О выборе передаточных отношений КПП и главной пары, часть 1 - динамическая характеристика

Вопросы конструирования трансмиссий колесных транспортных средств. Теория с точки зрения получения практического результата - удобного в управлении мотоцикла.

Посвящается Илье PeaceDeath и долгим разговорам об устройстве и работе Вояжа

Введение

На форуме oppozit.ru часто встречаются темы, посвященные подбору передаточных отношений КПП (особенно замены шестерен на высших передачах) и/или главной передачи для увеличения максимальной скорости мотоцикла или более уверенного движения без перегрева.

Еще практические задачи – согласование трансмиссии мотоцикла при установке двигателя другой модели (ЗАЗ, Субару), двигателя увеличенного объема(Литр) или форсированного (с увеличенной мощностью и увеличенными рабочими оборотами).
Вообще передаточные отношения трансмиссии наших оппозитов довольно высоки. Это связано с преимущественными режимами их движения: грунтовки, труднопроходимые участки местности, снежный покров. Все это преодолевалось как правило с полной загрузкой.

Скоростных участков дорог было мало, и не имело смысла приспосабливать мотоцикл к длительному движению на высокой скорости. Поэтому наивысшей скорости 95 ... 97,5 км/ч М72 достигал на оборотах максимальной мощности. Формально скорость достижима, а экономичность, ресурс двигателя и удобство движения не так важны, как тяговые характеристики на малых скоростях.

Рисунок - Войсковые испытания мотоцикла М72, 1941 год.

Одиночка М72 при этом не мог получить выигрыш в скорости без замены, например, главной передачи.

Динамическая характеристика мотоцикла

Для оценки способности мотоцикла разгоняться, времени и пути разгона до заданной скорости, а также его максимальной скорости служит динамическая характеристика. Динамический фактор – специально подобранный параметр, который позволяет сравнивать мотоциклы различной массы, рабочего объема, схем трансмиссий. Здесь:
– сила тяги на ведущем колесе;
– сила сопротивления воздуха;
– вес мотоцикла.

Рисунок - Динамическая характеристика мотоцикла М72

Для конкретного мотоцикла сила на колесе зависит от выбранной передачи и частоты вращения двигателя, сила сопротивления воздуха зависит от текущей скорости, поэтому динамический фактор – функция. Удобно отображать ее в зависимости от скорости (как на рисунке). При этом она разбивается на несколько кривых по числу передач.

Линии n1 … n4 в нижней части рисунка позволяют определять частоту вращения двигателя для каждой конкретной точки динамической характеристики. В частности, при скорости 30 км/ч мотоцикл может двигаться на 2 или на 3 передаче, имея при этом различные значения динамического фактора. На 2 передаче D = 27.5 при частоте вращения ω=2800 об/мин, на 3 передаче D = 14 при ω=1800 об/мин (точки отмечены красным на рисунке "Подробности динамической характеристики").

На 1 передаче при этой скорости двигаться не получится, и при попытке ее включить двигатель выйдет за максимальную частоту вращения, мотоцикл начнет сбрасывать скорость до скорости примерно 25 км/ч даже при полностью открытых дросселях карбюраторов.

При переключении на 4 передачу частота вращения двигателя упадет до 1250 об/мин. При этом динамический фактор будет крайне мал, а двигатель, возможно, будет работать нестабильно. Во всяком случае, для этой частоты вращения двигателя динамический фактор построители характеристики решили не определять.

Рисунок - Подробности динамической характеристики

Таким образом, динамическая характеристика позволяет определить для конкретной скорости набор передач, на которых мотоцикл может двигаться, частоты вращения двигателя для этих передач, способность мотоцикла разгоняться на каждой передаче.

Могут ли динамические характеристики на различных передачах не перекрываться, как например, на рисунке "Динамическая характеристика с передачами, которые не перекрываются"? Технически такой мотоцикл построить можно – выбросить из КПП вторую и третью передачи, оставив только 1 и 4.

При разгоне на 1 передаче (D1) мотоцикл достигнет скорости 25 км/ч и перестанет разгоняться. Водителю придется пытаться перейти на следующую доступную передачу. Это будет условная D4, частота вращения двигателя после переключения окажется 1100 об/мин. Далее придется или «вытягивать» мотоцикл с таких низких оборотов, или немного выжать сцепление, чтобы раскрутить двигатель до более высоких оборотов, как при трогании с места. Не слишком удобный режим разгона.

