О выборе передаточных отношений КПП и главной пары, часть 2 - подбор передаточных отношений

Передаточные отношения коробок перемены передач и принципы их подбора

При конструировании трансмиссии транспортного средства под определенный двигатель задачу подбора передаточных отношений трансмиссии решают, вначале определяя необходимое передаточное отношение высшей и низшей передач.

Выбор передаточного отношения низшей передачи

Низшая передача должна обеспечивать преодоление мотоциклом наибольшего подъема с учетом ограничения силы тяги по сцеплению с дорогой, а также возможность маневрирования на малой скорости.

Это описывается формулами:
– передаточное отношение низшей передачи трансмиссии для преодоления наибольшего подъема;

– передаточное отношение низшей передачи трансмиссии для обеспечения движения с минимальной скоростью;
Для обеспечения обоих критериев передаточное отношение выбирается по наибольшему из двух значений:

Здесь:
– наибольший действующий момент двигателя, из характеристики двигателя;
– коэффициент полезного действия трансмиссии, при проектировании рекомендуют =0,92, для мотоциклов с приводом на колесо коляски потери выше, предположительно =0,85;
– радиус качения ведущего колеса;
– частота вращения двигателя при максимальном действующем моменте, также берется из характеристики двигателя;
– минимальная скорость маневрирования на низшей передаче, =5 ..6 м/с. Обратите внимание, что это не минимально возможная скорость, а скорость, при которой двигатель развивает наибольший момент;
– максимальный коэффициент дорожного сопротивления при преодолении наибольшего подъема. Приблизительно можно определить его по таблице:

Таблица. Максимальный коэффициент сопротивления движению от типа автомобиля

Таблица взята из методички «Тяговый расчет автомобиля», Политехнический университет, 2001. Численные значения сопротивления движению взяты в предположении, что легковой автомобиль преодолевает наибольший подъем 20°, а грузовой и полноприводный – подъем 30°. Значение ψ для переднеприводного автомобиля меньше, чем для заднеприводного означает не то, что ему проще подниматься в гору, а то, что в результате разгрузки ведущих колес на подъеме он разовьет меньшую силу тяги.

То, что касается выбора ψ для мотоцикла, я могу предположить диапазон 0,36 … 0,6 для различных областей использования мотоцикла (меньшее значение для преимущественно дорожного, большее для пересеченной местности).

При движении на подъем одиночный мотоцикл по поведению близок к полноприводному автомобилю. При предельном угле подъема до 92% веса приходится на ведущее колесо. Мотоцикл с коляской и приводом только на заднее колесо больше напоминает заднеприводный автомобиль с загрузкой ведущего колеса 60…70% от его полного веса.

Конечно, от расчетных значений передаточных отношений низшей передачи можно отступать и в большую и в меньшую сторону.

Выбор передаточного отношения высшей передачи

Высшая передача должна обеспечивать разгон до максимальной скорости.
Максимальную скорость мотоцикла можно расчитать по мощности двигателя, пользуясь формулой:

Здесь:
– наибольшая скорость движения мотоцикла, м/с;
– наибольшая эффективная мощность двигателя, Вт;
– коэффициент полезного действия моторной установки, характеризует потери в двигателе, в среднем =0,89;
– сила дорожного сопротивления, Н;
– сила сопротивления воздуха при расчетной скорости, Н.
Передаточное отношение трансмиссии на высшей передаче n для обеспечения максимальной скорости составит:

Здесь:
– частота вращения двигателя при наивысшей мощности, берется из характеристики двигателя.

Это формулы, по которым проектировалась (или проверялась) трансмиссия М-72. Давайте проверим:

Принимаем =18,78, при главной передаче «восьмерке» с передаточным отношением 4,62 передаточное первой передачи КПП получается

Передаточное отношение 1 передачи М72 =3,6

Передаточное высшей (четвертой) передачи:

Передаточное отношение 4 передачи М72 =1,3

Параметры мотоцикла М-72 для расчетов взяты из книги «Советские мотоциклы» и рекомендаций, изложенных в статье выше.
Передаточные отношения для 1 и 4 передач требуется уточнить по числам зубьев шестерен, подобрав ближайшее возможное значение.

Выбор передаточных отношений промежуточных передач

Для выбора передаточных чисел 2 и 3 передач существуют два способа.
Первый заключается в определении показателя разбивки передач q:

Здесь:
– максимальная скорость на высшей передаче;
– максимальная скорость на 1 передаче;
m – порядковый номер наивысшей передачи.
При этом остальные передаточные числа определяются из показателя разбивки:

При этом передачи равномерно распределены по диапазону, то есть для всех передач выполняется

Посмотрим, как соотносятся передачи в существующих транспортных средствах. В методичке «Тяговый расчет автомобиля» приведены передаточные отношения КПП различных автомобилей.
 
Я обработал их статистически, определив средние значения показателей разбивки для различных групп автомобилей и мотоциклов.

Таблица. Показатели разбивки передач для различных транспортных средств.

В целом видно, что показатели автомобилей и мотоциклов довольно близки. Импортные авто в среднем имеют меньшие значения показателей в силу большего числа передач.

Показатели для низших передач в целом больше, чем показатели высших для всех видов транспортных средств. Это говорит о том, что высшие передачи стараются сближать за счет низших.

Средние значения показателей составляют 1,7 для 1-2 передач. На этом фоне выделяется Вояж, у него соотношение 1 и 2 передач составляет 1,88. Это довольно много, поэтому переключение с 1 на 2 передачу нагружает коробку передач значительным ударом, что приводит к ускоренному износу. Мне совершенно непонятно, зачем конструкторам потребовалось так отдалять первую и вторую передачу. Притом что вторая и третья сближены по сравнению с другими мотоциклами.

Высшая передача зачастую выполняется приближенной к предыдущей, когда ее назначение – снизить обороты двигателя на высокой скорости, то есть максимальная динамика и наибольшая скорость обеспечивается не на ней, а на предыдущей передаче (овердрайв). В этом случае показатель разбивки снижается до 1,18 … 1,2.

Рисунок. Показатели разбивки передач от низших к высшим для различных транспортных средств

Второй способ разбивки передач состоит в индивидуальном подборе передаточных, с подбором показателей разбивки для каждой пары передач с анализом разгона по динамической характеристике.

Выводы

"Классический" алгоритм подбора передач предполагает определение (строгое) передаточного отношения на высшей передаче и (не строгое) на низшей передаче. После между этими значениями распределяются промежуточные передачи.

Начать подбор промежуточных передач можно с равномерного распределения с одинаковым показателем q для всех передач. После анализа динамической характеристики, построенной для этого распределения, можно переходить к коррекции - небольшим изменениям передаточных в сторону сближения их на высших передачах.

Овердрайв (передача выше той, на которой достигается максимальная скорость, обычно пятая) в классическом алгоритме назначается после определения передаточного отношения на четвертой передаче. Для этого можно задаться типовым показателем q для передач 4-5, проанализировать динамическую характеристику и при необходимости внести изменения.