Потери мощности в трансмиссии. КПД трансмиссии
Мощность, подводимая от двигателя к ведущим колесам автомобиля, частично затрачивается в трансмиссии на преодоление трения (сухого или жидкостного).
Потери мощности на трение в трансмиссии (рис. 3.3)
Величина Nтренвключает в себя два вида потерь: механические и гидравлические.
Механические потери обусловлены трением в зубчатых зацеплениях, карданных шарнирах, подшипниках, манжетах (сальниках) и т. п. Величина этих потерь зависит главным образом от качества обработки и смазки поверхностей трущихся деталей.
Гидравлические потери мощности связаны с перемешиванием и разбрызгиванием масла в механизмах трансмиссии (коробка передач, раздаточная коробка, ведущие мосты и др.). Величина потерь этого вида зависит от вязкости и уровня масла, залитого в механизмы трансмиссии, частоты вращения валов и шестерен.
 |
Рис. 3.3. Графическая иллюстрация
потерь мощности в трансмиссии
v1— одно из возможных значений скорости автомобиля
Как указывалось в подразд. 3.3, потери мощности в трансмиссии оценивают с помощью КПД трансмиссии, который можно определить следующим образом:
КПД трансмиссии равен произведению КПД механизмов, входящих в ее состав:
где ηк, ηкар, ηд, ηг — КПД соответственно коробки передач, карданной передачи, дополнительной коробки передач и главной передачи.
Ниже приведены значения КПД трансмиссии различных типов автомобилей и ее отдельных механизмов:
Легковые автомобили. 0,90. 0,92
Грузовые автомобили и автобусы. 0,82. 0,85
проходимости. 0,80. 0,85
прямая передача. 0,98. 0,99
понижающая передача. 0,94. 0,96
Карданная передача. 0,97. 0,98
КПД трансмиссии не остается постоянным в течение всего срока эксплуатации автомобиля. В начале эксплуатации нового автомобиля детали механизмов трансмиссии прирабатываются, и ее КПД в течение некоторого времени повышается. Далее на протяжении длительного периода он остается почти постоянным, а затем начинает снижаться вследствие изнашивания деталей, отклонения их размеров от номинальных и образования зазоров. После капитального ремонта автомобиля и последующей приработки деталей КПД трансмиссии вновь возрастает, но уже не достигает прежнего значения.
Для автомобилей, имеющих в трансмиссии гидравлические передачи (гидротрансформаторы, гидромуфты), КПД трансмиссии равен произведению механического ηм и гидравлического ηгид КПД:
Гидравлический КПД существенно зависит от угловой скорости валов и передаваемого момента.
Радиусы колес автомобиля
У колес автомобиля (рис. 3.4) различают следующие радиусы: статический rс,динамический rд и радиус качения rкач.
Статическим радиусом называется расстояние от оси неподвижного колеса до поверхности дороги. Он зависит от нагрузки, приходящейся на колесо, и давления воздуха в шине. Статический радиус уменьшается при возрастании нагрузки и снижении давления воздуха в шине, и наоборот.
Динамическим радиусом называется расстояние от оси катящегося колеса до поверхности дороги. Он зависит от нагрузки, давления воздуха в шине, скорости движения и момента, передаваемого через колесо. Динамический радиус возрастает при увеличении скорости движения и уменьшении передаваемого момента, и наоборот.
Радиусом качения называется отношение линейной скорости оси колеса к его угловой скорости:
.
Радиус качения, зависящий от нагрузки, давления воздуха в шине, передаваемого момента, пробуксовывания и проскальзывания колеса, определяется экспериментально или вычисляется по формуле
(3.13)
где пк — число полных оборотов колеса; SK — путь, пройденный колесом за полное число оборотов.
Из выражения (3.13) следует, что при полном буксовании колеса (SK = 0) радиус качения rкач = 0, а при полном скольжении
Как показали исследования, на дорогах с твердым покрытием и хорошим сцеплением радиус качения, статический и динамический радиусы отличаются друг от друга незначительно. Поэтому можно считать, что они практически равны, т.е. rс ≈ rд ≈ rкач.
 |
При выполнении расчетов в дальнейшем будем использовать это приближенное значение. Соответствующую величину назовем радиусом колеса и обозначим rк.
| Рис. 3.4. Радиусы колеса |
Для различных типов шин радиус колеса может быть определен по ГОСТ, в котором регламентированы статические радиусы для ряда значений нагруз-
ки и давления воздуха в шинах. Кроме того, радиус колеса, м, можно рассчитать по номинальным размерам шины, используя выражение
где d — диаметр обода колеса, м; Вш — ширина профиля шины, м; λш= 0,8. 0,9 — коэффициент смятия шины.
