Зниження, головні пари, передавальні числа або все що ви хотіли б знати про передачах позашляхових

Мій друг перейнявся питанням установки 35-х коліс і природно зі мною радився.
Я в процесі пошуку інформації наткнувся на дуже цікаву статтю, яку вважав за потрібне перевести і викласти тут.
Оригінал статті називається - Crawl Ratios And Off-Road Gearing: Everything You've Ever Wanted To Know!

Що означає раздатка чотири до одного (4: 1) на Jeep Wrangler Rubicon? Що в цих 4.10 передачах в цих м'ясистих мостах Dana 44? Чому коли люди ставлять великі колеса на свої машини їм треба змінити передавальні числа? Добре, мета всіх цих змін допомогти транспортному засобу передати більше сили на поверхню. Спробуємо розібратися, чому це так важливо.

Передача Сили поверхні

Для прискорення будь-якого об'єкта повинна існувати сила прикладена до цього об'єкта. Те ж саме вірно для Wrangler YJ озутого в 37 "колеса намагається залізти на круту скелю. Що-б змусити авто рухатися через перешкоди колесам необхідно передати силу скелі, що-б скеля змогла зробити реактивну силу, яка штовхає машину вгору і через перешкоду. Максимізація цієї сили і є важливе завдання всіх оффроад ентузіастів з початку часів.

Ймовірно найвідоміша компанія, яка найбільш часто заявляє про своє позашляховому кредо - це JEEP. Одне з модних слівець, яке вони люблять розкидати навколо, коли представляють "Trail Rated" автомобілі - це "Crawl Ratio" або кінцеве передавальне число (КПЧ). Вони розкажуть вам, як їх нові джипи мають велике КПЧ - 73: 1, яке робить їх кращими позашляховиками з часів Willys MB. Але КПЧ не те, що реально має значення на бездоріжжі. Що дійсно має значення - як багато сили ваші шини можуть застосувати проти поверхні землі.

Звичайно, більше КПЧ допомагає отримати більше сили на землі, але також існують інші фактори в грі, такі як наприклад розмір шин і крутний момент двигуна. Ми поговоримо про ці "інших" факторах, але спершу обговоримо КПЧ (crawl ratio).

Кінцеве / Фінальне передавальне число - Crawl Ratio

По простому КПЧ - це відношення моменту на колесах до моменту на маховику двигуна. Воно показує у скільки разів збільшується крутний момент двигуна перш ніж він досягне місця його актуального застосування. Існує тільки три компонента які визначають КПЧ автомобіля: трансмісія (transmission), роздавальна коробка (transfer case) і диференціал (differential) (див. Картинку вище).

Потужність від двигуна йде через трансмісію, далі через раздатку і нарешті через диференціал. При цьому потужність "законсервована" у двигуні - ви не можете отримати більше потужності просто застосувавши набір шестерень, але ви можете отримати більше крутного моменту. А так як потужність пропорційна моменту помноженому на обороти (потужність = момент * RPM / 5252 (формула для lb-ft)), використовуючи зниження передач ми збільшуємо крутний моменти на виході, але повинні зменшити обороти (RPM) на теж передавальне значення, щоб зберегти потужність постійної.

Потужність двигуна проходячи через трансмісію, раздатку і діфи передає кутове прискорення (обороти двигуна) для крутного моменту. Іншими словами, кожен раз при передачі потужності через зниження передач вихідна швидкість осі нижче швидкості на вході (на маховику), але Момент на виході - вище.

Як знайти збільшення моменту на колесах в порівнянні з моментом на маховику? Досить просто. Помноживши крутний момент на передавальні числа в трьох наборах передач ми можемо прийти до КПЧ.
У формі рівняння:

У рівнянні τwheels - крутний момент коліс, τflywheel - крутний момент на маховику, ntc - передавальне число зниженої передачі раздатки, ntrans - перша передача трансмісії (коробки передач) і ndiff передавальне число диференціала (головна пара).

