Какое оптимальное передаточное число коробки передач?

2.5 Определение скоростей движения автомобиля на различных передачах

Максимальная
скорость движения на прямой передаче
задана. Скорости движения на промежуточных
передачах определим из соотношений:

V₁
= 3.43м/с

V₂
= 5,47м/с

V₃
= 8,73м/с

V₄
= 13,92м/с

V₅
= 22,22м/с

Планетарный редуктор и планетарная передача — теория

Рассмотрен принцип действия планетарной передачи, указаны преимущества и недостатки применения планетарных редукторов. Приведена схема планетарной передачи и расчет передаточного отношения редуктора.

Планетарный редуктор и планетарная передача

Зубчатая передача

Устройство планетарного механизма основано на вращении тел зубчатой передачи, которые непосредственно взаимодействуют с главным двигателем. Именно такое соединение и служит для передачи силы от редуктора до других механизмов с изменением скорости их вращения. Таким образом происходит передача крутящего момента от двигателя на колеса через основную ось, главную шестерню и сателлиты.
Вообще устройство зубчатой передачи достаточно простое и понятное. Вот, что входит в конструкцию обычной передачи.
Для соединения с главной передачей имеются две зубчатые шестерни, таким образом происходит зацепление. При движении происходит передача скорости вращения с главной шестерни на ведомую за счет зацепов. Наименьшее колесо в конструкции называется шестерней, а наибольшее будет главным и ведомым колесом.

Планетарный механизм

Схема планетарной передачи

Редукторы с зубчатой передачей, колеса которых имеют движущиеся оси, называются планетарными. Внутри расположены зубчатые колеса, перемещающиеся на своих, геометрических осях. Такие шестерни получили название сателлиты, потому что вся конструкция очень похожа на солнечную систему. Главные шестерни называются центральными колесами. Сателлиты крепятся на своих осях и вращаются вокруг главной передачи при помощи водила, которое движется так же, как и центральное колесо, вокруг главной оси. Центральное колесо остается неподвижным, а другие шестерни можно заблокировать или разблокировать полностью.

Если центральное колесо неподвижно, то второе постоянно движется. Ведущим здесь является вал подвижного колеса, а ведомым-водила. Если разблокировать все зубчатые колеса вместе с ведомым, то такая передача будет дифференциальной. Выделяют два основных и ведущих звена и одно ведомое.

При подробном рассмотрении простейшей планетарной передачи мы видим: ведущее колесо или водило, ведомое с тремя сателлитами, вращающимися вокруг центральной оси и центральное, неподвижное колесо.

Передаточное отношение

Чтобы рассчитать передаточное отношение редуктора, необходимо заметить определенное количество неподвижных звеньев(1,2,3 и Н) и условно задать им поступательное вращение со скоростью wH, равное скорости вращения водила, но с обратным знаком. Скорость зацепления зубчатых колес не изменяется. Таким образом скорость + wH +(- wH)=0, то есть водило будет остановлено. Если водило неподвижно, тогда планетарная передача превращается в зубчатую, где все колеса неподвижны. Сателлиты не учитываются. Их вращение будет положительным при одинаковом вращении шестерен, а отрицательным при противоположном вращении:i=(? 1 -? H)/(? 3 -? H)=-(z 3 /z 1), где z 1 и z. Если колесо 3 закреплено неподвижно, то угловая скорость водила Н = 1 /[1+(z 3 /z 1)], а передаточное отношение i =1+z 3 /z 1.

Как обычно, для работы редуктора с одноступенчатой передачей при больших нагрузках становится мало, поэтому стали изготавливать двух и трех ступенчатые редукторы, а иногда и четырех ступенчатые. Чаще всего применяется двухступенчатая передача.

Двухступенчатая планетарная передача.

