Передаточное число коробки передач: что нужно знать
В автомобиле коробка переключения передач — агрегат, который позволяет изменять крутящий момент, развиваемый двигателем внутреннего сгорания, перед передачей такого момента на ведущие колеса транспортного средства. Как известно, большинство коробок передач являются ступенчатыми, а в основе КПП лежит зубчатая передача.
Если просто, ступени фактически являются парами шестерен, которые имеют разное передаточное число (передаточное отношение). В этой статье мы рассмотрим, что такое передаточное число коробки передач, на что указывает и влияет данная характеристика.
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.
Изменение передаточного отношения КПП: тюнинг коробки передач
Как известно, наилучшие динамические показатели достигаются в диапазоне оборотов максимального крутящего момента, а не мощности. Фактически, при нижнем и верхнем значении частоты вращения коленчатого вала крутящий момент двигателя меньше максимального.
Получается, чем больше обороты будут отличаться от оборотов максимального крутящего момента, тем медленнее разгоняется автомобиль. В стандартных КПП передаточное отношение каждой ступени подобрано так, чтобы водителю было комфортно разгонять машину на низких передачах, после чего на повышенных можно поддерживать набранную скорость одновременно с экономией топлива.
Если же отбросить экономичность, тогда путем ряда доработок коробки можно улучшить динамику. Прежде всего, сужается диапазона частот, которые мотор развивает при езде на одной передаче. Фактически, передачи делаются более короткими, а также сближаются передаточные отношения передач, которые расположены рядом (сближенный ряд КПП).
На практике, мотор в этом случае быстро выходит на максимальные обороты на более низкой передаче, однако после переключения на ступень выше обороты не падают, например, 3500 об/мин. на 1800, а остаются на отметке около 2500. Фактически, после переключения «вверх» обороты все равно остаются в диапазоне максимального крутящего момента.
Для решения такой задачи можно использовать колеса с меньшим радиусом, а также требуется установить другую главную пару редуктора с измененным передаточным числом (например, 3.9 или 4.1 вместо 3.7). Начнем с использования «стоковых» деталей.
Как правило, если модель автомобиля выпускается с разными двигателями (например, моторы 1.2, 1.4 и 1.6 литра), тогда главную пару для КПП в паре с 1.6 литровым двигателем используют от той версии, мотор которой менее мощный (в данном случае двигатель 1.2 или 1.4).
В результате после установки главной пары 3.9 или 4.1 передаточное число на 5-й передаче будет почти таким же, как и на 4-й при главной паре 3.7. Также дополнительно понизит общее передаточное число трансмиссии использование шин меньшего радиуса. В результате динамика автомобиля станет лучше, однако будет потеряна экономичность 5-й передачи.
На высоких скоростях двигатель будет на 5-й раскручиваться до максимальных оборотов, что может доставлять дискомфорт водителю и пассажирам. По этой причине ряд передаточных чисел КПП нужно подбирать с учетом конкретных задач и целей, учитывая мощность мотора, вес автомобиля, а также предпочтения водителя.
Если делать более серьезные доработки, тогда можно собрать коробку передач с измененным набором шестерен. Естественно, это дорого, однако удается сблизить ряды на всех передачах, а не только 4 и 5.
Кстати, подбором передаточных чисел трансмиссии можно или улучшить разгонную динамику, или же повысить экономичность. При этом на практике во втором случае изменения в устройство КПП вносятся достаточно редко, так как штатно передаточное отношение зачастую подобрано достаточно удачно.
Также добавим, что стандартную 5-и ступенчатую коробку иногда переделывают в 6-и ступенчатую (особенно в паре с тюнингованным форсированным двигателем). Фактически, в КПП интегрируется комплект шестой передачи. Важно понимать, что помимо высокой стоимости такой доработки снижается общая надежность такой коробки.
Что в итоге
Как видно, передаточное число коробки передач оказывает серьезное влияние на динамические показатели и характеристики автомобиля. В рамках проектирования КПП инженеры отдельно учитывают мощность мотора, целевое назначение автомобиля и т.д., после чего подбираются передаточные числа для всего ряда передач.
Главная задача – обеспечить как приемлемую динамику разгона, так и добиться необходимых показателей топливной экономичности. В результате такая трансмиссия полностью подходит для штатной эксплуатации автомобиля. Если же владелец стремится улучшить динамические показатели, тогда кроме двигателя необходимо реализовать и тюнинг коробки передач.
Также бывает достаточно внести изменения только в трансмиссию, что уже само по себе дает заметные улучшения. В рамках тюнинга трансмиссии необходимо учитывать целесообразность тех или иных доработок, а также учитывать, в каких режимах будет эксплуатироваться конкретный автомобиль.
ПЕРЕДАТОЧНОЕ ЧИСЛО ГЛАВНЫХ ПЕРЕДАЧ РЕДУКТОРОВ ВАЗ
В редуктор заднего моста автомобилей ВАЗ заднеприводной компоновки можно установить любую главную передачу (пару) не зависимо от модели автомобиля. Исключение составляют лишь полноприводные модели ВАЗов («Нива» и её модификации). В отношении последних справедливо правило: при ремонте редуктора (переднего или заднего в отдельности), необходимо обеспечить совпадение передаточных чисел у главных передач обоих редукторов. Несоблюдение данного правила неминуемо приведет к поломке зубьев шестерен главной передачи у одного или обоих редукторов сразу же после начала движения.
В настоящее время в продажу поступают главные пары со следующими передаточными числами: 3,9; 4,1; 4,3. Чем больше передаточное число главной пары, тем, соответственно, больше мощность редуктора. Напротив, чем меньше передаточное число главной пары, тем редуктор является наиболее скоростным. Самыми лучшими мощностными характеристиками обладал редуктор автомобиля ВАЗ 2102, но вместе с уходом данной модели с конвейера канула в лету и главная пара с передаточным числом 4,44.
Если Вы только готовитесь к ремонту редуктора и перед Вами встала задача приобретения главной пары, но Вы не знаете, какая именно главная пара и с каким передаточным числом установлена в редукторе Вашего автомобиля, можно воспользоваться получением необходимых при покупке данных следующим способом (нижеописанную операцию лучше производить с помощником):
Вывешиваем одно заднее колесо автомобиля и устанавливаем его (автомобиль) на надежные подставки. Устанавливаем рычаг переключения передач в нейтральное положение и полностью отпускаем ручной тормоз, обеспечив, тем самым, свободное вращение колеса.
Вращаем поднятое колесо, считая при этом его обороты и обороты карданного вала. Для получения наиболее точных данных необходимо сделать 10 оборотов колеса.
Подсчитав обороты колеса и карданного вала, используя приведенную ниже таблицу, определяем передаточное число редуктора и, соответственно, модель главной пары. Если при ремонте в редуктор будет установлена не родная главная пара, с иным передаточным числом, то при движении изменятся показания спидометра (скорость и пройденный автомобилем путь).
главная пара кол-во зубьев на шестернях число оборотов карданного вала на 10 оборотов колеса передаточное число
на ведомой на ведущей
2102 40 9 22,2 4,44
2101 43 10 21,5 4,3
2103 41 10 20,5 4,1
2106 43 11 19,5 3,9
И последнее, что хотелось особо отметить завершая главу о главных передачах: гипоидное зацепление обладает большим продольным скольжением, что значительно ухудшает условия смазки при работе редуктора. Эти обстоятельства, в свою очередь, выдвигают соответственные требования к прочности создаваемой масляной пленки, а значит и более серьезному подходу при выборе той или иной марки трансмиссионного масла для заливки в редуктор. В настоящее время шестерни главных передач при их изготовлении подвергаются специальной химической обработке — фосфатированию. Это позволяет применять для эксплуатации менее вязкое масло, избежав при этом заедания, а, возможно и сваривания зубьев шестерен. Это особенно актуально в самый опасный период, когда происходит их взаимная притирка и приработка.
При массе своих достоинств гипоидные передачи (главные пары) требуют к себе особого внимания в отношении нагрева. Нормальная рабочая температура главной пары колеблется при работе редуктора в диапазоне 90-95 градусов. Разумеется, приведенный температурный диапазон характерен для среднестатистических режимов движения. При длительной поездке и, особенно, в жаркую погоду температура главной паредачи может существенно преодолеть барьер в 100 градусов.
Исходя из вышесказанного следует следующее правило: после проведения ремонта редуктора ВАЗ необходимо обязательно проследить за нагревом агрегата. Для этого, проехав со скоростью 60-70 км/ч в течение 20-30 мин. следует проверить нагрев редуктора в зоне горловины его картера, который, в свою очередь, не должен превышать 90-95 градусов. Нагрев редуктора проверяется как нагрев утюга: попавшая в зону проверки вода не должна кипеть.
8.4: Передаточное отношение
Передачи используются не только для передачи мощности, но также для обеспечения возможности настройки механического преимущества для механизма. Как обсуждалось во введении к данному блоку, в некоторых случаях электромотор сам по себе обладает достаточной мощностью для выполнения конкретной задачи, но выходные характеристики электромотора не соответствуют требованиям. Электромотор, который вращается ОЧЕНЬ быстро, но при очень малом крутящем моменте , не подходит для подъема тяжелого груза. В таких случаях возникает необходимость использования передаточного отношения для изменения выходных характеристик и создания баланса крутящего момента и скорости.
Представьте себе велосипед: велосипедист обладает ограниченной мощностью, и хочет обеспечить максимальное использование этой мощности в любой момент времени.
Путем изменения механического преимущества изменяется скорость движения. Мощность представляет собой количество проделанной работы в единицу времени. Чем больше количество работы. тем ниже скорость ее выполнения.
В примере 8.1 показано, что если на стороне входа рычаг сместится на 1 метр, на стороне выхода рычаг сместится на 4 метра. Разница пропорциональна соотношению между длинами рычагов.
Длина на выходе / Длина на входе = 8 / 2 = 4
Интересно то, что оба расстояния преодолеваются за одно и то же время. Давайте представим, что смещение рычага на входе на 1 метр происходит за 1 секунду, так что скорость движения на входе составляет 1 метр в секунду. В то же время, на выходе смещение на 4 метра также происходит за 1 секунду, так что скорость движения здесь составляет 8 метров в секунду. Скорость на выходе БОЛЬШЕ скорости на входе за счет соотношения между длинами рычагов.
В примере 8.2 представлена та же система, что и в примере 8.1, но теперь на вход действует сила, равная 4 ньютонам. Какова равнодействующая сила на выходе?
Прежде всего, необходимо рассчитать приложенный момент в центре вращения, вызванный входной силой, с помощью формул из Блока 7:
Крутящий момент = Сила х Расстояние от центра гравитации = 4 Н х 2 м = 8 Н-м
Далее, необходимо рассчитать равнодействующую силу на выходе:
Сила = Крутящий момент / Расстояние = 8 Н-м / 8 м = 1 ньютон
Глядя на эти два примера, мы видим, что если система смещается на 1 метр под действием входной силы, равной 4 ньютона, то на выходе она сместится на 4 метра под действием силы, равной 1 ньютон. При меньшей силе рычаг смещается быстрее!
Мы можем видеть, как механическое преимущество (выраженное в форме рычагов) может быть использовано для управления входной силой в целях получения требуемого выхода. Передачи работают по тому же принципу.
Цилиндрическая прямозубая шестерня по сути представляет собой серию рычагов. Чем больше диаметр шестерни, тем длиннее рычаг.
Как видно из примера 8.3, результатом крутящего момента, приложенного к первой шестерне, является линейная сила, возникающая на кончиках ее зубьев. Эта же сила воздействует на кончики зубьев шестерни, с которой зацепляется первая шестерня, заставляя вторую вращаться по действием крутящего момента. Диаметры шестерен становятся длиной рычагов, при этом изменение крутящего момента равносильно соотношению диаметров. Если малые шестерни приводят в движение больше шестерни, крутящий момент увеличивается. Если большие шестерни приводят в движение малые шестерни, крутящий момент уменьшается.
В примере 8.4, если входная 36-зубая шестерня поворачивается на расстояние одного зуба (d = ширина 1 зуба), это означает, что она поворачивается на 1/36-ю своего полного оборота (а1 = 360 / 36 = 10 градусов). Поворачиваясь, она приводит в движение 60-зубую шестерню, заставляя последнюю смещаться также на 1 зуб. Тем не менее, для 60-зубой шестерни это означает смещение всего лишь на 1/60-ю полного оборота (а2 = 360 / 60 = 6 градусов).
Когда малая шестерня проходит определенное расстояние в заданный интервал времени, большая шестерня при этом проходить меньшее расстояние. Это означает, что большая шестерня вращается медленнее малой. Этот принцип работает в обоих направлениях. Если малые шестерни приводят в движение больше шестерни, скорость понижается. Если большие шестерни приводят в движение малые шестерни, скорость повышается.
Из примеров 8.1 — 8.4 видно, что отношение между размерами двух зацепляющихся между собой шестерен пропорционально изменению крутящего момента и скорости между ними. Это называется передаточным числом.
Как обсуждалось выше, количество зубьев шестерни прямо пропорционально ее диаметру, поэтому для расчета передаточного отношения вместо диаметра можно просто считать зубья.
Передаточное отношение выражается как (зубья ведущей шестерни) : (зубья ведомой шестерни), поэтому представленная выше пара шестерен может быть описана как 12:60 (или 36 к 60).
Передаточное число рассчитывается по формуле (зубья ведомой шестерни) / (зубья ведущей шестерни)
Поэтому передаточное число = зубья ведомой шестерни / зубья ведущей шестерни = 60/36 = 1,67
Как обсуждалось выше, передаточное отношение выражается как (зубья ведущей шестерни) : (зубья ведомой шестерни), так что пара шестерен, представленная выше, может быть выражена как 12:60 (или 12 к 60).
Передаточное число рассчитывается по формуле (зубья ведомой шестерни) / (зубья ведущей шестерни)
Поэтому передаточное число = Зубья ведомой шестерни / Зубья ведущей шестерни = 60/12 = 5
Глядя на пример, представленный выше.
Предельный перегрузочный момент второго вала может быть рассчитан по формуле:
Выходной момент = Входной момент х Передаточное число
Выходной момент = 1,5 Н-м х 5 = 7,5 Н-м
Свободная скорость второго вала может быть рассчитана по формуле:
Выходная скорость = Входная скорость / Передаточное число = 100 об/мин / 5 = 20 об/мин
Второй вал, таким образом, вращается со свободной скоростью 20 об/мин, при этом предельный перегрузочный момент равен 7,5 Н-м. При понижении скорости крутящий момент увеличивается.
Для второго примера расчеты могут быть произведены тем же способом.
Передаточное число = Зубья ведомой шестерни / Зубья ведущей шестерни = 12/60 = 0,2
Выходной момент = Входной момент х Передаточное число = 1,5 Н-м х 0,2 = 0,3 Н-м
Выходная скорость = Входная скорость / Передаточное число = 100 об/мин / 0,2 = 500 об/мин
Второй вал, таким образом, вращается со свободной скоростью 500 об/мин, при этом предельный перегрузочный момент равен 0,3 Н-м. При повышении скорости крутящий момент уменьшается.
Статьи текущего раздела
- 8.1: Введение
- 8.2: Передача механической мощности
- 8.3: Зубья и шаг шестерни
- 8.4: Передаточное отношение
- 8.5: Реверсивные и промежуточные зубчатые передачи
- 8.6: Ступенчатые зубчатые редукторы
- 8.7: Другие типы редукторов
- 8.8: Передаточное отношение в системах электромоторов постоянного тока
- 8.9: Проект руки
- 8:10: Моделирование шарнирного ковша
- 8.11: Формулы
- 8.12: Проектный отчет
Передаточное число редуктора
Одним из первостепенных параметров любого редуктора можно назвать передаточное число. В зависимости от конструкции механизма она представляет собой соотношение угловых скоростей или вращательного моментов валов. Использование передач крайне важно для правильной работы оборудования или автомобиля, ведь именно за счет них происходит передача вращательного момента от двигателя к исполнительному механизму. Скорость вращения вала электродвигателя обычно очень высокая, поэтому передать нужный момент напрямую невозможно. Именно поэтому существуют различные понижающие передачи, которые позволяют изменить показатели до нужных значений.
Навигация по статье
Суть передаточных чисел
Определение передаточного числа редуктора
Передаточное число различных видов редукторов
Суть передаточных чисел
Такой элемент как редуктор встречается практически в любых типах механизмов. Это специальный технический узел, позволяющий изменять скорость вращения валов при трансляции вращательного момента. Сегодня редуктор является неотъемлемым компонентом любого двигателя, так как требуется для превращения большой скорости во вращательное усилие и наоборот. Производится несколько разновидностей редукторов, основной характеристикой которых становится передаточное число. Этот показатель напрямую зависит от типа узла, количества шестерен и других конструкционных параметров. Для обозначения передаточного отношения в устройстве используется мультипликатор. Если значение мультипликатора составляет более 1, то это свидетельствует о том, что редуктор является понижающим. При значении менее 1 узел называют повышающим.
Определение передаточного числа редуктора
Показатель является нечем иным как отношением двух величин: количество зубьев на шестерне ведомого вала и количество зубьев на шестерне основного (ведущего). Полученная величина воздействует на работу двигателя, в том числе, на максимальную скорость вращения валов. В автомобилях передача напрямую влияет на разгонную динамику. При сокращении показателя удается увеличить максимальную скорость, но параметры разгонной динамики при этом понижаются. Выделяют несколько методов определения показателя:
- теоретический (справочный);
- практический;
- расчетный.
Первый способ можно назвать самым простым. Для получения передаточного значения достаточно найти инструкцию производителя, в которой будут указаны требуемые показатели. Также многие автомобили содержат нужную информацию в своем Vin-номере, правда, в зашифрованном виде. При необходимости данные можно расшифровать и узнать требуемые показатели.
Практический вариант расчета передаточного числа редуктора предполагает непосредственное вмешательство в агрегат. Потребуется узнать, какая модель агрегата установлена в оборудовании. Если вам будет известна скорость валов в узле, то определить показатели достаточно легко – для этого существует отдельная формула. Однако если значения не известны, то потребуется разобрать механизм. В этом случае редуктор отсоединяется от корпуса, чтобы можно было увидеть его конструктивные компоненты. После этого выполняется требуемый расчет, исходя из типа используемого узла. Например, при применении зубчатой передачи достаточно рассчитать соотношение величины зубьев шестерен на основном и ведомом валах.
При использовании простейшей формулы не учитывается сопротивление вала. Кроме этого, при расчете важно знать, меняется или нет направление вращения шестерни. Если оно изменяется, то передаточное значение принимается со знаком минус, а если не меняется – ставится плюс.
Третий способ определения коэффициента – это отслеживание скорости вращения двух валов. Обычно такой метод используется для получения передаточного числа заднего редуктора в машине. Потребуется специальное оборудование – тахометр, которое позволяет узнать фактическую скорость кручения валов. Соотношение полученных величин и будет обозначать передачу.
В автомобилях найти вращательный момент редуктора возможно при помощи оборота колеса. Потребуется приподнять ведущую ось и отметить первоначальное положение колеса и выходного вала. После этого нужно вращать колесо до тех пор, пока изначальные отметки не совпадут. Отдельно необходимо подсчитать число совершенных оборотов (и у колеса, и у вала). Далее нужно поделить показатель оборотов вала на вращения колеса. Такой способ не является 100% точным. Например, часто возникают ошибки в подсчете количества оборотов. В результате полученное число не соответствует действительности. Поэтому при использовании такого расчетного метода рекомендуется повторить процедуру несколько раз, чтобы удостовериться в точности показателей. Дополнительно можно проверить полученную цифру, подсчитав передаточное число редуктора по специальной формуле. Это позволит убедиться в точности полученных цифр.
Передаточное число различных видов редукторов
Узлы устроены по похожему принципу, однако используют разные типы зубчатой передачи. Выпускаются цилиндрические, конические, червячные и планетарные виды редукторов. Также все чаще применяются комбинированные модели, которые совмещают преимущества различных типов агрегатов.
- Цилиндрические узлы. Популярные механизмы, которые используются в машинах различного оборудования. В том числе, такие узлы эффективно работают в мощных системах и показывают высокий коэффициент полезного действия. Передаточное число в подобных устройствах может составлять от 2 до 400.
- Планетарные агрегаты. Такие устройства отличаются надежностью и производительностью, из-за чего часто применяются в промышленном машиностроении. Как правило, узнать передаточное число редуктора планетарного типа можно при помощи формулы. Показатели составляют от 6 до 450.
- Червячные устройства. В отличие от предыдущей разновидности они имеют более простую конструкцию и оптимальную стоимость, из-за чего пользуются повышенным спросом. Количество ступеней в узлах не превышает 1–2, а значения передаточного числа фиксируются в диапазоне до 10000.
- Многоступенчатые редукторы. Устройства комбинированного типа, которые производятся для различных промышленных установок. Такие узлы предполагают использование нескольких ступеней передачи вращательного момента. Передаточное число зависит от конструктивных особенностей элементов.
Подбор узла базируется на конструктивных особенностях механизма. Заранее стоит узнать, какой тип передачи необходим, есть ли определенные требования к размерам узла и какие осевые нагрузки воздействуют на валы в процессе работы оборудования.
При необходимости возможно самостоятельно рассчитать, какое передаточное число редуктора требуется. Но в зависимости от выбранного способа показатель может получиться неточным. Так что оптимальным станет перепроверка показателей или использование нескольких расчетных методов. Также можно руководствоваться техническими инструкциями производителя, так как в них содержится более точная информация о расчетах. Если у вас остались вопросы по теме, то специалисты «ФиФ» готовы ответить на них!
