Как крутящий момент передается на колеса?
Трансмиссия служит для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса, а также для изменения величины крутящего момента и его направления. … Существуют три основные компоновки трансмиссии: заднеприводная (или классическая), переднеприводная и полноприводная.
Усилие от двигателя передается ведущим колесам через сцепление, коробку передач, главную передачу, дифференциал, полуоси.
…
Усилие от двигателя передается к ведущим колесам несколькими механизмами силовой передачи:
Коробка передач служит для изменения крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля, а также длительного разъединения двигателя от трансмиссии. Карданная передача обеспечивает передачу крутящего момента от вторичного вала коробки передач на вал главной передачи, расположенных под углом друг к другу.
Основное назначение дифференциала в технике — трансмиссии транспортных машин, в которых дифференциал разветвляет поток мощности от двигателя на два между колёсами, осями, гусеницами, воздушными и водными винтами.
Главная передача – это набор из двух шестерней: ведущая получает вращение от КПП и передает его ведомой. Ведомая же шестерня главной передачи передает вращение через корпус на шестерни-сателлиты, а они, в свою очередь, находятся в зацеплении с солнечными шестернями, жестко закрепленными на приводных полуосях колес.
Энергия передается от дифференциала к задним колесам посредством полуосей. На концах, которыми полуоси крепятся к дифференциалу, предусмотрены валики со скошенными зубьями. Эти валики взаимодействуют с ведомой шестерней посредством промежуточных шестерен.
Различают два основных способа передачи крутящего момента — жесткий и фрикционный. При первом способе крутящий момент передается жесткими элементами, работающими на срез, изгиб или смятие; при втором — силами трения, возбуждаемыми на цилиндрических, конических или торцовых поверхностях вала.
Автомобилю коробка передач (трансмиссия) необходима из-за особенностей работы двигателя внутреннего сгорания. … Коробка связана с двигателем через муфту, поэтому входной вал коробки делает столько же оборотов, сколько и двигатель.
Трансми́ссия (силовая передача) — (от лат. transmissio — пересылка, передача) в машиностроении все механизмы, соединяющие двигатель с тем, что должно двигаться (например, с колесами в автомобиле), а также всё, что обеспечивает работу этих механизмов.
Главная передача увеличивает крутящий момент и передает его через полуоси к ведущим колесам.
Трансмиссия служит для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса, а также для изменения величины крутящего момента и его направления. … Существуют три основные компоновки трансмиссии: заднеприводная (или классическая), переднеприводная и полноприводная.
Подавляющее большинство сцеплений, применяемых на отечественных автомобилях, относится к фрикционным сухим дисковым сцеплениям, в которых использованы сила трения сухих поверхностей.
Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Межосевой дифференциал устанавливается между ведущими мостами полноприводного автомобиля.
… Цилиндрический дифференциал устанавливается чаще между осями полноприводных автомобилей.
блокирует шестерню первой передачи на вторичном валу; вращение передаётся сначала единственной шестернёй первичного вала на промежуточный, а с него — через шестерню первой передачи на вторичный вал, и далее на трансмиссию.
Двигатель – это «сердце» автомобиля, его главная и самая важная часть. В цилиндрах двигателя происходит сгорание топлива, высвободившаяся при этом энергия приводит в движение поршни, которые толкают коленчатый вал. Вал, через множество преобразующих механизмов, в свою очередь, приводит в движение колеса автомобиля.
Дифференциал (от лат. differentia – разность, различие) – механизм, обеспечивающий вращение ведущих колес с разными скоростями (например, в повороте).
ᐉ От двигателя к колесам
Не вся энергия, получаемая от двигателя, используется для преодоления сопротивлений движению автомобиля, т.е. непосредственно для движения автомобиля. Имеется еще и «накладной расход» на работу механизмов силовой передачи.
Этот расход отнимает в отдельных случаях до 20% мощности, а у автомобиля обычной схемы — около 10%. Чем меньше этот расход, тем выше так называемый коэффициент полезного действия (к.п.д.) силовой передачи, обозначаемый греческой буквой у («эта»).
