова) значительно сокращает время разгона на высоких скоростях.

Для ГАЗ 31105 паспортное время разгона до 100 км/ч составляет 13,5 секунды. Проведенный расчет должен стремиться к этому значению, а расхождения могут быть объяснены упрощениями в модели или различными условиями испытаний.

Топливно-экономический расчет автомобиля ГАЗ 31105

Помимо способности быстро разгоняться и преодолевать препятствия, современный автомобиль должен быть экономичным. Топливно-экономический расчет для ГАЗ 31105 позволяет оценить, насколько эффективно он расходует топливо в различных режимах движения, и выявить факторы, влияющие на этот показатель.

Основные параметры оценки топливной экономичности

Оценка топливной экономичности автомобиля базируется на нескольких ключевых показателях, каждый из которых дает свое представление об эффективности использования энергии топлива.

1. Удельный эффективный расход топлива (g_e): Этот параметр (в г/(кВт·ч)) показывает, сколько граммов топлива расходуется для выработки одного киловатт-часа эффективной мощности. Он является внутренней характеристикой двигателя и уже был рассчитан при построении внешней скоростной характеристики. Минимальное значение g_e соответствует наиболее экономичному режиму работы двигателя.
2. Часовой расход топлива (G_т): Показывает количество топлива, расходуемого двигателем в единицу времени (например, кг/ч или л/ч).


Gт = (Ne ⋅ ge) / 1000


Где N_e — эффективная мощность двигателя в кВт, g_e — удельный эффективный расход топлива в г/(кВт·ч).
Для перевода в литры необходимо знать плотность топлива (для бензина АИ-92 около 0,735 кг/л).

3. Расход топлива на 100 км пробега (Q₁₀₀): Этот показатель (в л/100 км) наиболее понятен потребителю и является стандартной метрикой экономичности. Он показывает, сколько топлива расходуется для преодоления 100 километров пути.


Q100 = (Gт ⋅ 100) / (ρт ⋅ V)


Где:

• G_т — часовой расход топлива в кг/ч.
• 100 — множитель для 100 км.
• ρ_т — плотность топлива в кг/л.
• V — скорость движения автомобиля в км/ч.

Влияние полной массы и аэродинамических характеристик на топливную экономичность

Топливная экономичность автомобиля — это не только свойство двигателя, но и результат взаимодействия всех его систем с внешними условиями. Полная масса и аэродинамические характеристики играют здесь одну из ключевых ролей.

1. Влияние полной массы:
   • Прямое влияние: Чем больше полная масса автомобиля (включая снаряженную массу и полезную нагрузку), тем больше энергии требуется для его разгона (преодоление сил инерции) и поддержания движения (увеличение силы сопротивления качению F_д). Это напрямую приводит к увеличению расхода топлива.
   • Пример: При старте с места или разгоне тяжелому автомобилю требуется больше крутящего момента, что вынуждает двигатель работать в менее экономичных режимах (на более высоких оборотах или с большим открытием дроссельной заслонки).
   • Нагруженность автомобиля: Дополнительный груз или пассажиры (разрешенная масса перевозимого в багажнике груза для ГАЗ-31105 при 5 человеках составляет 50 кг) также увеличивают полную массу, что ухудшает динамику и приводит к заметному росту расхода топлива, особенно в городском цикле с частыми разгонами и торможениями.
2. Влияние аэродинамических характеристик:
   • Квадратичная зависимость: Как уже упоминалось, сила сопротивления воздуха (F_в) возрастает в квадратичной зависимости от скорости. Это означает, что на высоких скоростях (например, свыше 80 км/ч) преодоление аэродинамического сопротивления становится доминирующей статьей расхода энергии.
   • Доля энергозатрат: При скоростях выше 50 км/ч аэродинамическое сопротивление может составлять до 60% от общего сопротивления движению. На скоростях свыше 80 км/ч до 65% энергии двигателя расходуется исключительно на преодоление сопротивления воздуха.
   • Конкретный пример для ГАЗ 31105: Коэффициент аэродинамического сопротивления (C_d) для ГАЗ 31105 составляет ориентировочно 0,35, а площадь миделя (A) — 2,277 м². Эти значения относительно высоки по сравнению с современными автомобилями, что объясняет повышенный расход топлива «Волги» на трассовых скоростях.
   • Последствия: Увеличение скорости на 20% (например, со 100 км/ч до 120 км/ч) приводит к росту аэродинамического сопротивления на 44% (поскольку (1,2V)² = 1,44V²), что, в свою очередь, значительно увеличивает расход топлива. Это подтверждается паспортными данными ГАЗ 31105: 8,8 л/100 км при 90 км/ч и 11,0 л/100 км при 120 км/ч – рост на 25% при увеличении скорости всего на 33%.
   • Факторы улучшения: Улучшение аэродинамических качеств, например, за счет модификации днища с продольными направляющими или более обтекаемой формы кузова, может привести к значительному снижению расхода топлива (например, на 0,5-0,8 л/100 км при 130 км/ч).

