Легенды и мифы о КПП

© Федорыч (Атисков Александр, г. Москва)

Про неоспоримое преимущество ГП в КПП. 

Нередко в различных источниках приходится читать высказывания типа:

“Замена главной пары открывает возможность улучшить динамику вашего автомобиля не прибегая к форсировке мотора. В городе расход топлива не изменится, на трассе возможно увеличение на 3% при движении с макс скоростью, что несущественно, заметно же улучшится динамика, двигателю будет проще выходить на максимальные обороты, пятая передача станет более рабочей, появиться ровный подхват на всех передачах, станет легче трогаться с места, преодолевать крутые горки, реже придется переключать передачи при спокойной езде или при движении в городском потоке.”

Написано не очень аккуратно, есть спорные моменты, так что без лишних слов можно попробовать посмотреть некоторые моменты на примере практически стандартной машины, Таз-2112 (1.5л, 16v, 92.5 л.с - максимальная мощность при 5600 RPM, 128.3 н*м - максимальный крутящий момент, при 3700 RPM) для двух вариантов главной пары (ГП) – 3.706 и 4.13. Отсечку в 6210 RPM снимем.

Рис.1 Путь-время (здесь и далее: синий - ГП 3,796, красный - ГП 4.13)

Рис.2 Скорость - Время

Рис.3 Ускорение - Скорость

Рис.4 Ускорение - Время

Ну вроде бы как по графикам не очень впечатляет, приведем все это в цифирях:

Хм, 3.706 в конце концов обгонит 4.13 ("максималка" у нее чуток повыше). Еще момент – если внимательно посмотреть Рис.3 (ускорение-скорость), то можно увидеть, что, например, в режиме эластичности для 2-ой передачи на скоростях до 80 км/час выигрывает ГП 4.13, а выше – уже ГП 3.706. И тут разница может быть в разы - на том же графике видна, например, тенденция, по которой на скоростях 100 км/час стандарту с ГП 4.13 на 2-ой передаче ничего не светит, а 3.706 еще и разгоняется (правда темп этого разгона падает, но тем не менее). Не исключено, что если рассматривать разгон только до 100км/час, то возможно, что 3.706 выиграет на 2-й, пока 4.13 третью втыкать будет. И еще – если на Рис.4 (ускорение-время) имеются практически горизонтальные участки графика (на самом деле они не совсем горизонтальны, просто в таком масштабе все эффекты скрадываются) и это не что иное, как “пилотирование” на грани проскальзывания колес (с учетом динамической развесовки авто и прочего). Так вот эффект этого проскальзывания (срыв колес в шлиф) на паре 4.13 наступает резче (в том числе и по времени) и сильней по амплитуде. Понятно, в расчете “идеальный” пилотаж, а вот за рулем в реальных условиях ошибиться – раз плюнуть и если это произошло, то не исключено, что 3.706 уедет на этом этапе и уже навсегда.

Тем не менее, разница в разгонных характеристиках по-прежнему незначительна. Так что, все восхваления пресловутой ГП 4.13 по сравнению с ГП 3.706 есть ничто иное, как лапша на наших ушах, навешанная тюнинговыми конторами и ничего более? 

Можно рассмотреть это дело немного подробнее. Прежде всего, необходимо отметить, что приведенные данные расчетов разгона построены для “фанатичного” разгона – техники ударного переключения передач, немилосердной раскрутке двигателя до 6652-6366 RPM (c 1-й на 2-ю, со 2-й на третью). Эти данные конечно относительно условные (с точностью до принятых данных, ВСХ в первую очередь), но тем не менее, такие режимы вызвать печальные последствия для деталей КПП (шестерни, синхронизаторы, сцепление) буквально через пару-тройку подобных стартов. А что будет, если ограничить обороты двигателя величиной, ну скажем (это я уже навскидку, сознательно выбрал для иллюстрации “наибольшего эффекта ГП”) в 3700 с копейками RPM. Вот результаты такого численного эксперимента:

Вот, есть эффект, особенно для разгона до до 100 км/час – почти секунда! С другой стороны, если взять испытания на эластичность (40-100 км/час на 2-ой передаче), то 3.706 будет выигрывать в разы! Однако цифры то каковы, сравните с предыдущими значениями, для разгона с “фанатизмом”, что же получается? При разгоне до 100 км/час почти 6-7 секунд выброшено в мусорную корзину, не машина, а телега. Вот цена словам - “заметно же улучшится динамика”. 