Формула (3.14) обеспечивает наиболее точные результаты для самого распространенного типа шин — тороидальных.
Потери мощности в трансмиссии
1 увеличение мощности двигателя
2 уменьшение массы автомобиля
3 улучшение сцепных свойств автомобиля с дорожным покрытием
4 Улучшение аэродинамических свойств автомобиля
5 Уменьшение неизбежной потери мощности при прохождении через трансмиссию
6 Улучшение стартовых свойств за счет применения электроники
7 Уменьшение инертности системы
Потери мощности в трансмиссии возникают за счет сил трения возникающих при прохождении через механизмы в узлах трансмиссии.
Список потерь мощности в элементах трансмиссии.
1 сцепление: здесь потери возникают при переключении передач при этом часть мощности переходит в тепло. Чем больше сцепление «пробуксовывается» тем меньше мощности перейдет в полезную работу и разгон автомобиля будет менее эффективным. (Хотя для начала движения используется метод отпускания сцепления в «натяг» для лучшего старта с места на приличных оборотах без пробуксовки колес. Но это в основном характерно для автомобилей не имеющих приличного момента двигателя на низких оборотах и чтобы пройти зону малого момента и не сорвать колеса в букс, резким бросанием сцепления используют «букс сцепления») Чтобы уменьшить пробуксовку сцепления можно установить комплект более жесткого сцепления.
2 Коробка передач: обладает самыми большими потерями на трение, особенно что касается коробки автомат. Большие потери в коробке передач обусловлены большим количеством движущихся частей погруженных в трансмиссионное масло нередко приличной вязкости. Чтобы хоть немного уменьшить трение в КПП можно заменить используемое трансмиссионное масло на менее вязкое хотя это чревато. Понижение уровня масла до минимально допустимого так же поможет уменьшить потери на трение в КПП.
3 Полный привод: с одной стороны позволяет эффективно стартовать автомобилю с места (на обычном асфальте) без вредной пробуксовки с другой такой привод обладает самыми большими потерями мощности в узлах трансмиссии так как добавляется еще один привод и все что с ним связано, раздатка итд. здесь потери мощности в трансмиссии могут достигать 35 и более процентов.
4 Даже такой простой казалось бы элемент как крестовина тоже вносит свой вклад в общие потери от двигателя до колес хоть и очень маленькие и неощутимые на практике.
5 Дифференциал и главная передача.
В итоге потери мощности в трансмиссии разных автомобилей могут колебаться примерно в пределах 10-35% что очень много. Чтобы эти потери не стали еще больше: не лейте более густое трансмиссионное масло, не поднимайте уровень масла выше нормы (смазка зубчатых передач более чем достаточна если зубчатые колеса лишь немного погружены в масляную ванну, но в автомобилях делается запас на продолжительные уклоны и моменты инерции в поворотах, при разгонах и торможении), держите агрегаты, особенно автоматической трансмиссии и главных пар в полностью исправном состоянии.
Вот почему коробка передач не влияет на мощность двигателя
Миф или реальность: Может ли коробка передач влиять на мощность двигателя
О чем только не спорят автолюбители в Сети. Доходит даже до смешного и нелепого, когда группа автомобилистов начинает доказывать другой группе какие- то технические моменты касаемо автомобилей, их технических характеристик, приводя доводы в стиле «мы знаем и докажем всем, что Земля плоская». Больше всего, конечно, споров среди армии автовладельцев и автоэкспертов возникает по техническим вопросам. В частности, в последнее время в Сети поднялась волна споров по поводу коробки передач и мощности двигателя. В чем суть спора? Как вы думаете, влияет ли коробка передач автомобиля на выработку мощности двигателем?
Казалось бы, ответ очевиден. Но нет, в Сети развернулась настоящая битва по этой теме. На многих форумах, в группах в соцсетях и в комментариях к ряду статей в различных СМИ, пишущих на автотематику, нафлудили уже столько страниц комментариев, что диву даешься, откуда у людей столько времени в рабочие дни на создание больших опусов.
Итак, одна сторона утверждает, что коробка передач влияет на мощность двигателя, тогда как их оппоненты настаивают, что коробка – это обычный инструмент передачи мощности и крутящего момента на колеса и поэтому ни в коей мере влиять на мощность мотора не может ни в большую, ни в меньшую сторону. Так кто же прав?
Во-первых, давайте сразу поставим точки над i. Ответ на этот волнующий многих вопрос кроется в понимании его сути или в его правильности. Ведь не секрет, что хорошую тему можно легко испортить неправильно перефразированным вопросом. Вот и получается, что многие люди в Сети чаще начинают спорить и доказывать свою значимость и эрудицию, неправильно поняв какой-нибудь вопрос или тему, которую автор подал не совсем точно.