Схема двухступенчатой планетарной передачи

Для других редукторов передаточное отношение высчитывается таким же способом. Для двухступенчатого редуктора, где центральное колесо 1—ведущее, водило Н2 — ведомое, центральные колеса 3 и 4 закреплены в корпусе, передаточное отношение i=1+z 2 z 3 /z 1 z 4.

При всех достоинствах планетарного редуктора, нужно знать, что при сильном вращении шестерни, КПД всего механизма сильно ухудшается.

Нагрузка от центрального колёса водила восприниматься всеми шестеренками (1-6) одинаково, при этом их размеры значительно меньше, чем у обычной передачи. Следовательно, главными преимуществами планетарной передачи являются большая скорость вращения, небольшой вес и компактность. Дифференциальные передачи используются в автомобиле для разложения движения, а так же в различных станках. К минусам такой передачи относится ее трудоемкое изготовление и сложная сборка на предприятии. Такие редукторы благодаря своим преимуществам находят свое применение во многих отраслях производства: в машиностроении, приборах, станкостроении, в транспорте.

Использован материал из книги «Детали машин» Гузенков П.Г.

Так же по теме предлагаем статью «Планетарный редуктор» с примером расчета передаточного отношения и анимированными схемами ступеней планетарного редуктора.

Зачем нужна МКПП?

Первая причина ясна – надо как-то подключить вращающийся вал двигателя к приводам колес, чтобы тронуться с места. Есть и вторая: силовой агрегат развивает рабочую мощность (иначе – максимальный крутящий момент) при достижении определенного числа оборотов коленчатого вала. Для большинства бензиновых двигателей этот порог составляет 3000 об/мин, для дизельных – 2000 об/мин.

Для чайников, то бишь, новичков, желающих разобраться в работе автомобильных узлов, предлагается такое пояснение:

Во время работы на месте (холостой ход) количество оборотов коленвала составляет 800-900 об/мин. Чтобы начать движение, развиваемой мощности недостаточно и нужно поднять ее за счет нажатия на газ и повышения оборотов до 2-3 тыс. в минуту. В этот момент и нужно подключить привод колес, что выполняется с помощью коробки передач.
Без МКПП разгон автомобиля выйдет плавным и невероятно долгим, а если попадется подъем, то машина не разгонится никогда. Причина та же – нехватка мощности. Для повышения динамики нужен преобразователь усилия, способный замедлить вращение, но увеличить крутящий момент.
Для разворота и парковки машине нужен задний ход, его также обеспечивает механическая коробка передач.

Если между колесным приводом и коленчатым валом поставить зубчатую передачу с шестеренками разного размера, то колеса станут вращаться медленнее. Но при этом на каждом колесе возрастет усилие (на жаргоне – тяга) и разгон автомобиля ускорится. А плавное подключение вращающихся элементов обеспечит другой узел МКПП – сцепление.

Влияние передаточного на динамику машины

Правильно подобранное передаточное обеспечивает взаимосвязанную работу всех элементов автомобиля. При выборе передаточного числа необходимо руководствоваться характеристиками двигателя, но не стоит забывать и про колеса, точнее про их размер.

Изменяя передаточную величину крутящего момента может увеличиваться или уменьшаться. Это достигается изменением зубьев у каждой шестерни.

Зависимость числа и мощности следующая, чем выше число, тем мощней передача. Это говорит о том, что мотор автомобиля будет в разы быстрее выкручивать заветное количество оборотов. Высокое число обеспечивает быстрое ускорение.

Слишком малая передаточная цифра будет позволять разгонять максимальную скорость, но при этом динамика авто нарушается, поэтому не стоит слишком занижать ее.

Наиболее близкие передаточные числа обеспечивают плавный и быстрый разгон.

Для обычной повседневной езды достаточно количества оборотов в 2000-3000 тыс. Эти значения обычно высвечиваются на тахометре, и если вам все еще не хватает скорости, то нужно всего лишь переключиться на более высокую передачу.

