Что передает крутящий момент
Перейти к содержимому

Что передает крутящий момент

  • автор:

Трансмиссия

Трансмиссия автомобиля выполняет две функции: она передает крутящий момент от двигателя ведущим колесам автомобиля, а также изменяет его величину и направление. При передаче крутящего момента трансмиссия, кроме того, перераспределяет его между отдельными колесами.

Назначение трансмиссии

Двигатели внутреннего сгорания, являющиеся на сегодняшний день основным источником энергии для автомобилей, имеют максимальные значения крутящего момента и мощности при разных значениях частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для того чтобы использовать соответствующие обороты двигателя при различных скоростях движения автомобиля, необходимо иметь возможность изменять передаточное число трансмиссии. Общее передаточное число трансмиссии в любой момент времени можно определить отношением частоты вращения коленчатого вала двигателя к частоте вращения ведущих колес.
Крутящий момент, передающийся на ведущее колесо, определяет тяговое усилие, действующее в контакте колеса с дорогой. Это усилие определяется делением величины крутящего момента на радиус колеса. Для движения автомобиля необходимо, чтобы тяговое усилие было больше суммы сил сопротивления движению (силы сопротивления качению, силы сопротивления подъему, силы инерции, аэродинамического сопротивления). Сумма сил сопротивления движению изменяется в широких пределах в зависимости от условий движения, поэтому трансмиссия автомобиля должна обеспечивать возможность изменения тягового усилия путем изменения в широком диапазоне крутящего момента. Максимальное тяговое усилие ограничивается не возможностями двигателя и трансмиссии, а сцеплением колес с дорогой. Это усилие не должно превышать силу сцепления, иначе ведущие колеса будут проскальзывать и автомобиль не сможет двигаться. Силу сцепления можно определить, умножив часть массы автомобиля, приходящегося на одно колесо, на коэффициент сцепления — ϕ. Коэффициент сцепления зависит от состояния дорожного покрытия, качества и состояния шин и находится в пределах от 0,1 до 0,9.
Наибольшее суммарное тяговое усилие может быть реализовано, если все колеса автомобиля будут ведущими. Тем не менее для движения автомобиля по дорогам с твердым покрытием достаточно двух ведущих колес на одной оси. Увеличение числа ведущих колес приводит к усложнению трансмиссии и увеличению механических потерь, поэтому конструкторам автомобилей приходится применять компромиссные решения в зависимости от назначения автомобиля.

Механические трансмиссии

Выбор типа привода ведущих колес и компоновки автомобиля определяют возможность в наибольшей степени реализовать те или иные его свойства. Особенности привода оказывают влияние на топливную экономичность, безопасность, массу и компактность автомобиля, а также на показатели устойчивости, управляемости и тормозной динамики.

Трансмиссия 1.jpg

Схема трансмиссии автомобиля классической компоновки:
1 — двигатель;
2 — коробка передач;
3 — главная передача и дифференциал;
4 — карданная передача

У автомобилей классической компоновки с колесной формулой 4×2 крутящий момент от двигателя передается через сцепление к коробке передач. В коробке передач крутящий момент может ступенчато изменяться в соответствии с включенной передачей. Двигатель, сцепление и коробка передач обычно объединяются в один блок, образуя силовой агрегат. От коробки передач крутящий момент передается через карданную передачу к главной передаче, где увеличивается, и далее через дифференциал и полуоси подводится к ведущим колесам. Главная передача, дифференциал и полуоси с колесами образуют ведущий мост.

Трансмиссия 2.jpg

Схема трансмиссии переднеприводного автомобиля:
1 — двигатель;
2 — главная передача и дифференциал;
3 — коробка передач

Если силовой агрегат располагается в непосредственной близости от ведущего моста (переднеприводные автомобили и автомобили заднемоторной компоновки с задними ведущими колесами), в трансмиссии можно обойтись без карданной передачи между коробкой передач и главной передачей. При такой компоновке главная передача и дифференциал обычно объединяются в один агрегат, а для привода ведущих колес используются полуоси с шарнирами.

  • Механические трансмиссии
    • Сцепление
      • Привод сцепления
      • Гидромеханическая передача
        • Гидротрансформатор
        • Система автоматического управления АКП
        • Клиноременные вариаторы
        • Тороидные вариаторы
        • Компоновки полноприводных трансмиссий
        • Дифференциалы полноприводных автомобилей
        • Гибридная трансмиссия

        Назад

        Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.

        Крутящий момент, что это и зачем он нужен?

        Каждый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на определенную максимальную мощность, которую он может выдавать при наборе определенного количества оборотов коленчатого вала. Однако помимо максимальной мощности существует еще и такая величина в характеристике двигателя, как максимальный крутящий момент, достигаемый на оборотах отличных от оборотов максимальной мощности.

