6. Привод, характеристика двигуна, передатні числа

Після ознайомлення в розділі 5 з опорами руху та необхідними для їх подолання обертовими моментами і приводними потужностями, тепер розглянемо моменти і потужності, створювані двигуном. Необхідні моменти та потужності є функцією швидкості руху. Цю функцію назвемо як характеристика споживання. Підведені моменти та потужності теж змінні разом зі зміною швидкості руху і цю функцію означимо для відміни від попередньої як характеристика постачання.

6.1. Двигун сталої потужності, границя зчеплення

Характеристика споживання для автомобіля, як видно з рис. 5.2 і 5.3, утворює характеристичне поле. Вздовж осі абсцис відкладена швидкість руху, довільно вибрана водієм (аж до максимального значення), а в напрямі осі ординат — обертовий момент, відповідно потужність, спричинені умовами руху на рівній дорозі, на підйомі чи спуску, а також величиною прискорення.

Аби водій міг використати це поле, джерело приводу автомобіля повинно мати таке ж характеристичне поле постачання (рис. 6.1).

Рис. 6.1. „Ідеальна” характеристика постачання, обмежена зчепленням, максимальною потужністю і максимальною частотою обертання: а — на графіку потужності; б — на графіку обертового моменту

З певних міркувань характеристичне поле постачання обертового моменту можна обмежити. Перше обмеження — характеристика обертового моменту

(6.1)

в залежності від кутової швидкості є гіперболою (рис. 6.1б), яка часто називається “ідеальною гіперболою обертового моменту”. Лінія на рис. 6.1а не доведена до , бо за рівнянням (6.1) при нульовій кутовій швидкості потрібний був би нескінченно великий обертовий момент. Це не потрібно з огляду на зчіпні властивості колеса і дороги, тож горизонтальна лінія зверхує границею, за якою відні колеса пробуксовують. На рис. 6.1 нанесене ще одне обмеження — максимальна кутова швидкість, зумовлена самим двигуном чи максимальною швидкістю руху автомобіля.

6.2. Поршневий двигун внутрішнього згоряння

Максимально досяжна потужність N_e поршневого двигуна внутрішнього згоряння (надалі двигуна) є функція його кутової швидкості ω_e. Ця залежність повинна бути отримана експериментально, однак функцію , яка називається зовнішньою швидкісною характеристикою, можна описати поліномом третього порядку

.

(6.3)

Якщо вжити для позначення кутової швидкості, за якої потужність двигуна досягає максимального значення , то для двигуна з іскровим запаленням маємо

,	(6.4)
,	(6.5)
.	(6.6)

Рис. 6.4 ілюструє приклад характеристики двигуна з іскровим запаленням.

Рис. 6.4. Зовнішня швидкісна характеристика двигуна з іскровим запаленням

Криві починаються з кутової швидкості , за якої двигун починає стійко працювати, і яку не слід ототожнювати з кутовою швидкістю марного ходу, що є меншою. Перебіг обертового моментуT_e в функції кутової швидкості характеризується такими особливими точками: момент T_N і кутова швидкість ω_N при максимальній потужності, а також максимальний момент T_max при кутовій швидкості ω_T. Четвертою точкою на рис. 1.1 є максимальна кутова швидкість ω_max.

Для дизелів з непрямим впорскуванням

,	(6.7)
,	(6.8)
,	(6.9)

а для дизелів з прямим впорскуванням

,	(6.10)
,	(6.11)
.	(6.12)

Для визначення і ω_max в таблиці 6.1 подані дуже наближені орієнтовні значення.

Таблиця 6.1

Оціночні значення для визначення мінімальної кутової швидкості ω_{T min} при повному навантаженні, а також максимальної кутової швидкості ω_max

Двигун	ωmax / ωN	ωmax / ωT min
З іскровим запаленням	1,10…1,20	≈ 4
Дизель	≈ 1 (регуляторне обмеження)	≈ 3

Обертовий момент двигуна T_e

.

(6.13)

Кутова швидкість ω_T, за якої досягається максимальне значення обертового моменту T_max, визначається з похідної, прирівняної до нуля

,

(6.14)

звідки для двигуна з іскровим запаленням

.

(6.15)

Коли обертовий момент є максимальним, потужність становить

.

(6.16)

Порівняння на рис. 6.5а. “ідеальної характеристика постачання” з дійсною характеристикою двигуна приводу з рис. 6.4 показує, що поршневий двигун внутрішнього згоряння не зовсім є придатний. Аби згладити цей недолік на тлі таких переваг, як велика питома потужність і проста заправка паливом, його характеристика шляхом перетворення повинна бути наближена до ідеальної.

Рис. 6.5. Перетворення характеристичного поля моменту двигуна чотири-ступеневою коробкою передач: а — поле характеристики двигуна; б — поле характеристики двигуна і чотири-ступеневої коробки передач

Це перетворення повинно задовольняти дві вимоги:

1. повинна бути усунута прогалина між нульовою і мінімальною частотами обертання, аби можна було рушати зі стану спокою;

2. повинен бути змінений перебіг потужності і обертового моменту так, аби він наблизився до „ідеального”.

На рис. 6.6 схематично показана роль перетворювача характеристики.

Рис. 6.6. Схема перетворювача характеристики

На вході підведені: потужність N_вх, обертовий момент T_вх і кутова швидкість ω_вх, а на виході отримані відповідні вихідні величини. Перетворювач не працює без втрат, тож при коефіцієнті корисної дії η втрата потужності становить (1 − η)∙N_вх.

Відповідно до обох вище поданих умов розрізняються:

а) перетворювач частоти обертання (зазвичай званий зчепленням) з характеристичною властивістю: T_вх = T_вих і ω_вх ≠ ω_вих;

б) перетворювач обертового моменту і частоти обертання (зазвичай званий передачею, наприклад коробка передач з головною передачею), для якого: T_вх ≠ T_вих і одночасно ω_вх ≠ ω_вих.

Двигун, що співпрацює з коробкою передач, повинен мати характеристичне поле постачання (T_вх є функцією ω_вх і параметру, наприклад, положення педалі газу). Тоді для чотириступеневої коробки передач з однієї характеристики виникають чотири і з непридатної до використання характеристики самого двигуна утворюється об’єднане поле постачання добре припасоване до ”ідеального“ поля (рис. 6.5б). Прогалина між лівим контуром характеристики двигун-коробка передач і віссю ординат заповнена завдяки перетворювачу частоти обертання — зчепленням.

На рис. 6.7 показана різниця між характеристикою двигуна і комбінації двигуна з передачею в системі координат: потужність в функції кутової швидкості.

Рис. 6.7. Перетворення характеристичного поля потужності двигуна чотири-ступеневою коробкою передач: а — поле характеристики двигуна; б — поле характеристики двигуна і чотири-ступеневої коробки передач