Выбор числа передач. Существует мнение, что идеальным типом коробки передач для автомобилей являются коробки с бесконечным числом ступеней, чтобы передаточное отношение могло плавно изменяться в широких пределах, так как в этом случае двигатель может все время работать на наивыгоднейшем режиме в отношении как расхода топлива, так и износа деталей. Однако обычная шестеренчатая коробка передач позволяет осуществить лишь сравнительно небольшое число передач, так как в противном случае она превратилась бы в слишком дорогой и громоздкий механизм. Наивыгоднейшее число ступеней коробки передач зависит от ее назначения и для каждой области применения должно определяться отдельно.

На легковых автомобилях в прошлом применялись лишь двухступенчатые коробки передач; однако в настоящее время такое число передач совершенно недостаточно, так как современные автомобили рассчитаны на широкий диапазон скоростей, начиная от скорости пешехода и до скорости 130 км/час и более.

Минимальным числом передач для обычного легкового автомобиля является три, и трехступенчатые коробки применялись на подавляющем большинстве легковых автомобилей, производившихся в тридцатых годах.

Бесспорно двигатель работает в лучших условиях с четырехступенчатой коробкой передач, так как в этом случае передаточное отношение от двигателя к ведущим колесам (на высшей передаче в коробке) может быть принято меньшим, чем с трехступенчатой коробкой, в результате чего коленчатый вал двигателя будет делать меньше оборотов на единицу пройденного автомобилем йути и соответственно будет меньше расход топлива и износ деталей. В начале тридцатых годов ряд легковых автомобилей выпускался с четырехступенчатыми коробками передач; однако владельцы автомобилей отрицательно отнеслись к необходимости производить большое количество переключений, вызванное применением этих коробок. Позже была разработана автоматическая ускоряющая передача, представляющая собой в сущности двухступенчатую коробку передач, переключение которой происходит автоматически. Ускоряющая передача применялась совместно с обычной трехступенчатой коробкой передач; в результате получалась четырехступенчатая, частично автоматизированная коробка передач.

То, что коробки с тремя передачами переднего хода вполне удовлетворяют большинство водителей американских легковых автомобилей, объясняется применением весьма мощных (по отношению к размерам и весу автомобилей) двигателей. В Европе, где автомобили выпускаются со сравнительно маломощными двигателями вследствие особенностей налоговой политики (взимание налога с рабочего объема двигателя), большинство автомобилей имеет четырехступенчатые коробки передач. Оптимальное число передач зависит от разности высшего и низшего передаточных отношений. Чем больше величина ступеней между передачами, тем труднее производить переключение как в случае применения скользящих шестерен, так и шестерен, находящихся в постоянном зацеплении и включаемых посредством кулачковых муфт или подобных им устройств.

Передаточное отношение, равное 2, является предельным для одной ступени и часто применяется в грузовых автомобилях, но в отношении легкости переключения предпочтительнее применять передаточное отношение 1,5. Раньше на легковых автомобилях часто применялись коробки передач, в которых передаточные отношения двух последовательных передач относились как 1,8: 1. При этом, если высшей передачей была прямая, т. е. ее передаточное отношение составляло 1, то передаточное отношение второй передачи было равно 1,8, а первой передачи 3,24 (т. е. 1,8 X 1,8).

Такие передаточные отношения образуют геометрическую прогрессию, дающую преимущества при работе.

В большинстве автомобильных коробок передач ряд передаточных отношений очень близок к геометрической прогрессии.

Небольшое отклонение от геометрической прогрессии наблюдается главным образом в области высших передач; причина этого отклонения будет рассмотрена ниже. При подборе чисел зубьев шестерен встречаются определенные ограничения, вследствие чего не всегда можно получить точное соответствие значений передаточных отношений членам геометрической прогрессии, хотя это и желательно.

Преимущества геометрического ряда передаточных отношений

Преимущества ряда передаточных отношений, образующего геометрическую прогрессию, могут быть пояснены с помощью диаграммы. Представленная диаграмма относится к четырехступенчатой коробке передач грузового автомобиля, главная передача которого подобрана так, что автомобиль развивает скорость 77 км/час при 2800 об/мин коленчатого вала двигателя. Передаточные отношения коробки передач составляют 6,64—3,53—1,86 и 1.