Как для механической, так и для автоматической коробки передач передаточное число настраивается без особых проблем и трудностей. Единственное различие, в механической коробке вы по-прежнему будете самостоятельно переключать передачи, автоматическая, сделает эту работу за вас.

Передаточное число – хороший вариант настроить машину “под себя”, выжать из нее максимум и заточить ее под свои требования. Это можно сделать самостоятельно или же прибегнуть к помощи профессионалов. Во втором случае, вы должны максимально точно объяснить какой результат вы ожидаете получить и вам настроят автомобиль. При самостоятельном изменении передаточного числа, тщательно протестируйте полученный результат, убедитесь что все работает корректно, что двигателю достаточно мощности.

Несомненно, отладка передаточного числа настраивается индивидуально под каждого водителя. Тут необходимо не только руководствоваться техническими характеристиками, но и очень хорошо чувствовать автомобиль. Передаточное число позволяет значительно ускорить разгон автомобиля, увеличить его скорость. Самое главное, чтобы передаточное число подходило для мощности автомобиля, тогда он будет служить вам верой и правдой долгие года.

Передаточное отношение и число зубьев зубчатой передачи

По своей схеме зубчатая
передача подобна фрикционной –
см.рис.11.1. Только здесь жесткое колесо
имеет внутренние, а гибкое – наружные
зубья (рис.11.7).

Рис.11.7

Гибкое
колесо деформируют так, что в точках В
между вершинами зубьев образуется
радиальный зазор, а в точках А зубья
зацепляются на полную рабочую высоту,
в точках Е зацепление промежуточное.
Ясно, что для зацепления необходимо
равенство модулей зубьев обоих колес.

Передаточное
отношение –
положим, что в формулах (11.10) и (11.11) d_F
и d_C
– диаметры делительных окружностей

(11.16)

При этом

(11.17)

Число
зубьев – на
рис.11.7 изображены различные фазы
зацепления зубьев. Здесь прямолинейный
профиль принят условно, в целях простоты
рассуждений. При вращении генератора
осуществляется относительный поворот
колес F
и С, при котором зубья колеса F
должны переходить из одной впадины
колеса в другую. Для этого и необходимо
расцепление зубьев в точке В. За четверть
оборота генератора зубья переходят из
положения В в положение А. В окружном
направлении они смещаются на полшага.
При неподвижном колесе С на полшага
поворачивается колесо F.
За полный оборот генератора – на два
шага. Это может быть, если разность z_C
– z_F
= 2 или равна числу волн генератора u.

В общем случае

z_C
– z_F
= К_zu (11.18)

где
К_z
= 1, 2, 3, …

Обычно
К_z
= 1, а u
= 2 и тогда

(11.19)

Зубья,
на которые набегает генератор (верхняя
правая и нижняя левая четверти окружности
– рис.11.7), входят в зацеплении. Зубья,
от которых убегает генератор (верхняя
левая и нижняя правая четверти окружности),
выходят из зацепления. При входе в
зацепление зубья (Е) совершают рабочий
ход и соприкасаются одними сторонами,
при выходе (Е’) – холостой ход и
соприкасаются другими сторонами.

Рассмотренная
схема движения зубьев позволяет понять,
что волновая передача может обеспечить
одновременное зацепление большого
числа зубьев. Теоретически дуга зацепления
может распространяться от В до А и от
В’ до А’. Или число зубьев в одновременном
зацеплении составляет 50% от z_F
или z_C.
Например, при=
100,z_F
= 200 или 100 зубьев в одновременном
зацеплении вместо 1 
2 в простых передачах. Это одно из основных
преимуществ волновых зубчатых передач.
Оно обеспечивает им высокую нагрузочную
способность при малых габаритах.

Практически число
одновременно зацепляющихся зубьев или
размер дуги зацепления зависит от формы
и величины деформирования гибкого
колеса, от формы профиля зубьев и пр.
(см. ниже).