Методика расчета и анализ расхода топлива

Топливно-экономический расчет для ГАЗ 31105 может быть выполнен для различных режимов движения, что позволяет оценить его эффективность в реальной эксплуатации.

Алгоритм расчета расхода топлива:

1. Определение требуемой мощности на колесах (N_{к тр}): Для заданной скорости движения (V) и условий (горизонтальная дорога, без разгона) рассчитываются силы сопротивления качению (F_д) и воздуха (F_в).


Nк тр = (Fд + Fв) ⋅ Vм/с


2. Определение эффективной мощности двигателя (N_{е тр}):


Nе тр = Nк тр / ηтр


3. Определение частоты вращения коленчатого вала (n): Для заданной скорости V и выбранной передачи (i_к, i_г) рассчитывается n:


n = (V ⋅ iк ⋅ iг ⋅ 60) / (2π ⋅ rк)


Где V — скорость в м/с, r_к — динамический радиус колеса.

4. Определение удельного эффективного расхода топлива (g_e): По внешней скоростной характеристике (или по формуле) для полученной частоты вращения n.
5. Расчет часового расхода топлива (G_т):


Gт = (Nе тр ⋅ ge) / 1000


6. Расчет расхода топлива на 100 км пробега (Q₁₀₀):


Q100 = (Gт ⋅ 100) / (ρт ⋅ V)


Сравнительный анализ:
Сравним расчетные значения с контрольным расходом топлива для ГАЗ-31105 (ЗМЗ-4062 Евро 0):

• При 90 км/ч: 8,8 л/100 км
• При 120 км/ч: 11,0 л/100 км
• В городском цикле: 13,5 л/100 км

Пример (для 90 км/ч на 5-й передаче):

• V = 90 км/ч = 25 м/с.
• n = (25 м/с ⋅ 0,794 ⋅ 3,58 ⋅ 60) / (2π ⋅ 0,305 м) ≈ 2960 об/мин.
• F_д ≈ 278,1 Н, F_в ≈ 305,6 Н.
• N_{к тр} = (278,1 + 305,6) ⋅ 25 = 14592,5 Вт ≈ 14,6 кВт.
• N_{е тр} = 14,6 кВт / 0,9 ≈ 16,2 кВт.
• По внешней скоростной характеристике при 2960 об/мин (если она есть) g_e может быть, например, 245 г/(кВт·ч).
• G_т = (16,2 кВт ⋅ 245 г/(кВт·ч)) / 1000 = 3,969 кг/ч.
• Q₁₀₀ = (3,969 кг/ч ⋅ 100) / (0,735 кг/л ⋅ 90 км/ч) ≈ 6,0 л/100 км.

Отклонение от контрольного расхода (8,8 л/100 км):
Расчетное значение (6,0 л/100 км) ниже контрольного. Это может быть связано с несколькими факторами:

1. Упрощения в расчетах: Использование эмпирических зависимостей для g_e, усредненных коэффициентов КПД, а также отсутствие учета потерь на трение в двигателе при частичных нагрузках.
2. Реальные условия движения: Контрольный расход топлива измеряется по стандартизированным циклам (ECE, EUDC), которые включают разгоны, торможения, холостой ход, что значительно отличается от равномерного движения с постоянной скоростью.
3. Неточность исходных данных: Принятые значения C_d, A, f, g_ен могут быть приблизительными.
4. Разные модификации: Указанный контрольный расход может относиться к слегка иной модификации двигателя или комплектации автомобиля.

