Почему после достижения определённых оборотов на той же передаче автомобиль перестаёт набирать скорость?

Ощущаемое вами ускорение зависит от мощности двигателя и скорости, с которой вы едете.

Сила

Двигатели внутреннего сгорания более эффективны на одних оборотах, чем на других.
Для наглядности приведу примерную кривую мощности и крутящего момента:

Крутящий момент (свойство, которое вы ощущаете при ускорении) достигает пика при 3000 об/мин, а затем начинает снижаться: на более высоких оборотах двигатель работает менее эффективно.

Скорость

Сопротивление воздуха увеличивается пропорционально кубу скорости, поэтому при ускорении оно быстро возрастает. Чем быстрее вы едете, тем сложнее вам ускоряться (тем больший крутящий момент вам нужен). В какой-то момент весь крутящий момент двигателя расходуется на преодоление сопротивления воздуха (и других потерь), и его уже не хватает для ускорения.

Велосипеды

Когда вы едете на велосипеде на низкой передаче и крутите педали изо всех сил, вы достигаете предела частоты вращения педалей: момента, когда вы уже не можете крутить педали быстрее, потому что ваши нервы и мышцы не могут сокращаться и расслабляться быстрее.

В автомобиле происходит нечто подобное, когда вы ускоряетесь на низкой передаче. Обычно в двигателе есть ограничитель оборотов, чтобы предотвратить поломку. 4000 оборотов в минуту — это очень низкий предел для бензинового двигателя, но у дизельных двигателей могут быть ограничения в этом диапазоне.

Сначала пример с велосипедом: сопротивление — это, по сути, ускорение. Если вы его чувствуете, значит, вы ускоряетесь. Вы можете крутить педали только с определённой скоростью, поэтому через некоторое время вы уже не сможете увеличивать скорость вращения педалей, а значит, и скорость велосипеда. В этот момент ваша эффективность снижается, и вам нужно переключиться на другую передачу.

Теперь об автомобилях: Та же концепция применима к автомобильным двигателям. У каждого типа двигателя свой диапазон эффективности. Если вы заметили, производители автомобилей указывают пиковые значения крутящего момента и мощности при определённых оборотах. Для некоторых двигателей это 4000 оборотов в минуту, для других — 6500. Это зависит от конструкции двигателя, объёма, типа и т. д.

Кроме того, диапазон эффективности можно регулировать с помощью распределительных валов с разным профилем для разных типов двигателей. Обычно он подбирается в соответствии с потребностями транспортного средства. Если это городской автомобиль, то он будет набирать мощность довольно рано и резко реагировать на нажатие педали газа, но на высоких оборотах его мощность снизится. С другой стороны, у спортивных автомобилей пиковая мощность достигается на более высоких оборотах.

Как только вы выходите за пределы диапазона эффективности, силы, действующие на компоненты двигателя, такие как трение и инерция, возрастают, эффективность снижается, и вы чувствуете потерю мощности.

Создание двигателя, эффективного в большинстве диапазонов оборотов, обходится очень дорого, но многие компании используют системы изменения фаз газораспределения, такие как V-TEK у Honda, VVTI у Toyota, MIVEC у Mitsubishi. Эта функция регулирует профили распределительных валов в соответствии с заранее запрограммированными настройками и помогает увеличить диапазон, в котором двигатель работает наиболее эффективно. Кроме того, существуют коробки передач с постоянным передаточным числом, которые всегда поддерживают наиболее эффективный диапазон.