Улучшение аэродинамических свойств автомобиля КАМАЗ-5320

Состав чертежей

1. Обзор конструкций обтекателей (формат А1)
2. Схема воздушных потоков (формат А1)
3. Общий вид обтекателя на автомобиле КАМАЗ-5320 (формат А1)
4. Сборочные узлы (формат А1)
5. Рабочие чертежи деталей конструкции (формат А1)
6. Безопасность жизнедеятельность (формат А1)
7. Показатели экономической эффективности проекта (формат А1)

Описание

Как показывает опыт эксплуатация автопоездов с высокой удельной мощностью на отечественных дорогах высших технических категорий, их средняя скорость при отсутствии помех со стороны другого транспорта может превышать 70км  ч без отрицательных последствий для безопасности движения. Аналогичное явление (превышение регламентированной скорости) имеет место и в других странах, что отмечено в частности, в работе.
Единственно возможным путем уменьшения сопротивления воздуха является уменьшение коэффициента сопротивления воздуха, величина которого зависит от внешних форм автомобиля, улучшению которых и посвящена данная дипломная работа.

В проекте проведен патентный поиск и обзор обтекателей отечественного и зарубежного исполнения. В дипломном проанализированы конструкции обтекателей для грузовых автомобилей. Исходя из проведенного анализа наиболее выгодным будет обтекатель типа Airshield в связи с относительной простотой конструкции и технологии изготовления, сравнительно небольшой ценой материала изготовления и довольно высоким экономическим эффектом от экономии топлива. Приведены результаты аэродинамических исследований. Таким образом был выбран прототип, на базе которого спроектирован обтекатель, который представляет собой стальной лист, подогнутый с боков таким образом, что закрывает пространство за лобовой поверхностью обтекателя от бокового ветра.

Выполнен тяговый расчет автомобиля КАМАЗ-5320 с построением по результатам графиков. Проведен выбор прототипа конструкции.
Усовершенствована кабина грузового автомобиля, путем установки на нее аэродинамического обтекателя, что вызвало повышение обтекаемости данного автомобиля. За счет этого должен сократиться эксплуатационный расход топлива.

Выполнены расчеты на прочность, на эксплуатационную эффективность, а также конструктивных элементов проекта.
Благодаря предложенной конструкторской разработке расход топлива на 100км снизится минимум на 1,7% , что позволит (при установке обтекателя) экономить средства на приобретение топлива в среднем 15 тыс. руб. в год на один автомобиль.

В разделах безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды производится описание мероприятий, способствующих улучшению условий труда механизаторов, пожарной безопасности и инструктажей по технике безопасности, проведена экологическая экспертиза проекта. Дана технико-экономическая оценка проекта.
Выполнен технико-экономический расчет, который подтвердил целесообразность конструкции.

защитное слово дипломной работы:

Применяемые в настоящее время виды аэродинамических обтекателей разделяются на две группы: обтекатели, устанавливаемые на крыше кабины тягача, и обтекатели, устанавливаемые на полуприцепе. (плакат №1).
В свою очередь, обтекатели, устанавливаемые на кабине тягача можно условно разделить на обтекатели с плоскими отражающими плоскостями (условно называемые обтекатели типа Airshield-«воздушный щит»), объемные обтекатели (условно — типа Dragfoiler) и устройства, служащие для создания устойчивых вихревых зон потоков воздуха, выполняющих роль объемных обтекателей (условно – типа «вихреобразователь»).
Обтекатели, устанавливаемые на полуприцепе условно делим на обтекатели, изменяющие конфигурацию лобовой поверхности полуприцепа (условно — типа Nose Cones- «носовой конус»); обтекатели организующие поток воздуха в зазоре между кабиной и полуприцепом при боковом ветре (условно — типа Vortex Stabilizer-«стабилизатор») и обтекатели, выполняющие функцию организатора воздушных потоков на ребрах полуприцепа (условно – типа «аэродинамический экран»).
С увеличением удельной мощности и скорости автомобилей (автопоездов), увеличивается и расход топлива, что обуславливается главным образом резким возрастанием сопротивления воздуха, так как расход мощности на преодоление этого сопротивления увеличивается пропорционально скорости (плакат №2).
Единственно возможным путем уменьшения сопротивления воздуха является уменьшение коэффициента сопротивления воздуха, величина которого зависит от внешних форм автомобиля, улучшению которых и посвящен данный дипломный проект.
На основании обзора обтекателей, а также данных зарубежных испытаний и результатов отечественных исследований аэродинамических обтекателей к грузовым автомобилям был выбран прототип обтекателя, для автомобиля КамАЗ – 5320.
Проектируемая конструкция обтекателя (плакат №3) представляет собой стальной лист, подогнутый с боков таким образом, что закрывает пространство за лобовой поверхностью обтекателя от бокового ветра. Стальной лист крепится к каркасу болтами М8. Каркас изготовлен из восьми уголков разной длины с помощью сварки. Для уменьшения жесткости крепления между стальным каркасом и крышей кабины прокладываем резиновые подушки, это также требуется для выравнивания обтекателя по горизонтали относительно крыши кабины, что необходимо для наибольшей эффективности работы обтекателя.
Опорные уголки-стойки расположены таким образом, что они не испытывают напряжения на изгиб, а основная нагрузка воспринимается торцами, что обеспечивает достаточную прочность конструкции. Большую часть нагрузки воспринимают уголки, являющиеся основанием каркаса, часть нагрузки приходится на сварочные швы.
Обтекатель устанавливается на задней части крыши кабины для уменьшения пространства между обтекателем и передней частью кузова, что улучшает процесс обтекания последнего, а также для того, чтобы не заслонять люки для вентиляции кабины, расположенные в передней ее части. Обтекатель не должен иметь острых кромок и заусенцев.
Для изготовления предложенной конструкции даны сборочные чертежи узлов и рабочие чертежи деталей (плакат №4).
Инженерные узлы обладают высокой технологичностью, при проектировании учитывалась возможность применения современных технологий при изготовлении вышеназванных узлов.
Также в дипломном проекте разработаны разделы безопасности жизнедеятельности на производстве, в чрезвычайных ситуациях, охраны окружающей среды. Разработана инструкция по технике безопасности при эксплуатации проектируемой конструкции (плакат №5) и составлен план мероприятий по обеспечению безопасности жизнедеятельности.
Исходя из всего вышесказанного в экономическом разделе дипломного проекта определен экономический эффект от проекта (плакат №6 экономическая эффективность проекта). Проведенные расчеты в экономической части проекта показывают экономическую целесообразность проектируемой модели.
Так как экономия топлива в результате установки обтекателя составит 1,7% или 0,71 л на 100 км, а в нашем случае среднесуточный пробег принят 220 км и более, то суточная экономия топлива составит в среднем 1,5 л. Срок окупаемости обтекателя составит 1,5 месяца. Таким образом, применение инженерной конструкции целесообразно и экономически обосновано.

Выписка из пояснительной записки дипломной работы:

Улучшение аэродинамических свойств автомобиля КАМАЗ-5320

3.1 Выбор типа обтекателя

На основании обзора обтекателей, а также данных зарубежных испытаний и результатов отечественных исследований аэродинамических обтекателей к грузовым автомобилям выбираем тип обтекателя, для автомобиля КамАЗ – 5320.

• Основные размеры автомобиля КамАЗ – 5320:
• Длина – 7240 мм;
• Высота кабины – 2630 мм;
• База: между передней и средней осью – 2840мм;
•          между средней и задней осью – 1320 мм;
• Ширина кабины – 2100 мм;
• Грузоподъемность – 8000 кг.
• Размеры тента:
• Длина – 6520 мм;
• Ширина — 2500 мм;
• Высота – 2438.
• Превышение тента над кабиной – 1303 мм.

Исходя из вышеизложенного для данного автопоезда наиболее выгодным будет обтекатель типа Airshield в связи с относительной простотой конструкции и технологии изготовления, сравнительно небольшой ценой материала изготовления и довольно высоким экономическим эффектом от экономии топлива (15 – 20%) [5].

3.2 Описание обтекателя

Обтекатель представляет собой стальной лист, подогнутый с боков таким образом, что закрывает пространство за лобовой поверхностью обтекателя от бокового ветра. Стальной лист крепится к каркасу болтами М8. Каркас изготовлен из восьми уголков разной длины с помощью сварки. Для уменьшения жесткости крепления между стальным каркасом и крышей кабины прокладываем резиновые подушки, это также требуется для выравнивания обтекателя по горизонтали относительно крыши кабины, что необходимо для наибольшей эффективности работы обтекателя.