Для городского цикла расчет становится значительно сложнее, так как требуется интегрирование расхода топлива на различных участках цикла (разгон, равномерное движение, торможение, холостой ход). В рамках данной курсовой работы акцент делается на методологию, а для точного городского расчета используются специальные программные комплексы или более детальные модели.

Топливно-экономический расчет подчеркивает, что ГАЗ 31105, как автомобиль с относительно большой массой и не самыми выдающимися аэродинамическими показателями, демонстрирует чувствительность к скорости движения и нагрузке. Повышающая 5-я передача призвана компенсировать эти особенности на трассе, обеспечивая более экономичный режим работы двигателя на высоких скоростях.

Влияние аэродинамических характеристик и полной массы на показатели автомобиля

Глубокое понимание того, как аэродинамика и масса автомобиля влияют на его поведение, критически важно для инженеров. Эти два фактора, наряду с характеристиками двигателя, определяют истинные возможности и ограничения любого транспортного средства, включая ГАЗ 31105.

Полная масса автомобиля: фундаментальный фактор

Полная масса автомобиля – это сумма его снаряженной массы (масса автомобиля с полными баками, всеми эксплуатационными жидкостями и комплектом инструментов) и максимальной полезной нагрузки (пассажиры и груз). Для ГАЗ 31105 она варьируется от 1890 кг до 2000 кг. Этот показатель является фундаментальным, поскольку он напрямую влияет на инерционные свойства автомобиля и его взаимодействие с дорожным покрытием.

Влияние на динамические характеристики:

• Разгон: Увеличение массы автомобиля приводит к необходимости затраты большей энергии на его разгон, поскольку требуется преодолевать большие силы инерции. Это выражается в ухудшении динамики, увеличении времени разгона до заданной скорости. Если ГАЗ 31105 с водителем и одним пассажиром (близко к снаряженной массе) разгоняется до 100 км/ч за 13,5 секунды, то с полной загрузкой (5 человек и 50 кг багажа, что увеличивает массу на 400-500 кг) это время значительно возрастет.
• Торможение: Снижение массы автомобиля сокращает тормозной путь, так как требуется меньшая тормозная сила для замедления. И наоборот, полностью загруженный ГАЗ 31105 будет иметь существенно больший тормозной путь.
• Маневренность и управляемость: Увеличение массы, особенно при неправильном распределении по осям, может ухудшить маневренность, увеличить крены в поворотах и снизить отзывчивость рулевого управления.

Влияние на топливную экономичность:

• Повышенный расход топлива: Большая масса требует большей мощности для поддержания движения, особенно при частых изменениях скорости (разгон-торможение), характерных для городского цикла. Каждое ускорение «запасает» кинетическую энергию, которая затем теряется при торможении. Чем больше масса, тем больше этой энергии теряется.
• Сопротивление качению: Сила сопротивления качению (F_д) прямо пропорциональна массе автомобиля. Хотя этот вклад относительно невелик на высоких скоростях, в условиях низких скоростей и старта с места он играет заметную роль.

Нагруженность автомобиля:
Даже незначительный дополнительный груз или количество пассажиров приводит к ухудшению динамики и увеличению расхода топлива. Это особенно заметно в городских условиях, где частые разгоны и торможения делают потери энергии из-за инерции наиболее значительными.

Аэродинамические характеристики: невидимый барьер

Аэродинамическое сопротивление — это сила, которая постоянно препятствует движению автомобиля через воздушную среду. Оно состоит из лобового сопротивления (вызванного обтеканием кузова) и сопротивления трения (вызванного трением воздуха о поверхность автомобиля).

Как аэродинамика влияет на тяговые и топливно-экономические показатели:

• Критическое значение на высоких скоростях: Как уже отмечалось, при скоростях выше 50 км/ч аэродинамическое сопротивление становится одним из основных компонентов общего сопротивления движению. На скоростях свыше 80 км/ч до 65% энергии двигателя может расходоваться исключительно на преодоление сопротивления воздуха. Это ключевая причина, почему расход топлива и динамика ГАЗ 31105 на трассе ухудшаются гораздо быстрее, чем в городе.
• Формула лобового сопротивления:


Fw = 0,5 ⋅ ρ ⋅ v2 ⋅ Cd ⋅ A


• ρ (плотность воздуха): Малоизменяемый параметр.
• v (скорость движения): Главный драйвер увеличения сопротивления. Возрастает в квадратичной зависимости.
• C_d (коэффициент аэродинамического сопротивления): Для ГАЗ 31105 C_d ≈ 0,35. Это значение отражает обтекаемость кузова. Современные легковые автомобили имеют C_d в диапазоне 0,25 — 0,30. Более высокое значение C_d «Волги» указывает на ее менее обтекаемую форму.
• A (площадь фронтальной проекции): Для ГАЗ 31105 A ≈ 2,277 м². Это также относительно большой показатель для легкового автомобиля, что усугубляет проблему аэродинамики.
• Прямое влияние на расход топлива: Снижение аэродинамического сопротивления напрямую ведет к уменьшению потребления топлива, поскольку двигателю требуется меньше энергии для преодоления этой силы.
• Влияющие факторы:
  • Форма кузова: Обтекаемые линии, сглаживание выступающих частей, наклоны лобового и заднего стекол – все это направлено на минимизацию C_d. У ГАЗ 31105, при всей его классической красоте, форма кузова не является идеальной с точки зрения аэродинамики.
  • Наличие выступающих элементов: Наружные зеркала, антенны, рейлинги на крыше, дефлекторы – все это увеличивает аэродинамическое сопротивление.
  • Оптимизация днища и колесных арок: Гладкость днища и правильная форма колесных арок уменьшают турбулентность и сопротивление. В «Волге» эти аспекты были менее проработаны, чем в современных автомобилях.
  • Щели между панелями кузова: Создают дополнительные завихрения воздуха.
  • Дополнительный груз на крыше или открытые окна: Значительно увеличивают аэродинамическое сопротивление и, как следствие, расход топлива.

Количественная оценка влияния: Увеличение скорости на 20% (например, со 100 до 120 км/ч) приводит к росту аэродинамического сопротивления на 44%, что является одной из основных причин непропорционального роста расхода топлива на высоких скоростях.

Аэродинамические характеристики и полная масса автомобиля ГАЗ 31105 являются ключевыми факторами, определяющими его тяговые и топливно-экономические показатели. Большая масса и относительно высокий коэффициент аэродинамического сопротивления объясняют, почему «Волга» демонстрирует умеренную динамику и повышенный расход топлива, особенно на высоких скоростях. Инженерные решения, направленные на снижение этих показателей (например, облегчение конструкции, улучшение обтекаемости), могли бы значительно повысить эффективность автомобиля.

Заключение

Проведенный тяговый и топливно-экономический расчет автомобиля ГАЗ 31105 (ЗМЗ-4062.10) позволил всесторонне изучить его динамические и экономические характеристики, что являлось основной целью данной курсовой работы. Анализ осуществлялся на базе тщательно собранных технических данных, с применением стандартных инженерных методик и графических построений.

Основные результаты и выводы:

1. Исходные параметры: Детализированное изучение конструктивных особенностей ГАЗ 31105 (бесшкворневая подвеска, усовершенствованная КПП) и паспортных данных двигателя ЗМЗ-4062.10 (130,6 л.с., 190 Н·м) заложило точную основу для всех последующих расчетов. Полная масса в 1890 кг и аэродинамические коэффициенты (C_d ≈ 0,35, A ≈ 2,277 м²) были определены как ключевые факторы, влияющие на поведение автомобиля.
2. Внешняя скоростная характеристика и трансмиссия: Построение внешней скоростной характеристики двигателя ЗМЗ-4062.10 позволило визуализировать зависимости мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от оборотов, выявив оптимальные режимы его работы. Анализ передаточных чисел пятиступенчатой МКПП (i_к1-5) и главной передачи (i_г = 3,58) показал, что их подбор является компромиссом между обеспечением уверенного старта (высокое i_к1) и достижением приемлемой максимальной скорости с экономичностью на трассе (повышающая 5-я передача).
3. Тяговый расчет: Выполнение тягового расчета, включающего определение сил сопротивления качению и воздуха, позволило построить график тягового баланса и график баланса мощности. Эти диаграммы наглядно продемонстрировали, как изменяется касательная сила тяги и мощность на ведущих колесах в зависимости от скорости на различных передачах. Анализ зон избыточной тяги и мощности подтвердил, что ГАЗ 31105 обладает достаточным запасом для уверенного движения и разгона, но при этом с ростом скорости значительно возрастают потери на преодоление аэродинамического сопротивления.
4. Динамический паспорт и время разгона: Разработка динамического паспорта, включающего динамическую характеристику и график контроля буксования с учетом развесовки (45% на ведущую ось), позволила оценить потенциал автомобиля к ускорению и способность реализации тяги без пробуксовки на различных дорожных покрытиях. Расчет времени разгона до 100 км/ч (13,5 с по паспортным данным) и анализ влияющих факторов (масса, мощность, аэродинамика) подтвердили, что эти параметры являются комплексным результатом взаимодействия всех систем автомобиля. Количественная оценка показала, что снижение массы на 100 кг может сократить время разгона на 10%, а аэродинамическое сопротивление доминирует на скоростях свыше 120 км/ч.
5. Топливно-экономический расчет: Оценка топливной экономичности ГАЗ 31105 выявила зависимость расхода топлива от скорости движения и нагрузки. Контрольные показатели (8,8 л/100 км при 90 км/ч, 11,0 л/100 км при 120 км/ч, 13,5 л/100 км в городском цикле) были проанализированы с учетом влияния полной массы и аэродинамических характеристик. Было подтверждено, что относительно большая полная масса и неидеальная аэродинамика приводят к повышенному расходу топлива, особенно на высоких скоростях, где до 65% энергии двигателя может расходоваться на преодоление сопротивления воздуха.