По существу коэффициент полезного действия передаточного механизма — это отношение мощности, отдаваемой механизмом, к мощности, им получаемой. Применительно к автомобилю — это отношение мощности, переданной колесам, к мощности двигателя, измеренной на его маховике.
Если к.п.д. силовой передачи равен 0,93 (93%), как это бывает у некоторых спортивных автомобилей или автомобилей высшего класса, то «накладные расходы» составляют всего 7%; если к.п.д. силовой передачи равен 0,8, как, например, у некоторых автомобилей с автоматическими передачами или у специальных автомобилей, то расходы достигают 20%.
Усилие от двигателя передается к ведущим колесам несколькими механизмами силовой передачи:
- сцеплением
- коробкой передач
- карданным валом
- главной передачей
- дифференциалом
Механическая энергия, переданная от двигателя, не только передается через эти механизмы, но и расходуется на трение (пробуксовка дисков сцепления, трение зубьев шестерен коробки передач, главной передачи и дифференциала, трение в подшипниках, трение в карданных сочленениях), а также на взбалтывание масла в картерах коробки передач и заднего моста.
От трения и взбалтывания масла возникает тепло; механическая энергия превращается в тепловую, которая не может быть использована и рассеивается. Этот «накладной расход» непостоянен — он увеличивается, когда в работу включается дополнительная пара шестерен на низших передачах, когда карданные шарниры работают под большим углом, когда вязкость масла велика (в холодную погоду), на повороте, когда в работу активно включаются шестерни дифференциала (при движении по прямой их работа невелика). Поэтому трудно дать точную, годную для всяких условий движения оценку величины к.п.д. силовой передачи каждого автомобиля.
Опытным путем определены потери мощности в силовой передаче автомобилей и в отдельных ее элементах и вычислены к.п.д.
Рис. Усилие от двигателя передается ведущим колесам через сцепление, коробку передач, главную передачу, дифференциал, полуоси.
Таблица. Коэффициенты полезного действия силовой передачи автомобиля и ее механизмов
| Механизмы силовой передачи
| Передача в коробке передач
| Коэффициент полезного действия
| |
| автомобиль высшего класса | автомобиль массового выпуска | ||
| Механизмы силовой передачи | |||
| Сцепление | 0,99 | ||
| Коробка передач: | |||
| с прямозубыми шестернями | Прямая | — | 0,96 |
| Прочие | — | 0,94 | |
| с косозубыми шестернями | Прямая | 0,98 | 0,97 |
| Прочие | 0,96 | 0,95 | |
| с углом работы 0-7 градусов | 0,99 | ||
| с углом работы 7-20 градусов | 0,98 | ||
| Главная передача: | |||
| спирально-коническая | 0,95 | 0,94 | |
| гипоидная | 0,98 | 0,97 | |
| двойная (коническая и цилиндрическая) | — | 0,85 | |
| Силовая передача автомобиля | |||
| Коробка передач с прямозубыми шестернями: | |||
| спирально-коническая главная передача | Прямая | 0,88 | |
| Прочие | — | 0,86 | |
| двойная главная передача | Прямая | — | 0,79 |
| Прочие | — | 0,77 | |
| Коробка передач с косозубыми шестернями: | |||
| спирально-коническая главная передача | Прямая | 0,91 | 0,89 |
| Прочие | 0,89 | 0,87 | |
| двойная главная передача | Прямая | 0,94 | 0,92 |
| Прочие | 0,92 | 0,9 | |
Приведенные в таблице величины к.
Рис. На работу механизмов передачи расходуется около 10% мощности, развиваемой двигателем.
Существуют автомобили, у которых к.п.д. силовой передачи снижен за счет наличия раздаточной коробки и переднего ведущего моста (автомобили повышенной проходимости со всеми ведущими колесами) или за счет необычной схемы коробки передач и заднего моста (некоторые автомобили с задним расположением двигателя, не имеющие прямой передачи в коробке передач, или автомобили с независимой подвеской задних колес, имеющие карданные шарниры на каждой полуоси, причем шарниры часто работают под большими углами).