Опорные уголки-стойки расположены таким образом, что они не испытывают напряжения на изгиб, а основная нагрузка воспринимается торцами, что обеспечивает достаточную прочность конструкции. Большую часть нагрузки воспринимают уголки, являющиеся основанием каркаса, часть нагрузки приходится на сварочные швы. Обтекатель устанавливается на  задней части крыши кабины для уменьшения пространства между обтекателем и передней частью кузова, что улучшает процесс обтекания последнего, а также для того, чтобы не заслонять люки для вентиляции кабины, расположенные в передней ее части. Обтекатель не должен иметь острых кромок и заусенцев. Поверхность листа обтекателя не имеет дополнительной механической обработки. Обтекатель должен быть окрашен согласно ГОСТ 12.4.026 –76.

3.3 Расчет обтекателя

В связи с тем, что высота тента больше высоты кабины на 1303 мм, что составляет 29% от общей высоты, значит площадь обтекателя будет на 29% меньше общей лобовой поверхности автопоезда.

Согласно равенства [7]:

F=Н×В×c ,                                                         (3.1)

где    Н – высота автопоезда ( Н=3933 мм);

В – ширина автопоезда (В= 2500 мм);

c — коэффициент неравномерности распределения площади (c=0,9).

Найдем лобовую площадь автопоезда:

F_Л.А = 3933×2500×0,9 = 8849250 мм² » 8,85 м²

Согласно вышеизложенному находим лобовую площадь обтекателя: 

F_Л.ОБ = 0,29F_Л.А                                           (3.2)

где    F_Л.А – лобовая площадь автопоезда, м².

F_Л.ОБ = 0,29×8,85 = 2,57 м²

Высота обтекателя должна составлять 68% превышения высоты тента над высотой кабины автопоезда.

Значит, высота обтекателя будет равна:

Н_ОБ = 0,68Н_ПК ,                                           (3.3)

где    Н_ПК – превышение высоты тента над кабиной автопоезда (Н_ПК = 1,303 м),

Н_ОБ = 0,68×1,303 = 0,866 м.

Найдем высоту рабочей поверхности листа обтекателя из соотношения в прямоугольном треугольнике:

где a — угол наклона рабочей поверхности обтекателя относительно его основания (a = 50°) [7].

Н_РП = 0,866/0,766 = 1,157 м

Вычислим силу, действующую на обтекатель, для чего представим рабочую поверхность обтекателя вертикальной.

Общая высота кабины и рабочей поверхности обтекателя будет равна:

Н_ОБЩ = Н_Д.К + Н_РП , м                                          (3.5)

где    Н_Д.К.— действительная высота кабины.

Н_Д.К. = Н_К – R_К                                         (3.6)

где    Н_К – высота кабины от земли (Н_К = 2,63 м);

R_К – радиус колеса ( R_К = 0,51 м) [7].

Н_Д.К. = 2,63-0,51=2,12 м

Н_ОБЩ = 2,12+1,157 = 3,277 м

Суммарная площадь кабины и рабочей поверхности обтекателя:

F_КS = Н_ОБЩ×В×g , м²                                           (3.7)

где В – ширина автопоезда (В=2,5м);

g — коэффициент неравномерности распределения площади (g=0,75).

F_КS = 3,277×2,5×0,75= 6,144 м²

Сила сопротивления воздуха действующая на эту площадь: 

Р_W = k_x×F_KS×V², Н                                                 (3.8)

где k_х – коэффициент сопротивления воздуха , Н×с²×м^-4 (k_х = 0,55);

V – скорость движения автопоезда, м/с (V= 22,22 м/с).

Р_W = 0,55×6,144×22,22² =1668,4 Н

Так как на обтекатель приходится 35,3% общей высоты ([Н_РП/Н_ОБЩ]*100%), то и сила сопротивления воздуха приходящаяся на рабочую площадь обтекателя будет составлять 35,3% от Р_W:

Р_W0 = 0.353P_W = 588.95 H                                 (3.9)

где    Р_W — сила сопротивления воздуха.

Р_W0 = 588.95 H  

Но так как рабочая поверхность находится под углом 50° к основанию обтекателя или под углом 40° к лобовой поверхности кабины, то сила, действующая на обтекатель будет равна:

Р_W0^’ =Р_W0×cos 40° = 588,95×0,766 = 451,136 Н                      (3.10)

где   Р_W0 — сила сопротивления воздуха приходящаяся на рабочую площадь обтекателя.