Для розрахунку КПЧ (crawl ratio) просто перемножуємо найкоротший передавальне числі коробки (перша передача) на передавальні числа раздатки і мостів (одного Діфа).

Крутний момент на Low End Torque

Але КПЧ саме по собі означає дуже мало без згадки крутного моменту двигуна. Вам потрібно знати, коли саме ви реально множите за допомогою КПЧ, щоб дійсно зрозуміти, як добре ваш автомобіль буде управлятися в важких умовах. КПЧ рівне 27, яке ми розрахували для XJ ідеально і досить для його 4.0 двигуна виробляє близько 200 lb-ft (270 Нм) крутного моменту вже на холостих. А ми знаємо, що крутний момент на колесах це КПЧ помножене на крутний момент двигуна. Отже для XJ, на холостих при зниженому ряді передач:

Це досить багато моменту на колесах. Це добре, тому що немає необхідності розкручувати двигун для отримання моменту і означає, що Jeep може їхати приємно і повільно через скелі. Якби мій XJ мав анемічну (читаємо дохлу) 2.5-літрову рядну четвірку і маючи при цьому той-же КПЧ crawl = 27 він отримував би набагато менше моменту на колесах і швидше прискорював б камені під колесами - досить сумнівне задоволення. Ось чому 4-х циліндрові XJ йдуть з головними парами 4.10.

Отже, крутний момент на колесах це добре, але не дає нам загальної картини. Шини також відіграють велику роль в зчепленні.

Перехід від лисих 30 "коліс до горбистих 37" -м відмінне рішення для дорожнього просвіту і зчеплення, але це може вплинути на прискорення автомобіля. Чому? Перебудовуючи другий закон Ньютона ми знаємо, що прискорення автомобіля одно силі діючої на машину розділеної на його масу:

Причина чому авто рухається вперед в дійсності в тому, що земля "штовхає" її завдяки реакції на силу прикладається до поверхні колесами. Це третій закон Ньютона: Сила вироблена колесами зустрічається з однаковою і протилежною силою від дороги до шин (кожній силі дії є рівна їй сила протидії):

Крутний момент вироблений на колесах призводить до сили у поверхні землі, що дорівнює моменту поділеній на радіус шини. Це означає, що великі шини виробляють менше сили. І так як маса залишається незмінною, другий закон Ньютона (див. Перебудоване рівняння вище) свідчить, що прискорення буде падати. Ось чому виникає бажання змінити передачу, коли ви маєте великі колеса: ви хочете збільшити τwheel (момент на колесах) для збереження сили Frt досить високою для збереження пристойного прискорення.

Також слід зазначити, що принципи наведені вище вкрай спрощені і не беруть до уваги, що збільшуються моменти інерції великих шин. Але великі шини справді мають більш високі моменти інерції, що вимагає більше часу для їх обертання. Ми не будемо заглиблюватися в це питання, але це ще одна причина чому зміна передавальних чисел так важлива.

Більше контролю при повільному русі

Ще одна величезна вигода від вірно підібраних передавальних чисел, крім більшої сили на поверхні це можливість перетинати перешкоди більш повільно і в більш контрольованою манері. Двигуни як правило виробляють максимум потужності в верхньому діапазоні оборотів (що впливає як, потужність = момент х обертів). Для того, щоб автомобіль мав досить часу для подолання крутих підйомів на низьких швидкостях, ви захочете щоб двигун міг крутитися швидко при низькій швидкості коліс. Це утримає двигун у пікової потужності в той час як автомобіль буде рухатися на низькій, контрольованої швидкості.

У цьому перевага великого КПЧ crawl ratio: воно не тільки збільшує крутний момент вашого двигуна, але також дозволяє отримувати більше потужності перебуваючи в діапазоні високих оборотів маховика і низьких швидкостях авто. Потужність може пройти через велику кількість передавальних знижень, що в кінцевому рахунку зробить багато моменту на колесах.