Что такое передаточное число коробки передач

Передаточное число является основной характеристикой зубчатой передачи. Такая передача передает крутящий момент от двигателя (в случае с автомобилем на ведущие колеса). Также зубчатая передача позволяет как уменьшить, так и увеличить крутящий момент, поступающий от двигателя. Изменение становится возможным благодаря увеличению или уменьшению количества зубцов на шестернях.

Итак, передаточное число (АКПП, МКПП) представляет собой отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей шестерни в устройстве коробки передач, редуктора и т.д. Если просто, например, ведущая шестерня имеет 30 зубьев, а ведомая 60. В этом случае передаточное число такой зубчатой пары будет составлять 2, то есть 60:30.

Величина передаточного числа в коробке передач и редукторе напрямую оказывает влияние на динамику разгона, а также на показатель максимальной скорости. В ступенчатых КПП имеется несколько зубчатых пар с разными передаточными числами. Чем больше число, тем больше тяги обеспечивает данная передача. При этом мотор быстрее набирает обороты, машина активно разгоняется, однако максимальная скорость не высокая на данной передаче. Для увеличения скорости возникает необходимость в переключении на ступень выше.

Как правило, в автомобиле момент от двигателя, поступающий на КПП, увеличивается на пониженных передачах (1,2, 3). Также на внедорожниках момент может дополнительно изменяться при помощи раздаточной коробки (раздатки), которая отвечает за понижающую передачу.

На повышенных передачах (4, 5, 6) происходит уменьшение передаточного числа, что повышает максимальную скорость автомобиля. При этом разгон на таких передачах менее интенсивный, чем на пониженных.

Еще добавим, что на динамику разгона также влияет и передаточное число главной пары редуктора. Чем большим оказывается указанное число, тем лучше динамика автомобиля, причем на всех передачах. При этом максимальная скорость ниже. Например, возьмем модели ВАЗ. Если поставить на машину главную пару, которая имеет число 4.1 или 4.3 вместо 3.9, авто будет более динамичным, однако показатель максимальной скорости также будет уменьшен.

С учетом вышесказанного становится понятно, что на разных авто передаточные числа трансмиссии подбирают с учетом мощности двигателя, крутящего момента, который выдает агрегат, целевого назначения самого ТС и т.д. Другими словами, улучшение динамических характеристик автомобиля зависит от того, насколько удачно реализован подбор передаточных чисел в коробке передач.

Также при создании КПП конструкторы пытаются достичь оптимального баланса между разгонной динамикой и экономичностью. Если же за счет изменения передаточного отношения необходимо добиться лучшей разгонной динамики автомобиля, экономичность однозначно пострадает.

Кстати, зачастую в 5-и ступенчатых КПП пятая «повышенная» передача не является передачей для достижения максимальной скорости, как многие ошибочно полагают. Стандартно такая передача позволяет получить максимальную экономию горючего, а также значительно снизить шум и нагрузки на силовой агрегат при езде с высокой скоростью или скоростью, близкой к максимальной для данного ТС.

Устройство механической коробки передач

Устройство механической КПП

Конструктивно механическая коробка передач состоит из следующих элементов:

ведущий или первичный вал;
ведомый или вторичный вал;
промежуточный вал (для 3-х вальной МКПП);
шестерни первичного и вторичного валов;
механизм выбора передач;
муфты синхронизаторов (синхронизаторы);
картер;
главная передача;
дифференциал.

При этом устройство и принцип работы двухвальной и трехвальной трансмиссии отличаются друг от друга.

Двухвальная коробка передач: устройство и принцип работы

Схема двухвальной МКПП

Этот тип коробки является наиболее распространенным. Крутящий момент от двигателя через муфту сцепления передается на первичный вал. В зависимости от конструкции конкретной коробки передач часть шестерней на первичном и вторичном валах жестко закреплены на них, а часть свободно вращаются. Также на каждом валу расположен минимум один синхронизатор. Шестерни первичного и вторичного валов находятся в постоянном зацеплении друг с другом. Понять, какие из них зафиксированы, а какие вращаются, очень просто: шестерни возле синхронизаторов всегда вращаются на валу.

