Влияние числа передач в коробке передач на скорость автомобиля
Для выявления влияния числа передач в коробке передач на скорость движения автомобиля в различных дорожных условиях сравним динамические характеристики одного и того же автомобиля при установке на него трехступенчатой (рис. 2а) и четырехступенчатой (рис. 2б) коробок передач. При этом первые и последние передачи данных коробок передач имеют равные передаточные числа, а динамические факторы автомобиля по тяге на первой и последней передачах обеих коробок одинаковы.
При сравнении максимальной скорости автомобиля на дорогах с различным сопротивлением очевидно преимущество четырехступенчатой коробки передач. Так, на дороге, характеризуемой коэффициентом сопротивления ψ1, максимальная скорость v’max автомобиля с трехступенчатой коробкой передач меньше максимальной скорости, развиваемой при использовании четырехступенчатой коробки. Максимальная скорость v’’max при движении по дороге с коэффициентом сопротивления, равным ψ2, также меньше у автомобиля с трехступенчатой коробкой передач. Следовательно, увеличение числа передач в коробке приводит к возрастанию средней скорости движения автомобиля. Чем больше число передач, тем полнее используется мощность двигателя в различных дорожных условиях, улучшаются тяговые свойства и повышается топливная экономичность автомобиля.
Однако при очень большом числе передач усложняется конструкция и увеличивается масса коробки передач, а также затрудняется управление автомобилем. В связи с этим на легковых автомобилях обычно применяют четырех- и пятиступенчатые коробки передач, а на грузовых автомобилях и автобусах – пяти- и шестиступенчатые. На грузовых автомобилях, предназначенных для работы в составе автопоездов, увеличение числа передач основной коробки в два раза и более достигается применением дополнительных коробок передач.
Рис. 2. Динамические характеристики автомобиля с трехступенчатой (а) и четырехступенчатой (б) коробками передач:
I-IV – передачи; v’max, v’’max – максимальные значения скорости движения при коэффициентах сопротивления дороги соответственно ψ1 и ψ2
5. Последовательность проектировочного
тягового расчета автомобиля
При выполнении тягового расчета проектируемого вновь автомобиля приходится иметь дело с тремя группами параметров. Это параметры, задаваемые техническими условиями на автомобиль, выбираемые и расчетные параметры автомобиля. Рассмотрим указанные параметры.
Параметры, задаваемые техническими условиями. К этим параметрам относятся тип автомобиля, грузоподъемность или пассажировместимость, максимальная скорость vmax автомобиля на высшей передаче, коэффициент сопротивления дороги ψv, которое может преодолеть автомобиль при максимальной скорости, максимальный коэффициент сопротивления дороги ψmax, преодолеваемого автомобилем на первой передаче, тип двигателя по используемому топливу (бензиновый, газовый, дизель) и тип трансмиссии (механическая, гидромеханическая и т.д.).
Для легковых автомобилей коэффициент сопротивления дороги ψv задают равным коэффициенту сопротивления качению fv при максимальной скорости автомобиля, т. е. максимальную скорость автомобиль может развить только на ровной горизонтальной дороге.
Для грузовых автомобилей коэффициент задают в виде диапазона значений (0,025...0,035), т.е. с некоторым запасом для достижения устойчивой максимальной скорости. Благодаря этому грузовой автомобиль сможет при максимальной скорости преодолевать небольшие подъемы, буксируя прицепы.
Максимальный коэффициент сопротивления дороги, преодолеваемого на первой передаче, для автомобилей с колесной формулой 4x2 обычно составляет 0,3...0,45 – для легковых автомобилей, 0,3...0,4 – для грузовых и 0,28...0,33 – для автобусов. Для грузовых автомобилей с колесной формулой 6x4 ψmax=0,4...0,55, а для полноприводных ψmax=0,6...0,7.
Выбираемые параметры. Этими параметрами являются масса снаряженного автомобиля m0 0, фактор обтекаемости автомобиля kвFа (или коэффициент сопротивления воздуха kв и лобовая площадь автомобиля Fа), распределение нагрузки по осям снаряженного и полностью груженого автомобиля, угловая скорость коленчатого вала ωN при максимальной мощности двигателя и механический КПД трансмиссии ηтр автомобиля. Значения указанных параметров выбирают по техническим характеристикам существующих автомобилей аналогичного типа.
Расчетные параметры. К этим параметрам относятся максимальная мощность двигателя Nmax , передаточное число главной передачи uг, передаточные числа основной коробки передач uк и передаточное число дополнительной (раздаточной) коробки передач uд.
Используя выбранные значения параметров и значения, заданные техническими условиями, при проектировании автомобиля сначала определяют его полную массу и подбирают шины, а затем находят максимальную мощность двигателя и передаточные числа трансмиссии – главной передачи, коробки передач и раздаточной коробки.