        Что же означает понятие крутящий момент? Говоря научным языком, крутящий момент равен произведению силы на плечо ее применения и измеряется в ньютон — метрах. Значит если к гаечному ключу длиной 1 метр (плечо), приложить силу в 1 Ньютон (перпендикулярно на конце ключа), то мы получим крутящий момент равный 1 Нм.

        Для наглядности: если гайка затянута с усилием 3 кгс, то для ее откручивания придется к ключу с длиной плеча в 1 метр приложить усилие 3 кг. Однако, если на ключ длиной 1 метр надеть дополнительно 2-х метровый отрезок трубы, увеличив тем самым рычаг до 3 метров, то тогда для отворачивания этой гайки потребуется лишь усилие в 1 кг. Так поступают многие автолюбители при откручивании колесных болтов: либо добавляют отрезок трубы, а за неимением такового просто надавливают на ключ ногой, увеличив тем самым силу приложения к баллонному ключу. Так же если на рычаг метровой длины повесить груз равный 10 кг, то появится крутящий момент равный 10 кгм. В системе СИ это значение (перемножается на ускорение свободного падениям) будет соответствовать 98,1 Нм. Результат всегда един — крутящий момент, это произведение силы на длину рычага, стало быть, нужен либо длиннее рычаг, либо большее количество прикладываемой силы.

        Все это хорошо, но для чего нужен крутящий момент в автомобиле и как его величина влияет на его поведение на дороге? Мощность двигателя лишь косвенно отражает тяговые возможности мотора, и ее максимальное значение проявляется, как правило, на максимальных оборотах двигателя. В реальной жизни в таких режимах практически никто не ездит, а вот ускорение двигателю требуется всегда и желательно с момента нажатия на педаль газа. На практике одни автомобили уже с низких оборотов ведут себя достаточно резво, другие напротив предпочитают лишь высокие обороты, а на низах показывают вялую динамику. Так у многих возникает масса вопросов, когда они с авто с бензиновым мотором мощностью 105-120 л.с. пересаживаются на 70-80 – сильный дизель, то последний с легкостью обходит машину с бензиновым мотором. Как такое может быть? Связано это с величиной тяги на ведущих колесах, которая различна для этих двух автомобилей. Величина тяги напрямую зависит от произведения таких показателей как, величины крутящего момента, передаточного числа трансмиссии, ее КПД и радиуса качения колеса. Как создается крутящий момент в двигателе. В двигателе нет метровых рычагов и грузов, и их заменяет кривошипно-шатунный механизм с поршнями.

        Крутящий момент в двигателе образуется за счет сгорания топлива — воздушной смеси, которая расширяясь в объеме с усилием толкает поршень вниз. Поршень в свою очередь через шатун передает давление на шейку коленчатого вала. В характеристике двигателя нет значения плеча, но есть величина хода поршня (двойное значение радиуса кривошипа коленвала). Для любого мотора крутящий момент рассчитывается следующим образом. Когда поршень с усилием 200 кг двигает шатун на плечо 5 см, появляется крутящий момент 10 кГс или 98,1Нм. В данном случает для увеличения крутящего момента нужно либо увеличить радиус кривошипа, или же увеличить давление расширяющихся газов на поршень. До определенной величины можно увеличить радиус кривошипа, но будут расти и размеры блока цилиндров как в ширину, так и в высоту и увеличивать радиус до бесконечности невозможно. Да и конструкцию двигателя придется значительно упрочнять, так как будут нарастать силы инерции и другие отрицательные факторы. Следовательно, у разработчиков моторов остался второй вариант – нарастить силу, с которой поршень передает усилие для прокручивания коленвала. Для этих целей в камере сгорания нужно сжечь больше горючей смеси и к тому же более качественно. Для этого меняют величину и конфигурацию камеры сгорания, делают «вытеснители» на головках поршней и повышают степень сжатия. Однако максимальный крутящий момент доступен не на всех оборотах мотора и у различных двигателей пик момента достигается на различных режимах. Одни моторы выдают его в диапазоне 1800- 3000 об/мин, другие на 3000-4500 об/мин. Это зависит от конструкции впускного коллектора и фаз газораспределения, когда эффективное наполнение цилиндров рабочей смесью происходит при определенных оборотах.