Шестерня главной передачи жестко закреплена на ведомом валу. Крутящий момент от вторичного вала к колесам транспортного средства передают главная передача и дифференциал. Последний обеспечивает вращение колес с разной угловой скоростью.

Механизм выбора передач в двухвальной КПП расположен в корпусе коробки и состоит из вилок и штоков, перемещающих муфты синхронизаторов. Механизм оснащен защитой от одновременного включения двух передач.

Принцип работы двухвальной трансмиссии следующий:

В нейтральном положении рычага переключения передач крутящий момента от двигателя не передается на ведущие колеса, шестерни на валах свободно прокручиваются.
При перемещении рычага водитель перемещает муфту синхронизатора соответствующей вилкой через систему тросиков или тяг.
Муфта синхронизирует угловые скорости соответствующей шестерни и вала, на котором расположен синхронизатор.
Муфта синхронизатора входит в зацепление с шестерней и крутящий момент начинает передаваться с первичного вала на вторичныый.
Происходит передача крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.

Для движения задним ходом используется дополнительный вал с промежуточной шестерней заднего хода.

Схемы передачи крутящего момента на каждой из передач:

Нейтральное положение

1-я передача

2-я передача

3-я передача

4-я передача

5-я передача

Задний ход

Трехвальная КПП: устройство и принцип работы

Отличие трехвальной механики от двухвальной в том, что здесь используются три вида валов. Помимо ведомого и ведущего также применяется промежуточный вал.

Первичный вал, соединенный со сцеплением, передает крутящий момент на промежуточный. Передача происходит через соответствующую шестерню — таким образом, валы находятся в постоянном зацеплении.

Устройство трехвальной МКПП

Промежуточный вал расположен параллельно первичному, все шестерни на нем жестко зафиксированы.

На одной оси с первичным расположен вторичный вал. За это отвечает упорный подшипник на ведущем валу, в который входит вторичный вал. При этом шестерни ведомого вала могут свободно вращаться и не имеют жесткой фиксации с валом. Шестерни вторичного вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями промежуточного вала. Следовательно, в нейтральном положении КПП крутящий момент от первичного вала передается на промежуточный и далее на шестерни вторичного вала. Но поскольку они свободно вращаются на валу, автомобиль не двигается.

Между шестернями вторичного вала находятся синхронизаторы, работа которых заключается в выравнивании угловых скоростей шестерен вторичного вала с угловой скоростью самого вала за счет сил трения.

Синхронизаторы жестко закреплены на вале и за счет шлицевого соединения могут двигаться по нему в осевом направлении.

В отличие от двухвальной КПП, механизм переключения в трехвальной трансмиссии располагается на корпусе коробки и состоит из рычага управления и штоков с вилками. Механизм также оснащен блокирующим устройством для предотвращения одновременного включения двух передач.

Он может также иметь и дистанционное управление. При этом дистанционный механизм переключения обеспечивает кулиса или шарнирные тросы.

Принцип включения передач в трехвальной КПП аналогичен принципу работы двухвальной трансмиссии.

Вывод

Современные автомобили — это достаточно сложные механизмы, где преобладает большое количество элементов, про работу и устройство которых должен знать каждый автомобилист (хотя бы базовые знания). Если владеть этой информацией, то можно исключить вероятность попадания в сложную ситуацию, когда обратиться за помощью будет попросту не к кому, и некуда. Разумеется, освоить все моменты относительно передаточного отношения передачи автолюбитель не сможет. Однако, ключевые аспекты выделять для себя следует, чтобы впоследствии была возможность максимально использовать ресурс своего авто, не доводя при этом конструктивные элементы до перегрузок и последующего выхода из строя.