Р_W0^’ = 588,95×0,766 = 451,136 Н  

3.4 Расчет массы обтекателя

Для того, чтобы посчитать массу листа обтекателя необходимо найти его общую площадь [7]: 

F_{об. общ} = F_Л.ОБ +2F_Б.ОБТ, м²                                  (3.11)

где    F_Л.ОБ – площадь лобовой поверхности обтекателя;

F_Б.ОБТ – площадь боковой поверхности обтекателя.

F_Л.ОБ = Н_РП×В_ОБ                                         (3.12)

где    В_ОБ – ширина обтекателя (равна ширине крыши кабины, В_ОБ = 2,1м)

F_Л.ОБ = 1,157×2,1 = 2,43 м²

Так как F_Б.ОБТ представляет собой прямоугольный треугольник, то

F_Б.ОБТ = 0,5×l_ОБТ×Н_ОБТ, м²                                       (3.13)

где l_ОБТ – длина обтекателя, м

l_ОБТ= Н_РП×cos a ,м                                            (3.14)

где a — угол между рабочей поверхностью обтекателя и его основанием.

l_ОБТ = 1,157×0,64 = 0,74 м

тогда:

F_Б.ОБТ = 0,5×0,74×0,866 = 0,328 м²

Так как у обтекателя две боковые поверхности, то при нахождении общей площади поверхности обтекателя необходимо F_Б.ОБТ умножить на два.

F_{ОБТ.ОБЩ} = 2,43+2×0,328 = 3,08 м²

Масса листа обтекателя найдется из равенства

m = r×V , кг                                     (3.15)

где    r — плотность стального листа ( r = 7,8т/м³);

V – объем листа обтекателя.

V = F_ОБЩ ×d, м³                                (3.16)

где d — толщина листа ( d = 1,5 мм );

V = 3,73×0,0015 = 4,6×10 ^–3    м³

Тогда масса листа обтекателя:

m = 4,6×10 ^-3×7,8 = 0,03604т = 36,04 кг

Общая масса обтекателя:

m_ОБТ = m_Л + m_К, кг                          (3.17)

где   m_К – масса каркаса.

Каркас состоит из восьми уголков N°2,5 различной длины; общая длина всех уголков l_УГ = 5,02 м.

Масса одного погонного метра уголка m_ПОГ = 1,46 кг [7].

Масса всех уголков:

m_УГ = 1,46×5,02 = 7,33 кг

Тогда общая масса обтекателя:

m_ОБТ = 36,04+5,6 = 41,64 кг

Однако, так как лист требует дополнительной обработки: обрезки боковин под углом 50° и подгибки их, а как правило лист проката прямоугольный, то его площадь будет равна;

F_Л = F_ЛОБ.П + 2F_Б.П                                                       (3.18)

где    F_ЛОБ.П – площадь боковой поверхности;

F_Б.П. – площадь боковых поверхностей листа до обрезки:

где    Н_Р.П.— высота рабочей поверхности, м;

l_ОБТ – длина обтекателя, м.

F_Б.П. = (0,74/0,64)×1,157 = 1,337 м²

F_Л = 2,43+2×1,337 = 5,105 м²

Найдем объем листа:

V_Л = 5,105×0,0015 = 7,658×10 ^–3 м³

Тогда масса листа обтекателя:

m_Л =7,68×7,8 = 59,732 кг

3.5 Расчет эксплуатационной эффективности обтекателя

Согласно [8] испытания обычно проводятся на ровной горизонтальной дороге со скоростью 80 км/ч, однако в реальных условиях постоянное движение с такой скоростью невозможно, и расчет следует проводить для среднетехнической скорости.

Мощность необходимая для преодоления силы сопротивления воздуха:

где    k – коэффициент аэродинамического сопротивления (k=0,75Н с²м^-4);

F – лобовая площадь автомобиля (F=6,42 м²);

V – скорость движения автомобиля (V= 40 км/ч).

Мощность на перекатывание на данной скорости [8].

где    G_а – вес автомобиля (G_а=311500 Н);

y — коэффициент сопротивления перекатыванию (y = 0,015);

Мощность необходимая для движения на данной скорости:

где    h_тр – КПД трансмиссии (h_тр=0,98^ц × 0,97^к×0,955^т) [8];

ц, к – число цилиндрических и конических передач соответственно;

т – число карданных шарниров.

h_тр= 0,98³ × 0,97² × 0,955²=0,876

N_е1=(5109+6,6)/0,876=66,78 кВт

Коэффициент использования мощности двигателя:

где    N_ен – мощность двигателя (N_ен = 155кВт);

U=(51,9+6,6)/0,876×155=0,43