Когда же целесообразно переключать передачи при фанатичном разгоне?

Сколько людей, столько и мнений. Посмотрим, что тут можно придумать. Сразу отнесем за границу рассмотрения моменты, связанные со шлифом колес, раскруткой трансмиссии во время переключения и некоторые другие моменты. Сейчас скажу немного странную на первый взгляд мысль. Так что же разгоняет автомобиль? Ответ – дорога… Странно, не так ли, все про двигатель говорим, а тут – дорога. Ну конечно не само полотно дороги, а ее реакция на колесья (помните Ньютона, про действие-противодействие и про то, что не уравновешиваются, поскольку приложены к разным телам). Итак, нужен крутящий момент на колесах. Его (а точнее говоря его отношение крутящего момента, деленного на динамический радиус качения ведущих колес за вычетом разнообразных сил сопротивлений, к массе авто) иногда называют динамическим фактором. Да в конечном итоге хрен с ним, с пресловутым фактором – в первом приближении можно предположить, что передачи переключаются мгновенно (скорость, а и следовательно потери, практически не меняются), коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии (передний привод, поперечное расположение двигателя) на разных передачах практически одинаков. Тогда можно ограничиться рассмотрением одного крутящего момента. 

Итак, разгоняемся на определенной передаче (n1,m1,k1 – обороты, крутящий момент двигателя и передаточное значение трансмиссии). На колесах имеем крутящий момент, равный: m1*k1*КПД. Разгоняемся дальше, крутящий момент на колесах после оборотов максимального крутящего момента падает, а возможный крутящий момент на колесах (при переключении на следующую, более высокую ступень КПП) потихоньку растет. Понятно, что переключится на следующую ступень надо, когда текущий крутящий момент на колесах сравняется с возможным. 

Запишем равенство моментов: m1*k1*КПД= m2*k2*КПД.Что же из этого следует? Мы переключились на режим работы двигателя с оборотами n2=n1/ k1*k2 (скорость практически не изменилась) и моментом m2= m1*k1/k2. А теперь, внимание, понятно, что произведение n1*m1 равно произведению n2*m2 и является тривиальной мощностью двигателя (понятно, что с точностью до коэффициента два пи, да минуты в секунды перекрутить). Сие означает, что при фанатичном разгоне переключиться мы должны в точку той же мощности. И все, никаких значений максимального крутящего момента, ничего, только мощность и еще раз мощность. Это правда, но не вся правда – имеются еще массовые потери – на закручивание (или разгон) деталей, обладающих моментами инерции (первичный вал, корзина сцепления, маховик). Массовые потери на угловое ускорение этих деталей различны для разных передач. Но это мелочи, порядка 1%, редко чуть выше. А вот как это переключение выглядит на графиках, характеризующих ВСХ:

Рис.5 Крутящий момент - обороты и линии переключения.

Рис.6 Мощность - обороты и линии переключения.

Здесь использовались результаты, взятые из предыдущих расчетов для ГП 3.706 (переключение с передачи на передачу, обороты на низшей, обороты на высшей):

1-2 передача 6652 - 3548 RPM
2-3 передача 6366 - 4404 RPM
3-4 передача 6380 - 4392 RPM

Напрашивается вывод – для идеальной коробки (моментальное переключение, любое возможное передаточное число, типа бесступенчатый вариатор), с учетом принятых допущений, в плане “фанатичного” разгона целесообразно ехать на пике мощности

Короткая первая – недостатки и преимущества.