Во-вторых, что нужно понимать под фразой «влияет ли коробка на мощность»? Ведь это зависит от того, с какой стороны посмотреть. Например, если речь идет о мощности, которую выработал двигатель на определенных оборотах, то, конечно, мощность, проходя через КПП, теряется из-за трения. В итоге часть мощности согласно закону сохранения энергии преобразуется в тепло, нагревая внутренние компоненты двигателя.
Если же вопрос ставится о самой мощности двигателя, то, бесспорно, коробка передач не может повлиять на выработку двигателем этой мощности.
Как мы уже сказали, трансмиссия – это механический инструмент передачи крутящего момента и мощности от двигателя на ведущие колеса.
А утверждение, что коробка передач напрямую мешает двигателю вырабатывать мощность, неправильно и идет вразрез с законами физики.
Ведь это все равно что утверждать, будто плоскогубцы влияют на нашу силу и мощь, когда мы на них нажимаем. Плоскогубцы, как и КПП, – обычный инструмент для выполнения определенной задачи. Соответственно, плоскогубцы не влияют на нашу потенциальную силу и мощь.
Казалось бы, все просто и логично. Но нет, даже при таких простых объяснениях и примерах находятся обязательно люди, которые начинают приводить доводы, что коробка передач все-таки влияет на вырабатываемую мощность автомобилем, поскольку крутящий момент оказывает прямое влияние на итоговую мощность автомобиля.
При этом многие просто забывают, что крутящий момент представляет собой силу вращения на вашу коробку. Но крутящий момент – это не энергия. А мощность, как вы знаете, и есть энергия.
Например, если вал не вращается, энергия не расходуется. Значит, двигатель никакой работы не выполняет. Если же вал вращается, то мощность двигателя образуется за счет крутящего момента двигателя и оборотов мотора.
Коробка же получает конечную (уже выработанную) мощность и определенный крутящий момент и передает все это с помощью зубчатых шестеренок с разными передаточными числами.
Таким образом, любая коробка передач – это, по сути, трансформатор преобразования и передачи крутящего момента на колесные оси, меняющий коэффициент крутящего момента в зависимости от оборотов двигателя. Например, если на определенной передаче КПП снижает число оборотов двигателя на определенное соотношение, то одновременно с этим трансмиссия увеличивает крутящий момент (силу) на тот же коэффициент.
Мощность (поток мощности, выработанной двигателем), по сути, остается неизменной на обоих валах. Но это опять же в теории. На практике мощность, вырабатываемая двигателем, не попадает полностью на колеса. Есть естественные потери. Но вопрос сегодня был не в этом. Речь в нашем сегодняшнем материале шла о том, может ли коробка передач влиять на мощность двигателя. Как видите, коробка не является источником энергии. Соответственно, повлиять на выработку мощности автомобиля она не может.
Определение потерь в трансмиссии автомобиля
Оцениваются потери мощностью потерь на трение Nтр и КПД трансмиссии ηТ.
Мощность Nтр можно представить в виде трех слагаемых, пропорциональных:
— Ne характеризует потери на трение в зубчатых зацеплениях и в подшипниках трансмиссии;
— V характеризует трение в сальниках, трение в подшипниках, имеющих предварительный натяг;
— V 2 характеризует гидравлические потери, связанные с вращением зубчатых колес механизмов трансмиссии в масле, залитом в их картере.
Суммарная мощность, теряемая в трансмиссии:
, (1.8)
КПД трансмиссий можно определить:
, (1.9)
Расчетная часть
За объект расчёта принимается двигатель модели ЗИЛ-508.10 (бензиновый), устанавливаемый на автомобиле ЗИЛ 431410.
Исходные данные, необходимые для выполнения расчетной части приведены в табл. 1.2.
| Параметр | Обозначение | Значение |
| Модель двигателя | — | ЗИЛ-508.10 |
| Максимальная мощность, кВт | Neтах | |
| Частота вращения коленчатого вала при максимальной мощности, мин | nN | |
| Максимальный крутящий момент, Нм | MKN | |
| Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин’ | nM | |
| Наличие ограничителя | — | Да |
Крутящий момент на режиме максимальной мощности можно определить по формуле (1.2):
Запас крутящего момента определяется по формуле (1.1):
Для определения коэффициента приспособляемости по частоте используется формула (1.6):
2. Определение коэффициентов а,b,с
Для двигателей с ограничителем коэффициенты а, Ь, с определяются по формуле (1.5):
Аналогично рассчитываются мощность и крутящий момент при других частотах вращения коленчатого вала, результаты вычислений представлены в табл. 1.3.
Результаты расчета параметров внешней скоростной характеристики двигателя ЗИЛ 645
По данным табл. 1.3 строится внешняя скоростная характеристика двигателя ЗИЛ 645 (рис. 1.1).
4. Определение КПД трансмиссии автомобиля на различных режимах работы
При работе двигателя на режиме полной мощности второй член выражения (1.9) уменьшается и им можно пренебречь.
Для определения коэффициентов k, l, m и оценки потерь в трансмиссии используют структурную схему, представленную на рис. 1.2.
Рис. 1.1 Внешняя скоростная характеристика двигателя ЗИЛ-431410
1-зависимость 
, 2-зависимость 
Рис. 1.2 Структурная схема трансмиссии автомобиля ЗИЛ-431410:
1 – двигатель, 2 – сцепление, 3– коробка передач, 4, 5– карданные передачи, 6 – главная передача заднего моста (одинарная гипоидная)
Результаты расчета значений КПД трансмиссии на различных передачах приведены в табл. 1.4.
Значения КПД трансмиссии автомобиля на различных передачах
| Режим работы | Коэффициенты |  |
| k | l | m |
| КПП 1 | 0.890 | |
| КПП 2 | 0.890 | |
| КПП 3 | 0.890 | |
| КПП 4 | 0.890 | |
| КПП 5 | 0.927 |
Вывод: По технической характеристике автомобиля построил график внешней скоростной характеристики двигателя ЗИЛ-508.10 автомобиля
ЗИЛ-431410, где представлены зависимости крутящего момента и мощности двигателя от частоты вращения коленчатого вала. Определил потери в трансмиссии и ее КПД.
Потери мощности в трансмиссии. КПД трансмиссии
Мощность и моменты, подводимые к ведущим колесам.
Режимы движения: 1) разгон, 2) равномерное движение, 3) торможение (экстренное), 4) накат (по инерции).
Мощности и моменты не подводятся к ведущим колесам при движении накатом, при экстренном торможении и при служебном торможении с отключенным двигателем.
При остановке они подводятся к ведущим колесам:
1. двигатель, 2. Маховик условно вращающих масс, включает в себя все детали и трансмиссии, 3. Трансмиссия, 4. Колеса, Ne – мощность на конце коленвала, Ne’ – мощность, подводимая к трансмиссии, Nкол – мощность, подводимая к ведущим колесам, Уm – момент инерции, соответствующий всем вращающимся массам двигателя и трансмиссии, Mj – маховик, представляющий собой условную вращающуюся массу, заменяющую все вращающиеся детали двигателя.
В момент инерции Уm = Σ моментов инерции, указанных вращ.деталей, привод.в коленвале.
Мощность, подводимая к колесам при постоянной угловой скорости коленвала (устанавливающая движение автомобиля 
=0) называется тяговой мощностью и обозначают Nт=Ne.
При разгоне подвижного состава часть мощности, подводимой от двигателя к трансмиссии, затрачивается на раскручивание вращающихся частей двигателя и трансмиссии. Эти затраты мощности равны 
, где 
— кинетическая энергия вращающихся частей.
С учетом кинетической энергии затраты мощности 
Мощность, подводимая к трансмиссии
Часть мощности, подведенной к трансмиссии, теряется на преодоление различных сопротивлений (трения) в трансмиссии. Потери мощности в трансмиссии оцениваются кпд трансмиссии 
. С учётом потерь мощности в трансмиссии подводимая к ведущим колесам мощность
Угловая скорость коленвала двигателя 
, из 2 предыдущих формул можно вывести мощность, подводимая к ведущим колесам 
тяговая мощность
тяговый момент
момент, подводимый к ведущим колесам
Потери мощности в трансмиссии. КПД трансмиссии.
В трансмиссии подвижного состава имеются механические и гидравлические потери мощности: механические – потери на трение в зубчатых зацеплениях, подшипниках и манжетах. Величина этих потерь зависит главным образом от качества обработки трущихся деталей; гидравлические – потери, связанные с перемешиванием масла в механизмах трансмиссии. Величина их зависит от вязкости масла, скорости вращения валов и шестерен, а также уровня масла. Потери мощности в трансмиссии на преодоление различных сопротивлений оцениваются кпд.
потеря мощности на трении
КПД трансмиссии 
Для подвижного состава кпд трансмиссии = 0,8…0,92. Меньшее значение соответствует грузовым, большее – легковым.
потеря мощности в трансмиссии автомобиля.