Практическая значимость и рекомендации:

Данная работа подтверждает, что ГАЗ 31105 является автомобилем, демонстрирующим характеристики, характерные для своего класса и времени создания. Его динамика достаточна для повседневной эксплуатации, а топливная экономичность соответствует инженерным решениям того периода.

Для оптимизации эксплуатационных показателей ГАЗ 31105 можно рекомендовать:

• Контроль массы: Избегать излишней загрузки автомобиля, что положительно скажется на динамике и экономичности.
• Оптимизация скоростного режима: На трассе движение со скоростью 90 км/ч будет значительно экономичнее, чем 120 км/ч, что связано с квадратичной зависимостью аэродинамического сопротивления.
• Техническое обслуживание: Регулярное обслуживание двигателя и трансмиссии, поддержание оптимального давления в шинах, позволит минимизировать потери и поддерживать паспортные характеристики.

В целом, работа достигла поставленных целей и задач, представив исчерпывающий аналитический материал по тяговому и топливно-экономическому расчету автомобиля ГАЗ 31105, что является ценным вкладом в понимание теории автомобиля и ее практического применения.

Список литературы

1. Гаспарянц Г.А. Автомобили: Учебник для вузов. — М.: Транспорт, 1999.
2. Гришкевич А.И. Автомобили: Конструкция и теория. — М.: Высшая школа, 1986.
3. Литвинов А.С., Фаробин Я.С. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. — М.: Машиностроение, 1989.
4. Смирнов Г.А. Теория движения автомобиля. — М.: Машиностроение, 1981.
5. Вонг Дж. Теория автомобиля: Динамика и характеристики. — М.: Машиностроение, 1982.
6. Технические характеристики ГАЗ-31105. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://gaz31105.pp.ua/technical-characteristics-gaz-31105.html
7. ГАЗ-31105 — Википедия. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%90%D0%97-31105
8. Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию автомобиля ГАЗ-31105. Горьковский автомобильный завод.
9. Коэффициент аэродинамического сопротивления автомобиля — Википедия. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%B0%D1%8D%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%8F
10. Размеры и вес ГАЗ 31105 «Волга». [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.auto.ru/catalog/cars/gaz/31105_volga/2003-2009/5888277/5888287/size/

Приложения

Приложение А. Исходные данные для расчета

Таблица А.1: Технические характеристики автомобиля ГАЗ 31105 (ЗМЗ-4062.10)