Мати достатньо потужності для повільного подолання перешкод одна справа, але навіть маючи достатньо потужності на холостих ви може бути обмежені в тому, як повільно ви можете рухатися перш ніж двигун затихне. А повільний рух по бездоріжжю може бути саме тією різницею між курсуванням між складними перешкодами і зрізанням валів моста. Низькі швидкості - особлива проблема автомобілів з механічною коробкою передач, де колеса жорстко з'єднані з двигуном. Двигун має певну мінімальну швидкість холостого ходу, зазвичай близько 600-800 rpm. Швидкість холостого ходу ωEngine безпосередньо пов'язана з мінімальними оборотами колеса таким рівнянням:

Це означає, що висока КПЧ crawl ratio призводить до низьких оборотах коліс. Це важливо: коли ви маєте дійсно короткі передачі, ваші колеса будуть крутитися дуже повільно в порівнянні з коленвалом. І низькі обороти коліс означають низьку швидкість автомобіля, так як швидкість авто пов'язана з RPM шини через радіус, r:

Отже якщо ви маєте величезні колеса ваша мінімальна швидкість руху буде досить високою, якщо ви не зміните передавальні числа.

При високій швидкості руху можна отримати проблеми при русі в тісних, складних ділянках. Звичайно є можливість їхати повільніше на механічній коробці якщо у вас "погані" передавальні числа, але вам доведеться використовувати стартер)) або дозволяти шинам або зчепленню прослизати. Зовсім цікава перспектива, коли під боком обрив в 50 метрів.

Ця мінімальна швидкість руху не дає стільки проблем в разі автоматичної коробки передач, так як ви можете рухатися повільно як хочете, без ризику стихнути, завдяки великому прослизанню в гідротрансформаторі. Він дозволяє двигуну працювати на холостих навіть якщо колеса зовсім будуть крутитися, думаю буде мати місце невелике спінювання масла, що призведе до значного нагрівання трансмісії. Радіатор АКПП хорошого розміру впорається з цим. Насправді, коли гідротрансформатор прослизає і спінює рідина, істотно збільшується крутний момент двигуна з коефіцієнтом до 2-х. А більше моменту дорівнює більше "краще".

Керованість на дорозі

Інший аспект - як передавальні числа впливають на те, як автомобіль їде по звичайній дорозі. Короткі передачі дозволять мати більше крутного моменту на колесах, відповідно кращого прискорення, але може обмежити максимальну швидкість. Висока КПЧ (читай короткі передачі) означає ваші колеса будуть крутитися дуже повільно в той час як обороти двигуна будуть дуже високими. Це може привести до зниження максимальної швидкості, за винятком випадку якщо ви скоректуєте розмір коліс. Згадаймо що швидкість колеса, дорівнює радіусу помноженому на обороти. Отже, навіть з високим КПЧ crawl ratio, великі шини можуть знизити швидкості двигуна і зробити їзду по трасі досить приємною.

Високі передавальні теоретично дозволяють отримати кращу економічність, але збільшують мінімальну швидкість руху і впливають на швидкість розгону. Думаю високі ПЧ не обов'язково приведуть до низьких оборотах на трасі і кращої паливної економічності. Дуже часто люди ставлять величезні колеса і не вважають за заміною передач. Великі шини знижують осьову навантаження? яка рухає машину вперед і коли це сила не може подолати опір трансмісії треба переключитися нижче, що-б надати більше крутного моменту колесам. Це призведе до поганої паливної економічності і гучного їзді по трасі.

Привабливість у тому, що КПЧ дає краще: досить короткий що-б дати гарне прискорення і низьку швидкість на бездоріжжі, але досить високу що-б дозволити двигуну зберегти низькі обороти на трасових швидкостях. Розуміння балансу між передачами і розміром шин ключ до успіху на бездоріжжі!

Розбирав питання колишній Fiat Chrysler інженер і передплатник Jalop David Tracy's
оригінал статті

p.s. Не виключаю, що є неточності перекладу.