بخشی از مقاله
چکیده
کشورهای بزرگ صنعتی بنا به دلایلی همچون افزایش بهای سوخت، چالش استفادهی بهینه از منابع انرژی ، دغدغهی مسائل زیستمحیطی و آلودگی هوا و نیز تنوع سلیقه ی مشتریان، همواره حرکتی جدی به سوی تولید خودروهای کلاس A آغاز نمودهاند. در این مقاله به منظور دستیابی به طرح کلی پلتفرم مفهومی1 این کلاس ازخودرو، پروسهی طراحی و تحلیل مجموعهی سیستم پیشران مناسب انجام شده است. بدینمنظور در ابتدا یک موتور احتراقی که جوابگوی نیازهای خودروی مورد نظر باشد انتخاب گردیده و پس از مدلسازی و تحلیل دینامیکی آن، نسبتدندههای مناسب برای جعبهدنده مطابق با شاخصهای عملکردی خودرو نظیر شیب پیمایی، شتاب گیری، سرعت ماکزیمم، کمترین میزان مصرفسوخت و آلایندگی آن طراحی میشود. درنهایت تأثیر استفاده از قطعات الکتریکی خودرو بر روی عملکرد آن بررسی شده و میزان تغییراتی که در مصرف سوخت و مقدار آلایندگی در این حالت رخ میدهد، تعیین میگردد.
واژه های کلیدی:خودروی کلاسA، سیستم پیشران، شتاب، مصرف سوخت، آلایندگی
مقدمه
خودروهای کلاس A اتومبیلهایی کممصرف و با ابعاد بدنهی کوچک هستند. پس از بررسی خودروهای تولید شده در داخل کشور و مشاهده ی فقدان این کلاس از خودروها، مراحل طراحی مفهومی پلتفرم پایه آن در گروه پژوهشی خودرو و وسایل ریلی دانشگاه صنعتی اصفهان آغاز شد. در جدول 1 مشخصات ابعادی - که باید درحیطه ی ابعاد یک خودروی کلاس A باشد - و در جدول 2 پارامترهای اصلی طراحی این خودرو آورده شدهاست. همچنین در شکل 1، تصویر مدل تهیهشده در نرمافزار کتیا قابل مشاهده است.در مرحله ی محاسبهی وزن خالص تقریبی خودرو که برای ادامه ی مراحل و انتخاب موتور احتراقی مناسب لازم است، وزن هریک از اجزای خودرو بهعلاوهی یک میانگین از وزن سیستم پیشرانهای نصب شده روی خودروهای مشابه موجود، در نرمافزار وارد میشود.
البته کلیه ی موتورهای استفاده شده در خودروهای کلاسA دارای حدود توان و بنابراین حدود وزن مشخصی هستند. درنهایت پس از انتخاب موتور و تعیین وزن دقیق کلی و مشخصات جرمی دقیق خودرو، طراحی سیستم پیشران آغاز میگردد.سیستم پیشران خودرو وظیفهی تأمین نیرو، انتقال آن به چرخهاونهایتاً حرکت خودرو را برعهده دارد. توان و گشتاوری که در موتور تولید میشود بهکمک نسبتدندههای مناسب گیربکس و دیفرانسیل منتقل میشود. تغییر مقادیر نسبتدنده منجر به کاهش یا افزایشپارامترهای عملکردی خودرو میگردد. برای طراحی سامانهی انتقال قدرت، پس از انتخاب موتور احتراقی، طراحی نسبتدندهها صورت میگیرد .>1]
گزینش موتور احتراقی
برای انتخاب موتور، اولین طرحی از خودرو که در اختیار است را الگو قرار داده و باتوجه به وزن، ضریبدرگ، ظاهر اولیهی بدنهی طراحی شده و موارد دیگر، هدف موردنظر حاصل میگردد. در وهلهی اول میبایست کلیه نیروهای مقاومی که در حرکت با سرعت ثابت یک خودرو به آن وارد میشود بررسی گردند. موتور انتخابشده باید قادر باشد بر این نیروهای مقاوم تا رسیدن خودرو به حداکثر سرعت غلبه کند. پس از مشخص شدن نیروی کلی مقاوم در برابر حرکت خودرو، گشتاوری که به پولوسها وارد می گردد در سرعتهای مختلف خودرو قابل محاسبه است که این مقادیر بهصورت منحنی قابل رسم میباشند و در انتخاب موتور برای خودرو نقش بهسزایی دارند. نیروهای مقاوم کلی بهصورت رابطهی 1 محاسبه میگردد.[2]
که در این رابطه، عبارت اول مربوط به مقاومت غلتشی تایرها، عبارت دوم نیروی مقاوم آیرودینامیک و عبارت سوم نیزنشان دهنده ی مقاومت شیب است. همچنین ضریب مقاومت غلتشی تایر، جرم کلی خودرو،چگالی هوا، سطح مقطع جلوی خودرو،ضریبدرگ و ضریب سرعت باد است تابهمنظور پیش گیری از تاثیرات نامطلوب بیش از حد باد روی عملکرد خودرو، وزش باد مخالف در محاسبات منظور شود. منحنی توان ناشی از نیروهای مقاوم که برحسب سرعت خودرو رسم میگردد درشکل 2 آمده است. با کمک این منحنی و انتظار داشتن سرعت ماکزیممی معادل حدوداً 150 کیلومتر برساعت و همینطور توانایی شیبپیمایی مناسب توسط خودرو، موتوری با قابلیتهای ذکرشده در جدول 3 انتخاب گردید. پس از تعیین موتور، وزن دقیق خودرو نیز مشخص میشود که در جدول 4 مشهود است.
دینامیک موتور
یکی از عواملی که منجر به دستیابی به حداکثر شتاب ممکن در یک خودرو میگردد، حداکثرگشتاوری است که ازطرف موتور به چرخها اعمالمیشود. حداکثر قدرت قابل دسترسی در یک موتور احتراق داخلی - - Pe میتواند بهصورت تابعی از سرعت زاویه ای موتور - e - بیان گردد. البته این تابع میبایست بهصورت تجربی مشخصشود اما معمولاً میتوان تابع عملکرد قدرت را توسط یک چندجمله ای مرتبه سوم نیز بیان نمود.از سوی دیگر با داشتن رابطهی توان و دور موتور، میتوان به فرمول گشتاور- دور موتور نیز دست یافت. در این روابط، توان با واحد وات - w - و دورموتور نیز با واحد رادیانبرثانیه - rad/s - محاسبه خواهدشد.[3]در روابط بالا و برای موتور انتخابشده میتوان نوشت:
اکنون ترسیم منحنیهای توان و گشتاور موتور براساس دور موتور ممکن میشود که درواقع همان منحنیهای عملکردی موتور هستند و به منظور سنجیدن صحت آنها، با گرافهای اصلی موتور که از سوی شرکت سازنده ارائه گردیده، مقایسه میشوند.خودرو تاحد امکان بهحالت ایدهآل نزدیک می شود. برای طراحی یک جعبهدنده در ابتدا سبکترین و سنگینترین نسبتدندهها مشخص شده و سپس دندههای میانی طبق معیارها و توابع هدف طراحی میگردند. اکثر خودرروهای روز جهان که دارای جعبهدندههای دستی هستند، از 5 دنده برای حرکت جلو استفاده میکنند که دندهی 5 معمولاً بهصورت اوردرایو2 میباشد طوریکه نسبتدندهای کوچکتر از 1 خواهد داشت. این خاصیت در سرعتهای بالای خودرو منجر بهکاهش مصرفسوخت، کارکرد موتور در دورهای پایینتر و درنتیجه افزایش عمر قطعات خودرو خواهد شد.
تعیین نسبتدنده1
دنده 1 در هر گیربکس سنگینترین دنده است که خودرو حرکت خود را با آن آغاز میکند. خودرو باید قادر باشد در دنده 1 و در حالت بار کامل در شیب 33 درصد که معادل 18/26 درجه است بالارود.[4] با رسم منحنی گشتاور ناشی از نیروهای مقاوم برای شیب 33 درصد و مقایسه آن با گشتاورتولیدی موتور نسبتدندهای که بتواند خودرو با بار کامل را از این شیب بالا ببرد، برابر 15/1 بهدست میآید. مجموع بازده برای خط انتقال قدرت معادل 92 درصد در نظر گرفته شدهاست.با دقت در شکل 3 و شکل 4 میتوان دریافت بین دو گراف اصلی و فرمولی، تطبیقنسبتاً خوبی برقرار است. همچنین درمورد منحنی گشتاور نیز نسبتدندهها طوری طراحی خواهند شد که دور موتور همواره پس از 3500 دور بر دقیقه باشد و در این محدودهی دور موتور، تطبیق دو گراف بالاست. بنابراین می توان از روابط بیانشده برای منحنی های عملکرد موتور، در مراحل آتی طراحی جعبهدنده بهره برد.
مقدمهای بر طراحی نسبتهای جعبهدنده
مشخصههای عملکردی موتورهای احتراقداخلی از حالت ایدهآل دور بوده و فقط با استفاده از یک سیستم انتقالقدرت مناسب، قابلیت استفاده در خودرو را پیدا میکند. با انتخاب مناسب نسبتتبدیلهای یک جعبهدندهی دستی، مشخصههای سرعت و نیروی پیشران بهمنظور طراحی نسبت دنده پنجم، از سه معیار استفاده خواهد شد که اولین آن، رسیدن به حداکثر سرعتی است که موتور قابلیت رساندن خودرو را بهآن سرعت دارد. حداکثرسرعت خودرو که باتوجه به شکل 2 معادل 151 کیلومتر برساعت است، بایستی در نقطهای کاری از موتور قرار گیرد که در آن نقطه حداکثر توان خود را تولید میکند. این نقطه در دور موتوری معادل با 5900 تا 6000 دور در دقیقه قرار دارد. نسبتدنده با کمک رابطه - 9 - بهدست میآید. معیار دوم که برای طراحان مهم است و در واقع یکی از اصلیترین معیارها نیز هست، قابلیت شیبپیمایی 3 درصد خودرو با بارکامل و با سرعت 88 تا 96 کیلومتر برساعت میباشد .[5] در این معیار طراحی سرعت
