Расчет передаточных чисел для оптимальной работы трансмиссии

Автомобильная промышленность не стоит на месте - новые модели автомобилей становятся все более технологичными. Однако в основе работы трансмиссии по-прежнему лежат передаточные числа. Их правильный расчет позволяет добиться оптимальных характеристик автомобиля. Давайте разберемся, как это делается.

Основные понятия

Передаточное число - это отношение угловых скоростей ведущего и ведомого звеньев механической передачи.

Передаточное число = угловая скорость ведущего звена / угловая скорость ведомого звена

От передаточного числа следует отличать передаточное отношение - отношение числа зубьев соответствующих шестерен в зубчатой передаче.

• Главная передача - заключительное звено трансмиссии
• Ступени КПП - промежуточные передачи в коробке передач

На выбор передаточных чисел влияют:

1. Динамика разгона и торможения
2. Топливная эффективность двигателя

Расчет передаточного числа главной передачи

Для расчета передаточного числа главной передачи необходимы следующие исходные данные:

• Радиус качения колеса (r_k)
• Число оборотов вала ДВС (n_N)
• Скорость автомобиля (v_N)

Формула для расчета:

i_o = r_k * n_N / v_N

Рассмотрим пример для автомобиля с параметрами:

Подставляя значения в формулу, получаем:

i_o = 0.3 * 3500 / 90 = 11.67

Округляем до целого числа - 12. Это и есть передаточное число главной передачи.

Расчет передаточных чисел КПП

Согласно общим рекомендациям, разгон автомобиля на каждой передаче должен:

• начинаться при одинаковой частоте вращения коленвала
• заканчиваться при частоте вращения, соответствующей максимальной мощности двигателя

Для расчета передаточного числа 1-й передачи используется формула:

i₁ >= M_emax * η_тр / (ψ_max * G_сц * r_k * m_p)

Где:

• M_emax - максимальный крутящий момент двигателя
• η_тр - КПД трансмиссии
• ψ_max - максимальный коэффициент сопротивления
• G_сц - вес, приходящийся на ведущие колеса
• r_k - радиус качения колеса
• m_p - коэффициент перераспределения реакций

Для промежуточных передач передаточные числа подбирают, исходя из условия равномерного нарастания скорости на каждой последующей передаче.

Например, для 5-ступенчатой КПП с шагом 20% скорости на каждой следующей передаче передаточные числа составят:

1. i₁ = 3.5
2. i₂ = 2.1
3. i₃ = 1.4
4. i₄ = 1.0
5. i₅ = 0.7

Влияние передаточных чисел на ходовые качества автомобиля

Правильный выбор передаточных чисел оказывает существенное влияние на динамические и экономические характеристики автомобиля:

• Влияние на динамику. Чем ниже передаточные числа, тем выше тяговое усилие на колесах и интенсивнее разгон. Однако слишком низкие передаточные числа приводят к повышенному расходу топлива.
• Влияние на топливную эффективность. Для экономичного режима оптимальная частота вращения коленвала составляет около 2000-3000 об/мин. Передаточные числа КПП должны позволять двигаться с такой частотой вращения на скоростях 80-120 км/ч.
• Влияние на комфорт и шумность. Слишком высокие обороты двигателя на высоких передачах приводят к повышенной шумности и вибрациям. Поэтому последние 1-2 передачи часто делают с заниженным передаточным числом.

Гибридные автомобили и электрокары

В гибридных автомобилях используются планетарные механизмы и электродвигатели, что требует особого подхода к расчету передач.

В электрокарах зачастую используется всего 1 передача. Ее передаточное число рассчитывается исходя из максимальной мощности электродвигателя.

Для полной проходимости по бездорожью в трансмиссии автомобилей повышенной проходимости предусматривают дополнительные низкие передачи. Также применяют межосевые дифференциалы и понижающие передаточные числа.

В спорткарах используют овердрайв для снижения оборотов двигателя на высоких скоростях. Также применяют системы переключения передач типа QS (quickshift) для максимально быстрого разгона.

Правила эксплуатации трансмиссии

Рассмотрим основные из них:

• Выбор оптимальной передачи. Для экономичного вождения выбирайте такую передачу, чтобы обороты двигателя находились в диапазоне 2000-3000 об/мин при установившемся движении.
• Особенности переключения передач. Плавное переключение передач без резких толчков и рывков способствует продлению срока службы трансмиссии.
• Допустимые режимы эксплуатации. Максимальная скорость на передачах ограничена конструкцией двигателя и КПП. Превышать эти ограничения не рекомендуется.

Признаки неисправностей из-за неправильного выбора передаточных чисел

К признакам неисправностей относятся:

• Повышенный шум, вибрации на высоких оборотах
• Резкое падение мощности при разгоне
• Увеличенный расход топлива

Перспективы развития трансмиссий

Рассмотрим основные аспекты:

• Бесступенчатые трансмиссии. В бесступенчатых трансмиссиях отсутствует дискретное переключение передач, что обеспечивает плавное ускорение.
• Электронное управление переключением передач. Современные роботизированные коробки передач позволяют осуществлять автоматический выбор оптимальной передачи в каждый момент.
• Применение искусственного интеллекта. Развитие технологий искусственного интеллекта открывает новые возможности в анализе различных дорожных ситуаций и подборе оптимальных передаточных чисел для каждой из них.
• Прогнозы автопроизводителей. Ведущие мировые автоконцерны прогнозируют дальнейшее развитие трансмиссий в направлении повышения эффективности, надежности и улучшения динамических характеристик. Так, концерн Volkswagen планирует расширить использование роботизированных КПП с двойным сцеплением DSG. Это позволит оптимизировать передаточные числа в различных режимах. Компания Ford разрабатывает бесступенчатую трансмиссию, которая будет непрерывно корректировать передаточное число в соответствии с показаниями многочисленных датчиков.