В дальнейшем динамические и экономические показатели таких автомобилей рассматривать не будем, и поэтому примем к. п. д. силовой передачи приблизительно равным:
- для легковых автомобилей высшего класса — 0,93
- для прочих легковых автомобилей — 0,91
- для грузовых автомобилей с одинарной главной передачей — 0,89
- для грузовых автомобилей с двойной главной передачей — 0,85
Для учета этих «накладных расходов» во внешнюю характеристику двигателя следует внести поправки, чтобы получить характеристику мощности Nк и крутящего момента Мк, передаваемых на ведущие колеса автомобиля.
Мощность на колеса (трансмиссия/коробка передач)
Иногда бывает сложно, когда вы слышите коробку передач в одном месте, а трансмиссию в другом. Люди часто задаются вопросом, что эта штука делает и как она работает? Трансмиссия или «трансмиссия» (как ее называют мои американские друзья) — главная движущая сила любого автомобиля.
Он необходим для обеспечения того, чтобы мощность, вырабатываемая двигателем или электродвигателем (применительно к электромобилям), по мере необходимости передавалась на колеса для приведения в движение транспортных средств.
Система трансмиссии — это система, которая соединяется с задней частью двигателя и передает мощность от двигателя к колесам. Система использует мощность, создаваемую в двигателе, чтобы поддерживать вращение колес и удерживать двигатель в пределах определенного диапазона оборотов в минуту. Расположение системы трансмиссии и ее расположение зависят от того, является ли автомобиль полноприводным, переднеприводным или заднеприводным.
Основные компоненты системы передачи
Сцепление: Сцепление — это часть автомобиля, которая соединяет два или более вращающихся вала. В автомобиле с механической коробкой передач сцепление управляет соединением между валом, идущим от двигателя, и валами, которые вращают колеса, когда сцепление не нажато, соединение между двигателем и коробкой передач включено, когда вы нажимаете педаль сцепления, он отключает это соединение и позволяет вам переключать передачу. Встречается только в МКПП. Педаль сцепления на полу слева от педали тормоза.
Коробка передач: Коробка передач является второй ступенью в системе трансмиссии, после сцепления, она обычно крепится болтами к задней части двигателя. Это трансмиссионное устройство, которое используется между выходным валом двигателя и главной передачей для передачи необходимого крутящего момента и мощности на колеса транспортного средства. Коробка передач состоит из набора шестерен, т.
тип используемого редуктора.
Раздаточная коробка: Раздаточная коробка является частью трансмиссии полноприводных, полноприводных и других многоосных транспортных средств. Раздаточная коробка передает мощность от трансмиссии на переднюю и заднюю оси с помощью приводных валов. Он распределяет мощность двигателя 50/50 на заднюю и переднюю оси через передний и задний карданные валы.
Карданный вал и универсальные шарниры: Карданный вал и универсальные шарниры присутствуют на большинстве автомобилей с задним и полным приводом. Универсальный шарнир — это механическое соединение, используемое для соединения валов, которые вращаются и выровнены под разными углами друг к другу. Карданный вал также известен как приводной вал.
Главная передача: Это часть системы трансмиссии между карданным валом и дифференциалом. Его функция заключается в изменении направления мощности, передаваемой приводным валом через 90 градусов к ведущим мостам.
Дифференциал
Дифференциал является частью узла передней и/или задней оси. Ось — это центральный вал, вокруг которого вращаются колеса транспортного средства; он предназначен для привода пары колес, позволяя им вращаться с разной скоростью.
Тормозные трубы: Тормозная труба передает эту силу путем прямого соединения межосевого дифференциала с трансмиссией и, таким образом, толкает автомобиль вперед, толкая двигатель/трансмиссию, а затем через опоры двигателя на раму автомобиля.
