Могли бы все автомобили ездить в четыре раза быстрее? [Трансмиссия / Дифференциальный механизм]

Если бы всё было так просто! Моим последним грузовиком был Dodge Ram 1500 с двигателем Hemi. Довольно мощный. Вот только у него было передаточное число 3,55:1, что довольно много для грузовика. Я заменил шины с 265/70 R 17 на 285/70 R17. Новые шины были ненамного выше, но я сразу почувствовал, что мощности стало меньше.

Мой нынешний грузовик — Dodge Ram 2500 с двигателем Cummins, задним мостом с передаточным числом 3,73:1 и, опять же, более высокими шинами. Я не могу сказать, что с ними я потерял в мощности, но крутящий момент увеличился примерно с 400 фунт-футов до 800 фунт-футов.

Чтобы сильно увеличить передаточное число, требуется большая дополнительная мощность. Кроме того, с увеличением передаточного числа возрастает нагрузка на всю трансмиссию. Если вы хотите провести расчёты, которые действительно помогут разобраться в этом вопросе, посчитайте общее передаточное число автомобиля на первой передаче. У большинства автомобилей последняя передача имеет передаточное число 1:1 и, возможно, повышающую передачу. С 2006 года трансмиссия Allison 1000 имеет 2 повышающих передачи, поскольку дизельные двигатели обладают дополнительным крутящим моментом для передачи на межштатную автомагистраль с передаточным числом 0,614:1. Для сравнения: передаточное число 1-й передачи составляет 3,094:1.

Максимальная скорость автомобиля обусловлена мощностью двигателя, которая используется для противодействия или преодоления двух сил трения: аэродинамического и вращательного.

При скорости выше 64 км/ч аэродинамические силы увеличиваются.

Вот почему форма кузова автомобиля должна быть обтекаемой или аэродинамичной.

Таким образом, вы меняете не только передачу, но и мощность. Однако аэродинамические силы увеличиваются пропорционально кубу скорости, поэтому чем быстрее вы едете, тем больше мощности двигателя вам требуется. Другими словами, чем выше ваша скорость, тем больше воздуха вам нужно обходить.

Вкратце: С математической точки зрения это логично, но на практике так не работает.

Если бы количество зубьев было одинаковым, скорость вращения оси/колеса была бы такой же. Это простая математика... соотношение 1:1. Однако одна из причин, по которой мы этого не делаем, заключается в механическом преимуществе.

Две шестерни, о которых мы здесь говорим, обычно называют кольцевой и ведущей шестернями. Их механическое преимущество заключается в том, что они умножают крутящий момент, передаваемый карданным валом (который идёт от коробки передач, а до этого — от двигателя). Это происходит за счёт того, что карданный вал поворачивается (в вашем приближении) на четыре оборота, прежде чем ось поворачивается на один оборот. Это умножение крутящего момента в 4:1, что даёт автомобилю большое преимущество при трогании с места. Чтобы преодолеть эту разницу, если бы она была 1:1, вам понадобилось бы в четыре раза больше крутящего момента, а это не очень хорошо, особенно если мы можем выполнить работу с меньшими затратами.

Вы сказали, что у него «примерно в четыре раза больше зубьев». Это действительно приблизительная оценка, потому что на самом деле передаточное число дифференциала в легковых автомобилях обычно составляет от ~2,75:1 до ~3,50:1, в зависимости от того, как производитель хочет сбалансировать передаточное число главной передачи в соответствии с потребностями автомобиля. Любители быстрой езды используют передаточное число в диапазоне 4:1 или даже выше. Те, кто гонится за максимальной скоростью, используют гораздо более низкое передаточное число. ПРИМЕЧАНИЕ: когда я говорю «больше», я имею в виду «больше в численном выражении». 5:1 численно больше, чем 3:1.

Теоретически да, но на практике нет, потому что если бы коронное колесо и шестерня имели одинаковое количество зубьев, то передаточное число дифференциала (оси, главной передачи) было бы 1:1, а общий крутящий момент (передаточное число трансмиссии * передаточное число главной передачи) был бы недостаточно высоким, чтобы автомобиль двигался вперёд. Кроме того, существует гораздо больше ограничений, из-за которых автомобиль не может ехать в 4 раза быстрее, например, аэродинамические характеристики, диапазон скоростей шин, устойчивость, мощность двигателя и т. д.

Простой пример:
представьте, что у автомобиля передаточное число 1-й передачи составляет 3,455:1, 5-й (верхней) передачи — 0,795:1, а передаточное число дифференциала — 4,529:1. Общий коэффициент умножения крутящего момента на 1-й передаче составляет 15,647 (3,455 x 4,529), 3,600 на 5-й передаче (0,795 x 4,529).
Теперь представьте, что у того же автомобиля передаточное число главной передачи равно 1:1 (одинаковое количество зубьев на коронной шестерне и ведущей шестерне). Тогда общий коэффициент увеличения крутящего момента на 1-й передаче составит 3,455 (3,455x1)
Что означают эти цифры? 3,455 < 3,600

Это значит, что при передаточном числе главной передачи 1:1 крутящий момент на колесах вашего автомобиля будет даже меньше, чем на 5-й передаче с передаточным числом 4,529! Ваша 1-я передача будет даже слабее, чем 5-я! Вашему автомобилю не хватит мощности даже для того, чтобы сдвинуться с места!