        Наиболее простое решение для увеличения крутящего момента, а следовательно и тяги, это применение турбо или механического наддува, либо применение их в комплексе. Тогда крутящий момент можно уже использовать с 800-1000 об/мин, т.е. практически сразу. К тому же это закрывает такую проблему, как провалы при наборе скорости, так как величина крутящего момента становится практически одинакова во всем диапазоне оборотов двигателя. Достигается это различными путями: увеличивают количество клапанов на цилиндр, делают управляемыми фазы газораспределения для оптимизации сгорания топлива, повышают степень сжатия, применяют выпускной коллектор по формуле 1-4 -2-3, в турбинах применяют крыльчатки с изменяемым и регулируемым углом атаки лопаток и т.д.

        Что передает крутящий момент

        Вся совокупность узлов, чьей основной задачей является передача крутящего момента от двигателя к ведущим колесам, называется трансмиссией автомобиля. Кроме передачи крутящего момента, трансмиссия применяется и для изменения его величины и направления (осуществление заднего хода).

        Трансмиссии делят по типу привода. В качестве ведущих в транспортном средстве могут выступать задние колеса, передние или сразу все колеса (так называемый полный привод). В зависимости от типа привода, конструктивное исполнение трансмиссии автотранспортного средства может в значительной мере различаться.

        В общепринятой конструкции трансмиссии современного бензинового или дизельного автомобиля двигатель и коробка переключения передач традиционно разделяются сцеплением, назначение которого состоит в кратковременном их разъединении (например, для смены передачи) и плавном соединении. А вот после КПП трансмиссии классических переднеприводного и заднеприводного автомобилей существенно различаются между собой.

        У переднеприводного легкового автомобиля дифференциал и главная передача, как правило, размещены непосредственно в коробке переключения передач, из которой с помощью полуосей и комплекта ШРУСов (шарниров равных угловых скоростей) крутящий момент двигателя и передается на передние ведущие колеса. У типичного заднеприводного автомобиля крутящий момент от двигателя через коробку переключения передач передается на главную передачу и дифференциал (расположенные в заднем мосту) с помощью карданного вала, и далее посредством полуосей – на ведущие задние колеса.

        В последние годы все большую популярность обретают электромобили. Одним из их плюсов является значительное упрощение трансмиссии. При подсоединении к каждому колесу своего электродвигателя, в качестве трансмиссии выступает только одноступенчатый зубчатый редуктор. А в случае, когда двигатели вмонтированы в колеса, трансмиссия по своей сути становится полностью электронной.

        Ступицы колес и подшипники ступиц

        Колесные ступицы – это узел, соединяющий подвеску автомобиля с системой подшипников, дающей возможность колесам свободно вращаться. Ступичные узлы оказывают самое прямое влияние на степень управляемости автомобиля. Их выход из строя может привести к непредсказуемому изменению траектории движения транспортного средства и к возникновению ДТП.

        Колесные ступицы и подшипники ступиц от TMI TATSUMI изготавливаются из высококачественной стали, их рабочие поверхности подвергаются процедуре закалки для обеспечения высокой твердости и максимально возможной прочности. Дорожки шариковых подшипников тщательно полируются для максимального снижения трения и уменьшения выработки. Кроме того, в наших подшипниках используются шарики, полностью соответствующие стандарту JIS ( Japanese Industrial Standards), что также способствует увеличению срока службы подшипников.

        В подшипниковых узлах бренда TMI TATSUMI используется специальное сальниковое уплотнение для обеспечения надежной защиты от воздействия негативных факторов окружающей среды, грязи и абразивных частиц. Кроме того, для минимизации внутреннего трения и сопутствующего ему износа, применяется высокоэффективная смазка, рассчитанная на длительный период эксплуатации без замены.

        Ступицы колес и подшипники ступиц

        Наружные и внутренние ШРУСы автомобиля

        Шарниры равных угловых скоростей (ШРУС) применяются для непосредственной передачи крутящего момента от коробки передач к ведущим колесам. Выход из строя ШРУСов в конечном итоге приводит к невозможности эксплуатации автомобиля, но обычно столь печальные последствия наступают не сразу. Поэтому, в случае выявления шумов при движении (характерного хруста), необходимо незамедлительно оценить состояние этих шарниров и в случае такой нужды, вовремя их заменить новыми.

        Шарниры равных угловых скоростей TMI TATSUMI производятся на специализированных предприятиях из высококачественной стали, их рабочие поверхности закаляются с использованием токов высокой частоты для обеспечения нужной твердости и максимального срока службы. Поставляемая в комплекте со ШРУСами высококачественная смазка снижает внутреннее трение до минимального уровня, что и способствует длительной и эффективной работе этого узла на автомобиле.