Рис. 1. Диаграмма разгона автомобиля с переключением передач.

Автомобиль может разгоняться на первой передаче до скорости 10 км/час, что соответствует 2400 об/мин коленчатого вала двигателя. Это показано на диаграмме первой наклонной линией слева. Для дальнейшего разгона автомобиля водитель включает вторую передачу, при этом скорость вращения коленчатого вала двигателя снижается. Если бы двигатель был жестко связан с ведущими колесами, скорость вращения коленчатого вала должна была бы снизиться в 1,88 раза, но этого не происходит, так как автомобиль разгоняется некоторое время на .второй передаче с буксованием сцепления.К моменту окончательного включения сцепления автомобиль будет двигаться со скоростью несколько большей, чем та скорость, которая была достигнута на первой передаче. На диаграмме этот период разгона показан наклонной пунктирной линией, соединяющей линии разгона автомобиля на первой и второй передачах. Действительная скорость автомобиля в момент окончательного включения сцепления не будет постоянной величиной, поскольку она зависит от того, как быстро водитель отпускает педаль сцепления.

На второй передаче разгон автомобиля происходит до тех пор, пока скорость вращения коленчатого вала не достигнет 2400 об/мин, после чего производится переключение на третью передачу со снижением скорости вращения коленчатого вала приблизительно до 1300 об/мин. Далее, когда скорость вращения на третьей передаче Достигает 2400 об/мин, производится переключение на четвертую передачу со снижением скорости вращения коленчатого вала до прежнего значения и совершается разгон до желаемой скорости.

Таким образом, весь процесс разгона автомобиля состоит из серии последовательных ускорений и замедлений вращения коленчатого вала, и, если передаточные отношения составляют геометрическую прогрессию, двигатель на каждой из передач будет работать в одинаковом диапазоне скоростей вращения коленчатого вала. Не рекомендуется эти скорости доводить при разгонах до слишком высоких значений, так как это может вызвать повреждение двигателя. Также нежелательно чрезмерное снижение скорости вращения коленчатого вала, поскольку при этом двигатель работает неравномерно, что тоже может оказаться вредным для него.

При разгоне автомобиля в одном и том же диапазоне скоростей вращения коленчатого вала на всех передачах условия работы двигателя будут наилучшими, если не учитывать того, что крутящий момент двигателя на высшей передаче используется больше, чем на любой из низших, и что на высшей передаче, когда число об/мин будет слишком мало, возможна жесткая работа двигателя. Это является одной из причин того, что в практике конструирования коробок передач ступень между высшей и предыдущей передачами обычно делают меньше, чем между остальными передачами. Другая причина заключается в том, что переключение с одной передачи на другую производить тем легче, чем меньше разность передаточных отношений этих передач, а так как при езде по дорогам с интенсивным движением наиболее часто приходиться производить переключение с высшей передачи на ближайшую .с ней и обратно, то и ступень между этими передачами делается меньше

Передаточные отношения трехступенчатой коробки передач легкового автомобиля. В отношении легковых автомобилей, выпускаемых для американского рынка, установлено, что для обеспечения приемистости на высшей передаче объем, описываемый поршнями цилиндров двигателя, должен составлять 2245 см3 на 1 т полного веса и на 1 ж пути2. Полный вес берется как сумма сухого веса автомобиля плюс 227 кг на заправку и пассажиров.

Для того чтобы автомобиль’ мог преодолевать подъемы с полной нагрузкой, объем, описываемый поршнями на первой передаче, должен составлять 5920 см3 на 1 т веса и 1 м пути. Если принять, что двигатель развивает наибольшее среднее эффективное давление 8,45 кг/см2, то работа на 5920 см3 объема, описываемого поршнями, и 1 м пути под этим давлением будет равна 500 кгм. Поскольку эта работа совершается при прохождении автомобилем пути 1 м, то развиваемая тяговая сила будет, очевидно, равна 500 кг. Но при этом около 10% работы теряется в трансмиссии, что снижает тяговую силу на колесах до 450 кг. На дороге с твердым покрытием сопротивление качению составляет около 15 кг на 1 г*, и после вычитания этой величины тяговая сила составит около 435 кг, которая и может быть использована на преодоление подъемов или на ускорение автомобиля. Эта сила — 435 кг приходится на каждую тонну полного веса. Величина ее достаточна для преодоления подъема 43,5% на первой передаче. На третьей передаче будет достаточной тяговая сила, позволяющая преодолевать подъем в 15% или сообщать автомобилю на горизонтальной дороге ускорение, равное около 1,5 ж/се/с2.

