Что такое передаточное число двигателя
Передаточное число и отношение, редукторы
Любой автолюбитель при выборе транспортного средства в первую очередь обращает внимание на технические параметры автомобиля. Но при этом далеко не все автомобилисты догадываются, что одним из самых важных факторов, который оказывает огромное влияние на управляемость автомобилем, а также на его скорость и параметры расхода топлива считается передаточное число коробки передач. Несмотря на то, что каждый производитель автомобилей выпускает свои типы авто, все они имеют коробки передач с единым принципом устройства. Как правило, КПП — это некоторое количество валов с размещенными на них шестернями с конкретным количеством зубьев. Основным предназначением этой конструкции является именно распределение усилия, которое вырабатывается непосредственно мотором автомобиля. Если бы производители не предусмотрели такую конструкцию, то любой автомобиль было бы невозможно сдвинуть с места.
О том, что при этом происходит
Самый простой пример передачи – от вращающегося колеса водяной мельницы к жернову. При этом зачастую происходит изменение первоначальной энергии, полученной колесом от текущей воды, по величине и направлению. Величину такого изменения будет определять передаточное отношение. Оно описывает одну из важнейших характеристик преобразования энергии при вращательном движении, определяемую как отношение частоты или скорости вращения элемента, получающего энергию, к тем же параметрам элемента, отдающего энергию.
Иными словами, передаточное отношение описывает, как изменяется исходная энергия, получаемая от двигателя или любого другого источника энергии (водяного, ветряного колеса, турбины и т.д.), при ее передаче. За всю историю развития техники человечество создало самые разнообразные передачи, для каждой из которых существует передаточное число, являющимся частным от деления скорости ведущего звена на скорость ведомого.
Как рассчитать передаточное число
Правильно подобранное передаточное число коробки передач является залогом согласованной работы всей трансмиссии. При его подборе стоит руководствоваться, прежде всего, мощностью и моментными характеристиками двигателя, а также размерами колес и, безусловно, личностными пожеланиями водителя. Изменяя ПЧ, можно уменьшить либо увеличить величину перенаправляемого крутящего момента. Это осуществляется изменением числа зубьев на каждой из шестеренок.
Чем выше значение данного числа, тем «мощнее» и «короче» будет передача, а значит, мотор намного быстрее будет выкручивать необходимое количество оборотов, при этом набор скорости осуществляется так же быстро, но возникает потребность в более частом переключении передач, и, следовательно, максимальное значение скорости на каждой ступени будет несколько снижено. Повышенное ПЧ способствует более стремительному ускорению.
Уменьшение же значения передаточного числа приводит к увеличению максимальной скорости, однако это хорошо только в том случае, когда двигатель имеет достаточный запас мощности. Но это негативно сказывается на разгонной динамике авто. Чем ближе значения ПЧ, тем более быстрым и плавным будет разгон при переключении передач. При обычной езде количество оборотов должно находиться в пределах 2-2,5 тысячи, это значение можно увидеть на тахометре, как только обороты превышают данное значение, а вам при этом еще необходимо набрать скорость, нужно перейти на более повышенную передачу. Безусловно, переключение передач, должно быть только последовательным.
Как динамика машины зависит от передаточного числа
Чем правильнее (читай – сбалансированнее) подобраны ПЧ, тем эффективнее будет работать коробка, а износ шестерней будет сведён к минимуму. Но такой подбор – задача нелёгкая, поскольку необходимо учитывать множество факторов: мощность силового агрегата, назначение транспортного средства, диаметр колеса и т. д.
Величина передаточного числа влияет на то, как изменяется крутящий момент на выходе конкретной пары, а в конечном итоге – на валу, идущему к ведущим колесам. Для изменения ПЧ подбирают шестерни с увеличенным или уменьшённым количеством зубьев.
При высоком ПЧ автомобиль будет разгоняться быстрее, то есть будет обладать большей динамикой, но длина передачи будет короткой. Под этим термином понимают, насколько быстро достигаются максимальные обороты коленвала (короткие передачи расположены снизу, и переключаться здесь нужно быстро).
При уменьшении ПЧ мы ухудшаем динамику авто, но зато можем разгонять её до больших скоростей. Именно поэтому на самой высокой передаче обгон выполнять не рекомендуется, нужно перейти на меньшую и переключиться на высшую после завершения манёвра.
Конструкторы, подбирая передаточные числа, стремятся найти компромиссное решение, когда и скорость высока, и разгонные характеристики не страдают.
В автоспорте многие гонщики стремятся сделать передаточные числа коробки передач со строго последовательным уменьшением на определённое значение. Это делается для того, чтобы спортсмен переключался при разгоне «на автомате», то есть длина передач делается примерно равной.
Высокая скорость – режим, характерный для движения по прямой. Если трасса извилистая, рекомендуется использовать ПЧ с большими значениями – такой подбор в зависимости от типа трассы приходит с опытом.
Тюнинг трансмиссии. Как подобрать передаточные числа для КПП?
Большинство технологий, применяемых в тюнинге трансмиссии, проверены в автоспорте. Трансмиссия любого, особенно спортивного автомобиля – важнейший механизм реализации динамических характеристик двигателя. Даже с относительно слабым мотором машина может быть быстрой из-за правильно подобранных передаточных чисел.