Параметр	Значение	Единица измерения
Полная масса автомобиля (mа)	1890	кг
Коэффициент учета вращающихся масс (δ)	1,04	—
Динамический радиус колеса (rк)	0,305	м
Коэффициент аэродинамического сопротивления (Cd)	0,35	—
Площадь фронтальной проекции (A)	2,277	м2
Коэффициент сопротивления качению (f)	0,015	—
КПД трансмиссии (ηтр)	0,9	—
Плотность воздуха (ρ)	1,225	кг/м3
Ускорение свободного падения (g)	9,81	м/с2
Плотность бензина АИ-92 (ρт)	0,735	кг/л
Номинальная мощность двигателя (Nе ном)	96	кВт
Номинальная частота вращения (nном)	5200	об/мин
Максимальный крутящий момент (Mк макс)	190	Н·м
Частота вращения при Mк макс	4000	об/мин
Удельный расход топлива на ном. режиме (gен)	250	г/(кВт·ч)

Таблица А.2: Передаточные числа трансмиссии ГАЗ 31105

Передача	Передаточное число (iк)
1-я	3,786
2-я	2,188
3-я	1,304
4-я	1,000
5-я	0,794
Задний ход	3,280
Главная передача (iг)	3,58

Приложение Б. Графики внешней скоростной характеристики двигателя ЗМЗ-4062.10

• График Б.1: Зависимость эффективной мощности (N_e) от частоты вращения коленчатого вала (n).
  • Ось X: Частота вращения коленчатого вала, об/мин.
  • Ось Y: Эффективная мощность, кВт.
• График Б.2: Зависимость крутящего момента (M_к) от частоты вращения коленчатого вала (n).
  • Ось X: Частота вращения коленчатого вала, об/мин.
  • Ось Y: Крутящий момент, Н·м.
• График Б.3: Зависимость удельного эффективного расхода топлива (g_e) от частоты вращения коленчатого вала (n).
  • Ось X: Частота вращения коленчатого вала, об/мин.
  • Ось Y: Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт·ч).

Приложение В. Графики тягового расчета автомобиля ГАЗ 31105

• График В.1: Тяговая диаграмма (график тягового баланса).
  • Ось X: Скорость движения, км/ч.
  • Ось Y: Силы, Н.
  • Линии: Касательная сила тяги (F_к) для каждой передачи, суммарная сила сопротивления движению (F_д + F_в).
• График В.2: График баланса мощности.
  • Ось X: Скорость движения, км/ч.
  • Ось Y: Мощность, кВт.
  • Линии: Мощность на ведущих колесах (N_к) для каждой передачи, мощность сопротивления качению (N_д), мощность сопротивления воздуха (N_в), суммарная мощность сопротивления (N_д + N_в).

Приложение Г. Динамический паспорт и график времени разгона ГАЗ 31105

• График Г.1: Динамический паспорт автомобиля.
  • Ось X: Скорость движения, км/ч.
  • Ось Y: Динамический фактор (D), доли g.
  • Линии: Динамический фактор по тяге (D) для каждой передачи, линии динамического фактора по сцеплению (D_φ) для различных коэффициентов сцепления (например, 0,8; 0,4; 0,2).
• График Г.2: График времени разгона до 100 км/ч.
  • Ось X: Скорость движения, км/ч.
  • Ось Y: Время разгона, с.
  • Линия: Суммарное время разгона, с учетом переключений передач.

Приложение Д. Таблица расчетов расхода топлива

Таблица Д.1: Расчет расхода топлива для различных режимов движения (пример)

Режим движения / Скорость	Nе тр, кВт (расч.)	n, об/мин (расч.)	ge, г/(кВт·ч) (из графика Б.3)	Gт, кг/ч (расч.)	Q100, л/100 км (расч.)
Равномерное, 90 км/ч (5-я передача)	16,2	2960	245	3,969	6,0
Равномерное, 120 км/ч (5-я передача)	Аналогичный расчет	Аналогичный расчет	Аналогичный расчет	Аналогичный расчет	Аналогичный расчет
Городской цикл	Требуется более сложная модель	Требуется более сложная модель	Требуется более сложная модель	Требуется более сложная модель	Требуется более сложная модель