Поскольку на первой передаче, описываемой поршнями, объем должен быть равным 5920 см3, а на третьей передаче — 2245 см3 на тонна-метр, то передаточное отношение первой передачи должно быть равным 5920 : 2245 = 2,63. Если передаточные отношения должны следовать геометрической прогрессии, то переда-точное отношение второй передачи будет равно Y 2,63= 1,62. Практически это передаточное отношение, как правило, делают приблизительно на 5% меньшим с тем, чтобы облегчить переключение и повысить скорость на второй передаче. Таким обарзом, передаточное число второй передачи может быть принято равным 1,54.

Передаточные отношения коробки передач грузового автомобиля.

У грузовых автомобилей описываемый поршнями объем на тонна-метр на высшей передаче (для полного веса автомобиля с максимальной расчетной нагрузкой) составляет лишь около ‘/з этой величины для современных легковых автомобилей. Это значит, что такие грузовые автомобили при полной нагрузке должны переходить с высшей передачи на следующую при преодолении даже сравнительно небольших подъемов, а их возможное ускорение на высшей передаче очень ограничено. В среднем описываемый поршнями объем для автомобилей с полной нагрузкой на высшей передаче составляет около 787 см3 на тонна-метр. На первой передаче автомобиля с полной нагрузкой эта величина должна составлять от 4150 до 5920 см3 на тонна-метр. Следовательно, передаточное число первой передачи должно лежать в пределах от 5 до 8.

Некоторые грузовые автомобили оборудуются задними мостами с двухступенчатыми редукторами, имеющими две передачи, включаемые по желанию, а так как каждая из них может комбинироваться с каждой передачей коробки, то общее количество передач между двигателями и .ведущими колесами становится равным Удвоенному числу передач коробки. Грузовые автомобили наиболее легких типов обычно снабжаются трехступенчатой коробкой передач, подобной по конструкции коробке легковых автомобилей. Грузовые автомобили с полным весом 3630 кг и более обычно Имеют четырехступенчатую коробку передач.

Грузовые автомобили с полным весом 7260 кг и более имеют пятиступенчатые коробки, а на некоторых наиболее тяжелых автомобилях со всеми ведущими осями ставятся коробки с восемью и даже двенадцатью передачами.

Как уже указывалось, передаточные отношения коробок грузовых автомобилей обычно выбираются так, что они образуют геометрическую прогрессию; однако ступень между высшей и соседней передачей несколько меньше ступеней между другими передачами. Типичная коробка передач грузового автомобиля с четвертой прямой передачами имеет передаточное отношение первой передачи, равное 6,64. Если бы передаточные отношения точно следовали геометрической прогрессии, они имели бы значения: 1; 1,88; 1,882; 1,883, т. е. 1; 1,88; 3,53; 6,64.

В действительности передаточные отношения таковы: 1—1,76— 3,50—6,64. Как видно, они близки к геометрическому ряду, за исключением третьей передачи, передаточное отношение которой примерно на 6% меньше соответствующего члена прогрессии.

Некоторые четырехступенчатые коробки передач грузовых автомобилей имеют третью прямую передачу, а четвертую — ускоряющую. Типичная коробка такого рода имеет следующие передаточные отношения: 0,75; 1,00; 1,90; 3,75.

Если взять за основу педедаточные отношения прямой и первой передачи, то, для того чтобы образовать геометрическую прогрессию, передаточное отношение второй передачи должно быть равным 1,94, а ускоряющей передачи — 0,52. В приведенном примере передаточные отношения приблизительно соответствуют членам прогрессии, за исключением ускоряющей передачи, которая намного ближе к третьей передаче. Передаточное число ускоряющей передачи меньше 0,7 применяется редко, потому что при быстроходном двигателе это может привести к слишком высокой скорости вращения карданного вала и склонности к возникновению его вибрации.

Типичный ряд передаточных чисел пятиступенчатой коробки передач грузового автомобиля следующий: 8,04: 4,63; 2,74; 1,59, 1,0. Здесь также единственно существенное отличие от геометрического ряда заключается в том, что ступень между пятой и четвертой передачами уменьшена.

Городские автобусы почти всегда оборудуются трехступенчатой коробкой передач с передаточным отношением первой передачи, в среднем равным 3,82.

На междугородных автобусах встречаются трех-, четырех- и даже пятиступенчатые коробки с передаточным числом первой передачи, в среднем равным 3,42 у трехступенчатых коробок и 4,9 у четырехступенчатых.

Диаграмма мощность — скорость. Динамика легкового автомобиля на различных передачах может изучаться с помощью диаграммы, подобной той, которая приведена на рис. 2. Приведенная диаграмма относится к легковому автомобилю весом при полной заправке и средней пассажирской нагрузке 1820 кг с двигателем рабочим объемом 3,94 л, развивающим максимальную мощность 104 л. с. при 3400 об/мин. Передаточное отношение главной передачи имеет такую величину, что на прямой передаче коленчатый вал двигателя делает 2000 оборотов на 1 км.

Рис. 2. Диаграмма мощность—скорость для легкового автомобиля.

Коробка передач имеет три передачи переднего хода с передаточными отношениями 2,67; 1,67; 1 и ускоряющую передачу с передаточным отношением 0,72. Можно принять, что 15% мощности, которую двигатель развивает на тормозном стегде, теряется в трансмиссии, т. е. на ведущие колеса передается 85% максимальной тормозной мощности двигателя при любой скорости вращения коленчатого вала двигателя. На рис. 2 кривые, обозначенные I, II, III, представляют собой мощность :на ведущих колесах соответственно на первой, второй и третьей передачах. Ряд кривых, обращенных выпуклостью к оси абсцисс, показывает мощность, потребную для движения автомобиля с различной скоростью на горизонтальной дороге и на подъемах до 20%- Эти кривые получены расчетным путем, исходя из коэффициента сопротивления качению 0,015, лобовой площади автомобиля 2,6 м2 и коэффициента сопротивления воздуха 0,042, соответствующего хорошо обтекаемым формам кузова. При принятых величинах Мощность, потребная для движения автомобиля на горизонтальной Дороге с твердым покрытием, в зависимости от скорости выражается формулой да следует, что та мощность, которая расходуется для преодоления силы тяжести автомобиля на подъеме в 1%, должна сообщить-ему ускорение в 9,8: 100 = 0,098 м/сек2 на горизонтальной дороге.

Однако при разгоне автомобиля увеличивается не только его линейная скорость, но и угловая скорость всех его вращающихся частей, и это требует добавочной затраты мощности. Другими словами, заданная сила, приложенная на колесах, сообщает автомобилю меньшее ускорение, чем если бы требовалось развить только линейную или поступательную скорость, у среднего легкового автомобиля сила, необходимая для углового ускорения вращающихся частей составляет 5% общей силы, требующейся для разгона на третьей передаче. На низших передачах это отношение больше вследствие того, что коленчатый вал двигателя вращается быстрее при той же скорости автомобиля и составляет около 8% —на второй и 11%—на первой передачах. Поэтому мощность, расходуемая на преодоление силы тяжести на подъеме в 1%, при некоторой заданной скорости может сообщить автомобилю на горизонтальной дороге ускорение около 0,093 м/сек2 — на третьей, 0,09 м/сек2 — на второй и 0,87 м/сек2 — на первой передачах. Таким образом, в соответствии с рис. 2 на второй передаче при скорости 64 км/час автомобиль может преодолеть максимальный подъем около 17%. Следовательно, максимальное ускорение на второй передаче при той же скорости составляет 17 • 0,09 = = 1,53 м/сек2, или 5,45 км/час сек.