        Наружные и внутренние ШРУСы автомобиля

        Пыльники ШРУСов

        ШРУСы работают в тяжелых условиях под днищем движущегося автомобиля. Надежную защиту шарниров равных угловых скоростей от попадания в них грязи, различных абразивных частиц, жидкостей и пр. выполняют специально разработанные для этой цели пыльники. Такой пыльник является очень важной деталью, ведь в случае его повреждения или появления негерметичности ШРУС быстро выйдет из строя (трущиеся поверхности будут изношены) и потребует замены.

        Пыльники для шарниров равных угловых скоростей бренда TMI TATSUMI производятся из качественного синтетического каучука, стабильно сохраняющего свои характеристики при значительных перепадах температур и под воздействием химически активных веществ, различных абразивов и существенных механических нагрузок. Хомуты пыльников изготавливаются из нержавеющей стали, что гарантирует удобство сборки узла и надежную фиксацию пыльников в течение всего периода их эксплуатации.

        Пыльники ШРУСов

        Приводные валы

        Приводные валы переднеприводных легковых автомобилей подвержены значительным скручивающим нагрузкам и работают в очень жестких условиях, так как расположены в непосредственном контакте с дорожной пылью и грязью, частицами битума, воды, бензина, масла при самых разных температурах. Именно поэтому к применяемым материалам, обработке поверхности и общему качеству изготовления приводных валов предъявляются весьма жесткие требования.

        В случае выхода хотя бы одного приводного вала из строя, автомобиль попросту не сможет продолжить движение.

        Под брендом TMI TATSUMI производятся автомобильные приводные валы для установки на транспортных средствах самых разных марок. В их основе лежит сталь высокого качества с применением термических процессов ее поверхностного упрочнения (закалки) с последующей антикоррозионной обработкой. А применение высококачественной эффективной смазки, надежных пыльников, изготовленных из синтетического каучука и хомутов из нержавеющей стали обеспечивает долгую и надежную работу этих деталей и узла в целом.

        Приводные валы

        Сцепление автомобиля

        Автомобильное сцепление – это ответственный узел, подверженный в ходе своей работы значительным температурным и переменным механическим нагрузкам. Задача сцепления – временно разъединять автомобильный двигатель и коробку перемены передач. Частичный выход сцепления из строя приводит к значительным сложностям в эксплуатации автомобиля (например, пробуксовка сцепления, неполное выключение сцепления), росту расхода топлива, быстрому износу коробки передач, двигателя. Полный отказ сцепления делает эксплуатацию автомобиля по сути невозможной (отказ включения или выключения сцепления).

        Комплекты сцеплений бренда TMI TATSUMI производятся из сталей высокого качества, а для надежной передачи крутящего момента от двигателя применяется фрикционный материал специального состава. Диафрагменная пружина подвергается дробеструйной обработке лепестков для формирования упрочненного поверхностного слоя, существенно увеличивающего общий срок службы этой детали.

        График мощности и крутящего момента

        График мощности и крутящего момента

        График мощности и крутящего момента — о чем он говорит?

        График мощности и крутящего момента

        Пример графика мощности и крутящего момента, полученный со стенда для испытания двигателей PowerTest.

        Начнем с определений:

        МОЩНОСТЬ (POWER, HORSEPOWER) — это работа, проделанная за единицу времени. Речь идет в данном случае о механической мощности, которая при вращении вала вокруг своей оси описывается выражением:

        photo_2022-01-11_12-53-29.jpg

        • ω — угловая скорость вращения вала
        • M — крутящий момент
        • π — число ~ 3.1416
        • n — частота вращения, измеряемая в оборотах в единицу времени (в данном случае одна минута).

        Важно отметить что мощность в этой формуле получается в ваттах, для получения результата в лошадиных силах мощность в кВт необходимо умножить на коэффициент 0,735499.

        КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ (TORQUE) — это произведение силы в Н, которая приложена к валу не напрямую, а через рычаг (плечо) длиной 1 м, прикрепленный к валу (точка измерения крутящего момента), отсюда и единица измерения Н*м. При такой нагрузке происходит деформация вала ,только не изгиб, который был бы при нулевой длине плеча, а скручивание, при котором отдельные сечения вала не повторяют друг друга, а оказываются повернутыми друг относительно друга на определённые углы, тем большие, чем больше приложенная сила, или чем больше рычаг при одной и той же силе. По этой причине момент называют крутящим. Не следует ожидать, что вы увидите эту закрутку стального вала диаметром, например, 20 мм, нанеся перед нагрузкой на поверхность вала линии, параллельные его оси. Величина закрутки будет в реальности настолько мала, что её непросто измерить даже с помощью специальных приборов, измерителей крутящего момента.