Определение полной массы автомобиля. Полная масса проектируемого автомобиля mа, кг, определяется в соответствии с его типом и назначением. С этой целью можно пользоваться следующими выражениями:
для легковых автомобилей
mа=m0+70nпасс+mб,
где m0 – масса снаряженного автомобиля, кг; 70 – масса одного пассажира, кг; nпасс – число пассажиров, включая водителя; mб – масса багажа (25...50 кг);
для грузовых автомобилей
mа=m0+70nпасс+mгр,
где nпасс – число пассажиров в кабине, включая водителя; mгр – грузоподъемность автомобиля, кг;
для городских автобусов
mа=m0+70(nсид+nст+2),
где nсид – число мест для проезда сидя; nст – число мест для проезда стоя; 2 – число мест для водителя и кондуктора;
для междугородных автобусов
mа=m0+70(nсид+1),
где nсид+1 – число мест для проезда сидя, включая место водителя.
Подбор шин для автомобиля. При подборе шин сначала необходимо определить нагрузку, приходящуюся на одно колесо полностью груженого автомобиля.
У легковых автомобилей нагрузка на передние и задние колеса при полной нагрузке автомобиля почти одинакова.
У грузовых автомобилей с колесной формулой 4x2 при двухскатных задних колесах и полной нагрузке на передние колеса приходится 25...30 % всей нагрузки автомобиля. Хотя на задние двухскатные колеса устанавливают четыре шины, на каждую из них приходится большая нагрузка, чем на шину переднего колеса. Поэтому шины для грузового автомобиля подбирают исходя из нагрузки на одно заднее колесо. По значению этой нагрузки в соответствии с ГОСТом определяют размер шин и радиус колеса rк.
Определение передаточного числа главной передачи. Передаточное число главной передачи находят исходя из максимальной скорости автомобиля на высшей передаче, заданной техническими условиями на проектируемый автомобиль.
Значение передаточного числа главной передачи определяют по формуле
где vmax – максимальная скорость автомобиля, км/ч; ωmax – максимальная угловая скорость коленчатого вала, рад/с; rк – радиус колеса, м; uк – передаточное число коробки передач на высшей передаче; uд – передаточное число дополнительной коробки передач на высшей передаче (uд=1).
Полагают, что передаточные числа коробки передач на высшей передаче имеют следующие значения: uк=1,0 – для прямой передачи и uк=0,9...1,0 – для повышающей передачи легковых автомобилей; uк=1,0 – для грузовых автомобилей с числом передач не более шести; uк=0,7...0,8 – для многоступенчатых коробок передач грузовых автомобилей.
Найденное расчетным путем передаточное число главной передачи uг должно иметь следующие значения: не более 5,0 – у легковых автомобилей; не более 7,0 – у грузовых автомобилей грузоподъемностью до 8 т; не более 8,0 – у грузовых автомобилей грузоподъемностью свыше 8 т.
Расчетное значение передаточного числа главной передачи необходимо сравнить с существующими передаточными числами главных передач автомобилей аналогичного типа и назначения. В том случае, если у новой модели автомобиля проектируется ведущий мост, то это значение передаточного числа уточняют с учетом числа зубьев шестерен главной передачи.
Выше был рассмотрен вариант определения передаточного числа главной передачи по заданной максимальной скорости автомобиля. Однако иногда задают не максимальную скорость автомобиля, а мощность двигателя при максимальной скорости движения, которая определяется из выражения
где kвFа – фактор обтекаемости автомобиля, 
(или коэффициент сопротивления воздуха kв и лобовая площадь автомобиля Fа); vmax – максимальная скорость автомобиля, м/с; ψv – коэффициент сопротивления дороги при vmax; ηтр – КПД трансмиссии.
После определения мощности двигателя при максимальной скорости рассчитывают его максимальную мощность по формуле
Где а, b, с – эмпирические коэффициенты, характеризующие тип двигателя; a=b=с=1 – для бензиновых двигателей; а=0.53, b=1.56, с=1,09 – для дизелей; 
– для бензиновых двигателей без ограничителя угловой скорости коленчатого вала; 
– для бензиновых двигателей с ограничителем угловой скорости коленчатого вала; 
= 1,0 – для дизелей.
С учетом найденной максимальной мощности двигателя и выбранной угловой скорости коленчатого вала 
при максимальной мощности рассчитывают и строят внешнюю скоростную характеристику двигателя.
Определение передаточных чисел коробки передач. При определении передаточных чисел коробки передач нужно помнить о том, что I передача предназначена для преодоления максимального сопротивления дороги. Промежуточные передачи коробки передач используются при разгоне автомобиля, преодолении повышенного сопротивления движению, работе автомобиля в условиях, не позволяющих двигаться с высокой скоростью (гололед, выбитая дорога, задержка впереди идущим транспортом и т.д.), а также при торможении двигателем на затяжных пологих спусках.
При расчете передаточных чисел сначала находят передаточное число I передачи по заданному техническими условиями максимальному коэффициенту сопротивления дороги ψmax или максимальному динамическому фактору автомобиля по тяге Dmax на I передаче.
Это передаточное число определяют с помощью выражения, полученного из формулы для динамического фактора, пренебрегая силой сопротивления воздуха, так как она незначительна при небольших скоростях движения:
,
где Gа – сила тяжести автомобиля с полной нагрузкой, Н; Mmax – максимальный крутящий момент двигателя, Н•м.
Полученное передаточное число I передачи коробки передач не гарантирует отсутствия буксования ведущих колес автомобиля. Чтобы не было буксования ведущих колес при движении на I передаче, необходимо выполнение следующего неравенства:
,
где Dсц – динамический фактор автомобиля по сцеплению; mp2=1,20...1,35 – коэффициент изменения реакций на задних ведущих колесах; Gа2 – сила тяжести автомобиля с полной нагрузкой, приходящаяся на задние ведущие колеса, Н; φх=0,6...0,8 – коэффициент сцепления колес с дорогой.
Из этого соотношения определяют новое передаточное число I передачи, при котором буксования ведущих колес не будет:
.
После проверки передаточного числа I передачи на отсутствие буксования ведущих колес автомобиля из двух найденных передаточных чисел I передачи коробки передач для дальнейших расчетов выбирают меньшее.
По этому значению передаточного числа I передачи и известному значению передаточного числа высшей передачи определяют передаточные числа промежуточных передач.
Если высшая передача прямая (uп=1), то для расчета передаточных чисел промежуточных передач используют следующее выражение
где n' – число передач, не считая повышающую передачу и передачу заднего хода; k – номер передачи.
Если высшая передача повышающая (uк<1), то значение ее передаточного числа выбирают в соответствии с типом автомобиля, а остальные передаточные числа промежуточных передач рассчитывают с помощью приведенного выше выражения.
Передаточное число передачи заднего хода
.
Окончательное значение передаточного числа передачи заднего хода определяют при компоновке коробки передач.
Рассчитанные передаточные числа коробки передач являются ориентировочными и при проектировании новой коробки передач могут незначительно изменяться.
Определение передаточного числа дополнительной коробки передач. Для дополнительной коробки передач определяют передаточное число понижающей передачи, зависящее от ее назначения и типа.
Демультипликатор обычно применяют на тяжелых грузовых трехосных автомобилях с неведущим передним мостом. Такие автомобили изготавливают главным образом на основе агрегатов двухосных базовых автомобилей.
Однако по условиям эксплуатации требуется больше передач в| трансмиссии с увеличенными передаточными числами по сравнению с тем, что может обеспечить коробка передач базового автомобиля. Поэтому применение демультипликатора позволяет увеличить передаточные числа коробки передач и в 2 раза – количество передач.
Передаточное число понижающей передачи демультипликатора определяют по формуле
,
где ψmax=0,4...0,55 – максимальный коэффициент преодолеваемого сопротивления дороги.
Полученное передаточное число понижающей передачи демультипликатора проверяют на отсутствие буксования ведущих колес так же, как и передаточное число 1 передачи коробки передач. Из двух найденных передаточных чисел выбирают меньшее.
Раздаточная коробка используется в трансмиссии полноприводных автомобилей. Она не только распределяет мощность и крутящий момент между ведущими мостами, но и выполняет функции демультипликатора, т. е. увеличивает числа и количество передач в трансмиссии.
Передаточное число понижающей передачи раздаточной коробки может быть определено по формуле
где ψmax=0,6…0,7.
Его можно также рассчитать исходя из условий отсутствия буксования ведущих колес
где φх – 0,6…0,8.
Выбранное передаточное число понижающей передачи раздаточной коробки передач проверяют по значению обеспечиваемой им минимальной скорости движения автомобиля
где ωmin – минимальная устойчивая угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя.
Минимальная скорость автомобиля при выбранном передаточном числе раздаточной коробки передач должна составлять 1,5...2,5 км/ч.
Если найденная минимальная скорость автомобиля превышает рекомендуемое предельное значение, то передаточное число понижающей передачи раздаточной коробки передач уточняют, пользуясь выражением
.
На основании данных, полученных при проектировочном тяговом расчете автомобиля, строят графики силового и мощностного балансов, динамической характеристики, ускорений, времени и пути разгона. При этом используются уравнения для показателей тягово-скоростных свойств автомобиля.