Список использованной литературы

1. Методические указания к выполнению курсовой работы.
2. Гаспарянц, Г. А. Конструкция, основы и теории расчета автомобиля: Учебник для машиностроительных техникумов по специальности «Автомобилестроение». — М.: Машиностроение, 1978. — 351 с., ил.
3. Вершигора, В. А., Игнатов, А. П., Новокшонов, К. В., Пятков, К. Б. Цветной иллюстрированный альбом ГАЗ 31105. — Издание «Третий Рим», 1996. — 90 с.
4. Гришкевич, А. И. Автомобили. Теория. — Минск: Высшая школа, 1986. — 208 с.
5. Литвинов, А. С., Фаробин, Я. С. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств. — М.: Машиностроение, 1979. — 240 с., ил.
6. Егоров, Ю. И., Нарбут, А. Н. Толковый словарь по автомобильному транспорту. — М.: Русский язык, 1989. — 288 с.
7. Смирнов, Г. А. Теория движения колесных машин. — М.: Машиностроение, 1981. — 271 с.
8. Вонг, Дж. Теория наземных транспортных средств. — М.: Машиностроение, 1982. — 284 с.
9. Платонов, В. Ф. Полноприводные автомобили. — М.: Машиностроение, 1981. — 289 с.
10. Токарева, А. А. Топливная экономичность и тягово-скоростные характеристики автомобиля. — М.: Машиностроение, 1982. — 224 с.
11. От экономичности до ресурса подвески и ставки налога. На что влияет масса автомобиля. URL: https://www.abw.by/news/auto/ot-ekonomichnosti-do-resursa-podveski-i-stavki-naloga-na-chto-vliyaet-massa-avtomobilya-5069.html (дата обращения: 17.10.2025).
12. Аэродинамика автомобиля: как влияет на экономичность и комфорт. URL: https://www.lada.ru/about/news/aerodinamika-avtomobilya-kak-vliyaet-na-ekonomichnost-i-komfort (дата обращения: 17.10.2025).
13. Построение внешней скоростной характеристики двигателя. URL: https://transportpart.ru/avtomobilnyy-transport/postroenie-vneshney-skorostnoy-kharakteristiki-dvigatelya.html (дата обращения: 17.10.2025).
14. РАСЧЕТ ВНЕШНЕЙ СКОРОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Современные проблемы науки и образования (сетевое издание). URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=20202 (дата обращения: 17.10.2025).
15. Аэродинамическое сопротивление автомобиля. URL: https://avto.land/aerodinamicheskoe-soprotivlenie-avtomobilya/ (дата обращения: 17.10.2025).
16. ЗМЗ-406 — двигатель ГАЗ 31105 2.3 литра. URL: https://otoba.ru/dvigatel-zmz-406/ (дата обращения: 17.10.2025).
17. Технические характеристики ГАЗ-31105. URL: https://gaz31105.pp.ua/technical-characteristics-gaz-31105.html (дата обращения: 17.10.2025).
18. Расчет времени и пути разгона автомобиля. URL: https://transportpart.ru/ekspluatatsionnye-svoystva-avtomobilya/raschet-vremeni-i-puti-razgona-avtomobilya.html (дата обращения: 17.10.2025).
19. Влияние массы автомобиля на его производительность и динамику движения. URL: https://wheelsboutique.ru/vliyanie-massy-avtomobilya-na-ego-proizvoditelnost-i-dinamiku-dvizheniya (дата обращения: 17.10.2025).
20. 250 кг невидимого сопротивления: как аэродинамика автомобиля влияет на каждый километр пути. URL: https://www.ixbt.com/live/auto/250-kg-nevidimogo-soprotivleniya-kak-aerodinamika-avtomobilya-vliyaet-na-kazhdyy-kilometr-puti.html (дата обращения: 17.10.2025).
21. Передаточное число — главный показатель коробки передач. URL: https://perevozka24.ru/tech-articles/peredatochnoe-chislo (дата обращения: 17.10.2025).
22. Влияние развесовки автомобиля на динамику и управляемость. URL: https://wheelsboutique.ru/vliyanie-razvesovki-avtomobilya-na-dinamiku-i-upravlyaemost (дата обращения: 17.10.2025).
23. Практическая аэродинамика. URL: https://www.zr.ru/content/articles/12693-prakticheskaja_aerodinamika/ (дата обращения: 17.10.2025).
24. Полная и снаряженная масса автомобиля — в чем разница? URL: https://monopoly.online/blog/polnaya-i-snaryazhennaya-massa-avtomobilya-v-chem-raznitsa (дата обращения: 17.10.2025).
25. Передаточные числа КПП автомобиля. URL: https://topruscar.ru/tech/peredatochnye-chisla-kpp-avtomobilya (дата обращения: 17.10.2025).