        ОБОРОТЫ (RPM — Revolutions Per Minute) — здесь все еще проще, это число оборотов, которое совершает ВАЛ за одну минуту. Измеряется в об/мин.

        Часто кажется, что люди не вполне понимают разницу между МОЩНОСТЬЮ и МОМЕНТОМ, тем более, последние связаны друг с другом через еще один ключевой параметр, как на стенде испытаний двигателя, так и в условиях реальной эксплуатации. Это угловая скорость вращения вала.

        Например к нам часто приходят запросы «Нам нужно измерить параметры двигателя мощностью 200л.с.» или «какой гидротормоз вы посоветуете на 140 кВт?»

        Ответить на этот вопрос можно, но это не гарантирует что заказчик получит желаемый результат. Потому что в вопросе отсутствует информация о скоростных режимах испытываемого на стенде двигателя.

        И вопрос обычно задается так, как будто мощность и крутящий момент понятия если не взаимоисключающие, то по меньшей мере не связанные друг с другом.

        • МОЩНОСТЬ (скорость выполнения РАБОТЫ) зависит от МОМЕНТА и СКОРОСТИ ВАЛА(ОБОРОТОВ В МИНУТУ).
        • МОМЕНТ и ОБОРОТЫ В МИНУТУ — ИЗМЕРЕННЫЕ параметры, однозначно определяющие мощность двигателя.
        • Мощность рассчитывается из крутящего момента и оборотов, по следующей формуле:
        • МОЩНОСТЬ в Л.с. = КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ х ОБОРОТЫ ÷ 5252

        Почему это важно?

        При выборе нагружающего устройства это критически важно, так как одну и ту же мощность двигатель может выдавать на стенде как при 1500 об/мин (дизельный двигатель), так и на 20 000 об/мин (двигатель гоночного мотоцикла). Для каждого типа двигателя необходимо подбирать соответствующее нагружающее устройство. А иногда даже не одно, а тандем из двух, первое из которых работает при низких оборотах, а второе при высоких. Если речь идет об испытаниях вновь создаваемых двигателей с широким скоростным диапазоном вращения вала.

        Дизельный двигатель

        Дизельный двигатель и двигатель гоночного мотоцикла.

        Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) превращает энергию, выделившуюся при сгорании топлива в работу движения поршня, тот в свою очередь передает ее на коленчатый вал, который может создавать определенный КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ при заданных оборотах. Величина крутящего момента, который может создать двигатель, обычно существенно зависит от оборотов.

        Для разных двигателей эти параметры будут разными в зависимости от геометрических параметров КШМ (кривошипно-шатунного механизма), типа топлива, массы деталей, формы распределительных валов, системы впрыска топлива и управления зажиганием и т.д.

        Для маленьких и мощных двигателей необходимо использовать высокооборотистые гидротормоза и индуктивные тормоза

        Ниже представлены графики различных гидротормозов для испытания двигателей.

        Кривая мощности и крутящего момента

        Кривая нагружения для высокооборотистого гидротормоза.

        А для больших дизельных двигателей используются гидротормоза, выдающие максимальное тормозное усилие и мощность на низких оборотах

        График крутящего момента и мощности

        Кривая нагружения гидротормоза для испытания мощных дизельных двигателей.

        Что это означает на практике?

        Если отойти от теории, то график мощности и крутящего момента — это основные характеристики двигателя. Когда вы въезжаете на своем автомобиле в горку и пытаетесь поддерживать одну и ту же скорость, вам приходится сильнее нажимать на педаль газа. Многим при этом кажется, что мощность останется та же, т.к. скорость не меняется. Но это не так!

        При движении в горку двигатель выдает большую мощность при тех же оборотах.
        (при неизменной передаче). Это легко проверить, взглянув на текущий расход топлива.

        Также это объясняет, зачем двигателю нужна коробка передач, ведь для эффективного разгона и преодоления подъёмов нам необходимо поддерживать обороты в диапазоне максимальной мощности двигателя.

        А вот электромобили обходятся без нее. Кривая крутящего момента и мощности у электродвигателя намного более линейна, и к тому же электродвигатель выдает куда большую мощность на низких оборотах.

        Зачем измерять мощность и крутящий момент?

        Во-первых это необходимая процедура при разработке и сертификации любого нового двигателя.

        Во-вторых эти данные помогут при дальнейшей настройке и доработке двигателя, чтобы добиться наилучших эксплуатационных характеристик.

        В третьих кривая мощности и крутящего момента, если её сравнить с паспортной — это прямой показатель технического состояния любого двигателя.

        График мощность

        Графики мощности дизельного двигателя до ремонта и после ремонта, полученные с испытательного стенда на базе гидротормоза, который можно приобрести в нашей компании.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *