Почему для 5- и 6-ступенчатых коробок передач обычно требуются разные передаточные числа?

В большинстве спортивных автомобилей (и автомобилей для буксировки тяжёлых грузов) дополнительная передача предназначена для того, чтобы двигатель работал в диапазоне между максимальным крутящим моментом и максимальной мощностью. Таким образом, большинство базовых моделей автомобилей имеют 5-ступенчатую механическую коробку передач (или 3-ступенчатую автоматическую), а более спортивные или мощные версии имеют больше передач на выбор.

У многих 6-ступенчатых коробок передач передаточные числа 1-й (возможно, немного ниже) и 6-й (возможно, немного выше) передач примерно такие же, как у их 5-ступенчатых аналогов. Если вы готовы приложить усилия, то можете изменить передаточное число главной передачи или размер шин, чтобы ехать немного быстрее при заданной частоте вращения двигателя.

У седельных тягачей 10–18 передач, потому что им нужно поддерживать идеальные обороты для получения максимального крутящего момента, а также иметь возможность переключиться на следующую передачу (когда тягач замедляется) и при этом оставаться на почти идеальных оборотах. Полуавтоматические коробки передач обычно представляют собой две коробки передач, расположенные последовательно, и особое внимание уделяется передаточному числу главной передачи, чтобы обе коробки передач работали на передаче 1:1 при скорости 96 км/ч, а двигатель работал с максимальной топливной эффективностью на оборотах. Каждый раз, когда мощность проходит через набор шестерён, часть её теряется в виде тепла, и в большинстве коробок передач на любой передаче, кроме четвёртой, вся мощность проходит через ДВА набора шестерён. Теперь умножьте это на 2 передачи, и вы легко потеряете 30 % мощности (а значит, и экономии топлива)

Наконец, тот факт, что ваш двигатель работает не так быстро, не гарантирует, что он будет более экономичным. Как правило, чем больший крутящий момент должен развивать двигатель, тем больше топлива ему требуется на единицу объёма воздуха, что снижает его топливную экономичность. Кроме того, более высокие передачи снижают частоту вращения двигателя, но увеличивают нагрузку на него, и он не будет так быстро разгоняться.

TANSTAAFL.. Бесплатных обедов не бывает

Если у вас 20 передач, вам придётся «сократить» каждую передачу (передаточное число), чтобы «совместить» передачу, с которой она вышла, и передачу, на которую она переходит.

Таким образом, вы быстрее переключаетесь на «меньшие передачи» (больше передач).

У большинства автомобилей есть только одна повышающая передача, где передаточное число предпоследней передачи составляет 1:1 (или близко к этому). Примечательно, что 6-ступенчатые коробки передач Tremec (используемые в Camaro, Viper, Corvette, Mustang и других автомобилях) имеют двойную повышающую передачу.

Основная цель большего количества передач — позволить автомобилю оставаться в диапазоне крутящего момента/мощности, чтобы добиться экономии топлива. Чем больше передач, тем лучше двигатель может работать в диапазоне меньших оборотов. Например, при большем количестве передач диапазон оборотов может составлять 1500–2250 об/мин, а не 1000–3000 об/мин (для обычной эксплуатации ... мы не рассматриваем динамичную езду). Если производитель настраивает двигатель на меньший диапазон, он может добиться от двигателя большей отдачи при сохранении топливной экономичности. При более широком диапазоне двигатель должен работать во всем диапазоне, поэтому требуется соответствующая настройка.

У большинства автомобилей нет второй передачи, потому что у них недостаточно крутящего момента для поддержания скорости на низких оборотах. Возьмём, к примеру, 4-цилиндровый двигатель, который, несмотря на высокую мощность на высоких оборотах, не обладает крутящим моментом, необходимым для успешного движения автомобиля на скорости 70+ миль в час при 1500 оборотах в минуту. Чтобы вписаться в поворот, машине нужно было либо переключиться на пониженную передачу, либо двигателю приходилось работать на пределе, пока водитель жал на педаль... и то, и другое сводило на нет саму цель наличия большего количества передач... то есть экономию топлива и удобство управления.

Вкратце: разные передаточные числа — это особенность, а не ошибка. Некоторые автомобили используют больше передач для ускорения, другие — для экономии топлива. Нельзя делать и то, и другое.

Разве при 3300–3500 оборотах в минуту WRX не может расходовать меньше топлива, сохраняя те же передаточные числа 5-ступенчатой коробки передач и добавляя дополнительную передачу для снижения оборотов до 2800–3000?

Вы описали классический компромисс в трансмиссиях. Мы хотим, чтобы вращательное движение двигателя превращалось во вращательное движение колёс. К сожалению, у двигателя есть максимальная частота вращения (красная зона существует не просто так).

Шестерни в трансмиссии — это, по сути, просто множители в уравнении скорости вращения.

Во-первых, картинка:

На этом изображении видно, что большая шестерня A (приводимая в движение двигателем) вращает меньшую шестерню B (которая приводит в движение колёса). Да, я знаю, что после этой шестерни есть ещё детали, но для простоты обсуждения давайте забудем о главной передаче и т. д.

В этом примере видно, что каждый оборот шестерни A приводит к двум оборотам шестерни B. Это означает, что передаточное число составляет 1:2 или 0,5. Если бы в вашем автомобиле была такая передача, вы могли бы ехать по шоссе на очень низких оборотах (но вы бы никогда не поднялись на холм!).

Повторяю ещё раз, словами:

Низкое передаточное число означает, что колёса автомобиля будут вращаться небольшое количество раз за один оборот двигателя. Высокое передаточное число означает, что колёса автомобиля будут вращаться несколько раз за один оборот двигателя. Таким образом, высокое передаточное число на высшей передаче позволяет развивать высокую скорость. Это также означает, что на высоких скоростях двигатель совершает меньше оборотов на каждый погонный метр дороги. Чем меньше оборотов, тем меньше бензина сжигается в секунду.

Примечание: иногда можно услышать термины «короткие» и «высокие» передачи. Короткие передачи — это передачи с низкой скоростью (с высоким передаточным числом), а высокие передачи — с высокой скоростью (с низким передаточным числом). Такая путаница в терминологии — одно из главных удовольствий при обсуждении трансмиссий.

Однако у высокой передачи меньше механическое преимущество. Это означает, что разогнать автомобиль будет сложнее (чтобы машина ехала быстрее, шины должны вращаться быстрее). Топливосберегающая передача также не подходит для динамичной езды (она менее резвая).

Если вам действительно нужно быстро разогнаться, переключение на пониженную передачу (например, с пятой на шестую) позволит вам дольше сохранять более высокое механическое преимущество.

Однако, если вы ориентируетесь на топливную экономичность, вы можете взять фактически пятиступенчатую коробку передач и включить самую низкую передачу для движения по шоссе. Это повысит расход топлива, но езда будет крайне некомфортной (возможно, вы даже будете ехать на оборотах ниже минимальных, необходимых для включения турбонаддува).

Вернёмся к конкретным автомобилям:

Если сравнить передаточные числа WRX и STI, становится ясно, что у WRX низкое передаточное число на первой и второй передачах, поэтому для достижения скорости 96 км/ч нужно переключиться всего один раз. Это сделано исключительно для того, чтобы оптимизировать время разгона от 0 до 96 км/ч (маркетинг. Вздох). В шестиступенчатой коробке STI передаточные числа первых пяти передач расположены примерно посередине между передаточными числами первых четырёх передач WRX. Это значит, что STI не будет так натужно работать на первой и второй передачах, как нам, пятиспидникам, приходится делать. Даже шестая передача STI имеет более высокое передаточное число, чем пятая передача WRX. Движение на крейсерской скорости не будет таким плавным, но вы сможете лучше разгоняться с 80 км/ч до более высоких скоростей...