В автоспорте применяются синхронизированные (как на ‘дорожных’ автомобилях) и несинхронизированные (кулачковые) коробки передач. По принципу переключения они делятся на обычные (Н-схема) и секвентальные (с последовательным выбором передач, как на мотоциклах).
В автомобилях достаточно серьезного уровня подготовки применяются кулачковые КП. Они имеют ряд преимуществ – выдерживают более высокие нагрузки (за счет формы зуба и зацепления шестерня – кулачковая муфта), позволяют опытным пилотам тратить меньше времени на переключение передач за счет неполного выжима сцепления или вообще без выжима сцепления, в них не разрушаются синхронизаторы (которых попросту нет).
Сближенный и растянутый ряд в коробке передач
Не менее важным фактором, определяющим характер автомобиля, является разрыв между передаточными числами. Сближенный ряд передач гарантирует максимальное ускорение, которого может достичь автомобиль при прочих равных условиях. Кроме того, если во главу угла ставится экономичность, то такое решение позволяет держать рабочие обороты в оптимальной зоне, что также способствует продлению ресурса мотора.
Однако, есть у короткого ряда и существенный недостаток, а именно – необходимость в растянутой 1-й передаче, либо в короткой – высшей. Последствия от этого вполне очевидны, а единственным разумным решением является увеличение числа передач, что делает конструкцию дорогостоящей. Либо, всё же — переход к растянутому ряду.
Выбор решения обычно продиктован типом создаваемого автомобиля. Для скоростной и динамичной модели применяют сближенные по величине передаточного отношения передачи. Если же под капотом установлен двигатель с широким диапазоном мощности и плавным графиком крутящего момента, например – дизель, то необходимость в сближении передач отпадает. Для примера рассмотрим автомобиль Формулы-1, которые имеют очень плотный передаточный ряд, ввиду чего величина передаточных отношений 7-й и 8-й передач отличается всего в 1,12 раза, против 1,25 – у гражданских моделей.
Однако, сближенный ряд не всегда означает более высокую производительность. Например, у спортивного велосипеда, как правило, 8 очень близких по передаточному числу ступеней, при этом шестерня первой из них имеет 30 зубцов, а высшей – 11, это позволяет обеспечить наиболее рациональное использование энергии велосипедиста. Однако при таком подходе для обеспечения максимального ускорения необходимо интенсивно переключаться в интервале с 1-й по 5-ю передачу, всего за несколько секунд. Это касается и автомобилей, поскольку необходимость в столь частом переключении, как правило, предопределяет работу двигателя в неоптимальном режиме, особенно у неопытного водителя.
Всех этих недостатков лишены так называемые бесступенчатые типы трансмиссий, которые позволяют плавно изменять передаточные отношения, в зависимости от выбранного режима езды. К таким конструкциям относят, прежде всего, вариаторы, однако на сегодняшний день механизма, способного передавать огромный крутящий момент и оперативно подстраиваться под разгонную динамику спортивных моделей, пока не создано. Но прогресс не стоит на месте и непрерывная работа по совершенствованию таких агрегатов уже сделала их широко распространённым решением.
Как передаточное число влияет на динамические характеристики автомобиля
Как было ранее упомянуто, правильно рассчитанное передаточное число позволит добиться максимальной эффективности работы КПП и снизить износ шестерней до минимума. На выбор передаточного числа влияют характеристики двигателя, его мощность, крутящий момент, диаметр колеса, назначение автомобиля и личные пожелания автолюбителя. Изменения, вносимые в передаточное число, могут увеличить или уменьшить крутящий момент, передаваемый на карданный вал автомобиля. Процесс изменения передаточного числа передачи заключается в изменении количества зубьев шестерни.
Если передаточное число высокое, то автомобиль будет набирать большую скорость за малый промежуток времени, однако, длина передачи будет намного меньше. Это означает, что переключение передач нужно будет осуществлять достаточно быстро. Проще говоря, увеличение передаточного числа способствует повышению величины ускорения автомобиля.
Уменьшение передаточного числа позволяет добиться большой максимальной скорости, развиваемой автомобилем. Здесь действует другой принцип, когда разгон происходит медленно, однако, скорость на выходе будет намного больше. Такое значение передаточного числа подходит только для достаточно мощных двигателей.
Исходя из выше сказанного, передаточное число должно быть таким, чтобы автомобиль имел хорошие динамические характеристики и большую максимальную скорость. В этом случае, путем подбора, можно добиться компромисса между двумя величинами, получив и то, и другое.
Многие автогонщики стараются сделать передаточные числа с последовательным уменьшением. То есть, в процессе возрастания скорости автомобиля и переключении передач, передаточное число каждой следующей передачи будет уменьшаться, что позволит добиться как повышенных динамических характеристик, так и большой максимальной скорости.
Большая скорость актуальна только при движении по прямой, с минимальным количеством поворотов. При движении по извилистой дороге, рекомендуется использовать повышенные значения передаточных чисел. Так происходит подбор ПЧ к типу трассы.