Наверно обратили внимание, что линия переключения передач 1-2 лежит гораздо ниже остальных линий и как бы выпадает (см.рис.6). Вот этот то эффект частенько называют “разрывом”, “ступенькой”, короткой первой. Уже как бы выше пришли к выводу, что при фанатичном разгоне надо держаться как можно ближе к максимальному значению мощности на кривой ВСХ. Вот это (не оптимальный разгон) и является основным недостатком короткой первой передачи. Но, как говорится, жизнь богаче, есть и несомненные плюсы. К ним можно отнести и повышенное значение крутящего момента – для примера представьте езду скажем по раскисшему осеннему проселку. Лемехи грязи, облепившие колеса, на длинной первой на малых скоростях тривиально не хватает крутящего момента, а добавить оборотов – того и гляди, зароешься. Подобная ситуация возможна и в глубоком снегу.

Облегчили маховик, что имеем? 

Вообще говоря, речь нужно вести не про облегчение маховика, а про уменьшение момента инерции. Конечно, уменьшение массы маховика тоже пойдет на пользу делу разгона, но это такой мизер, что не имеет смысла обсуждать (что такое снижение массы на 2кг по сравнению со снаряженной под тонну?). А вот уменьшение момента инерции должно привести к выигрышу в разгоне, более быстрой реакция на педаль газа без нагрузки и, с другой стороны, к менее стабильным холостым, небольшому напрягу (выражающимся в увеличенных оборотах двигателя) при трогании с места. 

Это все слова, проще прикинуть, что даст в моменте инерции выборка 1 кГ на радиусе 112 мм (техническую возможность этого не рассматриваю – порылся в гараже, маховик нашел только от классики). Это будет 1*0.112^2=0.012544кг*м^2.

Сразу скажу, что по графикам мало что видно, так что сразу приведу результаты численного моделирования разгона:

Тенденция понятна, разве что маловата как бы разница, однако что есть на дистанции 400м. пресловутые 0.085 сек. Скорость на рубеже 400 м – порядка 123.8-124 км/час, значит эти 0.085 сек дадут 2.93 м. (чуть больше, чем 2/3 корпуса машины). На вкус и на цвет… Аналогично можно и в других “дисциплинах” посмотреть, вот стоит ли? 

Разумеется – облегченный маховик может дать выигрыш по времени переключения (это с одной стороны), а с другой – требует большей квалификации при начальной стадии разгона, это хорошо видно на графике ускорение – скорость (не привожу). Одно примечание – для более легкого кузова (скажем не 2112, а 2108) эффект будет больше. 

Разогнали зубило до 190км/час. 

Нередко приходится читать и слышать про достигнутые практически на стандартных машинах подобных значений максимальной скорости. Спидометры, уклоны, ветерки можно пока изъять из рассмотрения. Прежде всего, необходимо ответить, что цифири максимальной скорости - те, что нам втюхивает завод, как правило, являются “парадными”. Так, для стандартного 8v зубильного ряда "максималка" в лучшем случае не 156 км/час, а 152 км/час, для 2112 с 1.5 л 16v не 185 км/час, а в лучшем случае 179 км/час. 

На таких скоростях главные затраты двигателя приходятся на преодоление сил аэродинамического сопротивления. А последние, как известно, пропорциональны коэффициенту аэродинамического сопротивления, площади миделевого сечения, скоростному напору (половине произведения плотности воздуха на квадрат его скорости).

Аэродинамическое сопротивление, площадь миделя и плотность воздуха не трогаем - стандарт есть стандарт. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости? Тогда потребная мощность на преодоление этой силы пропорциональна кубу скорости, и для зубильной "максималки" в 190 км/час нужно 77*(190/152)^3 = 150 кобыл! Вот тебе и стандарт... Справедливости ради надо отметить, что даже наличие под капотом 150 л/.с в зубиле не обеспечивают максимальной скорости в 190, надо иметь еще трансмиссию, которая обеспечивала бы при таких оборотах колес попадание в зону пика мощности как минимум, не хуже, чем в стандарте на 152 км/час, но это, как говорится, уже детали...