Рисунок - Динамическая характеристика с передачами, которые не перекрываются

Могут ли при одной скорости быть доступны больше чем две передачи? Существует ли предел такого количества передач?

Количество передач для данной скорости может быть любым. Три передачи на выбор – это отлично – можно включить экономичную пятую, можно двигаться на четвертой для перехода на торможения двигателем и чтобы легче проходить мелкие подъемы, и можно перейти на третью для обгона.

То есть степень перекрытия передач может и должна быть высокой. И ограничивается только удобством переключения, рациональным распределением передаточных отношений и, собственно, количеством передач в КПП.

Как определить максимальную скорость мотоцикла? Внизу на динамической характеристике видна пунктирная линия f=0.017, характеризующая сопротивление качению мотоцикла по дороге.

Коэффициент сопротивления качению зависит от конструкции и состояния шин, покрытия и состояния дороги, скорости мотоцикла, температуры покрытия и шин и множества других параметров.

В книге «Советские мотоциклы» приведены следующие зависимости коэффициента сопротивления качению по асфальтобетонному покрытию от размера шин, веса мотоцикла, давления в шинах и скорости движения (рисунок "Зависимость коэффициента сопротивления качению от скорости движения"). Видно, что зависимость это сложная, определяемая в первую очередь экспериментально.

Но, по крайней мере до 140 км/ч, коэффициент сопротивления качению не вырастает выше 0.02. В более поздней литературе при проектировочных расчетах принято считать сопротивление качению не зависящим от скорости и равным f=0.02.

Рисунок - Зависимость коэффициента сопротивления качению от скорости движения

В процессе движения мотоцикл с полностью открытыми дросселями продолжает разгоняться, пока динамический фактор превышает сопротивление качению. То есть разгон прекратится в точке пересечения этих линий на динамической характеристике.

Для М-72 по приведенной характеристике это примерно 92 км/ч на высшей передаче. На остальных передачах разгон ограничивается не силой сопротивления качению, а превышением допустимых оборотов.

При движении по грунтовой дороге или брусчатке максимальная скорость будет иной, поскольку изменится коэффициент f. При движении под уклон или в гору максимальная скорость тоже будет иной, это можно определить расчетным путем, задаваясь величиной уклона.

Рисунки и численные значения взяты из книги "Советские мотоциклы", Машгиз 1954.

Продолжение следует

------------

Статьи на Оппозите на тему подбора шестерен и выбора передаточных отношений:

УСТАНОВКА УСКОРЕННОЙ ПАРЫ ШЕСТЕРЕН- «ДЕСЯТКА» (10/35) В РЕДУКТОР М-72, Mr_Vlad

ЧЕТВЁРТАЯ ПЕРЕДАЧА ВОЯЖ В КПП ВОЛК. ВПЕЧАТЛЕНИЯ. НЕИСПРАВНОСТЬ. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВТОРИЧНОГО ВАЛА, Linux XIII

НУЖНА КОНСУЛЬТАЦИЯ ТЕХ КТО ЕЗДИТ НА "УСКОРЕННЫХ" 3 И 4-Х, Dnepr_1186

КАК ПОДНЯТЬ КРЕЙСЕРСКУЮ СКОРОСТЬ, gaz66

ПОНИЖЕННАЯ ПЕРЕДАЧА, VLDubr

ВЫБОР ПАРЫ В РЕДУКТОР ПОД 17КОЛЕСО, Pavlo124

ПРЯМАЯ ЧЕТВЕРТАЯ, Рома

КАКУЮ ПАРУ ПОСТАВИТЬ В МОСТ?, kapotov

ПРИМЕНИМОСТЬ "10" КОНИЧЕСКОЙ ПАРЫ С ДВИГАТЕЛЕМ 750СС И КОРОБРОЙ СОВНАРХОЗА, Torvald

"ДЕВЯТКА" НА КОЛЯСЫЧ ДЛЯ ДАЛЬНЯКОВ, Alex_and_Alex

ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ЧИСЛА, Carrera

4Я 1:1 ВОЯЖ В КПП СОВНАРХОЗА, Barnaul Ghostrider

10РЕДУКТОР НА МТ 10-36, Anonymous