Ходовое колесо: Это колесо транспортного средства, которое передает усилие, преобразуя крутящий момент в тяговое усилие от шин к дороге, заставляя транспортное средство двигаться. Обод — это внешний край колеса, на который крепится шина.
Типы трансмиссии
Механическая трансмиссия: Механические трансмиссии иногда называют ручными или стандартными трансмиссиями.
Это тип системы, в которой водитель должен вручную изменить настройку передаточного числа с помощью рычага переключения передач внутри автомобиля. Это самый старый тип передачи, который все еще используется, и его простота гарантировала его актуальность с течением времени. Существует два типа механических коробок передач: коробка передач с постоянным зацеплением, секвентальная механическая коробка передач, несинхронизированная коробка передач 9.0003
Система автоматической трансмиссии: Этот тип системы трансмиссии начал появляться на легковых автомобилях в начале 1940-х годов, продаваясь как функция безопасности. Его также называют автоматической или самопереключающейся трансмиссией, n-ступенчатым автоматом или АТ. Это тип автомобильной трансмиссии, которая автоматически изменяет передаточное число при движении автомобиля, что означает, что водителю не нужно переключать передачу вручную. Вместо сцепления в автоматической коробке передач используется преобразователь крутящего момента.
Это гидромуфта, в которой используется отдельный насос и турбина, вращающиеся в противоположных направлениях внутри самого преобразователя, что позволяет двигателю вращаться независимо от трансмиссии. Раньше большинство механических трансмиссий были более экономичными, чем автоматические, последние автоматические трансмиссии меняют это представление; теперь они достигают лучшей экономии топлива. Существует четыре типа автоматической трансмиссии. Это обычная автоматизированная трансмиссия, автоматизированная механическая трансмиссия, трансмиссия с двойным сцеплением и бесступенчатая трансмиссия.
Обычная автоматизированная коробка передач (at): В этом типе системы передачи из-за регулируемого давления масла в обычной автоматической коробке передач скорость переключения переключается на более высокую скорость передачи. Как только автомобиль замедляется, коробка передач возвращается на низшую передачу, а когда автомобиль останавливается, коробка передач автоматически переключается обратно на низшую передачу.
ВЫ НЕ ДОЛЖНЫ ПРОПУСТИТЬ ЭТИ ЗАГОЛОВКИ ОТ NIGERIAN TRIBUNE
Покупайте и читайте цифровые копии своих книг TRIBUNE, подписавшись через E-VENDING
FG планирует поэтапное повторное открытие школ
Федеральное правительство сообщило, что оно может отложить повторное открытие школ по всей стране, как оно планирует развернуть комплексные меры безопасности. Государственный министр образования Чуквуэмека Нваджиуба сообщил об этом в среду на брифинге Президентской целевой группы по COVID-19 в Абудже… Читать полностью
COVID-19: самый длительный период жизнеспособности вируса у пациента составляет 10 дней — NCDC
Согласно новому исследованию, проведенному экспертами по инфекционным заболеваниям в Сингапур. Генеральный директор Нигерийского центра по контролю за заболеваниями (NCDC) д-р Чикве Ихеквезу сообщил об этом в пресс-релизе Президентской целевой группы (PTF)…
КОГДА впервые возникла пандемия коронавируса, представители органов здравоохранения призвали мир следить за ее явными симптомами: лихорадкой, сухим кашлем и одышкой.
Но по мере распространения вируса по всему миру исследователи лучше понимают, как эти симптомы: головная боль, озноб или боль в горле… У Центрального банка Нигерии (CBN) г-н Годвин Эмефиэле на прошлой неделе обратился к инвесторам, умоляя их прекратить покровительствовать операторам черного рынка для покупок долларов, оставляя желать лучшего. Г-н Эмефилье заявил на встрече: «Мы видели ваши отчеты… Читать полностью
COVID-19: в Анамбре уволено 8000 рабочих
Около 8000 сотрудников компании по утилизации отходов в штате Анамбра потеряли работу из-за пандемии COVID-19. Это происходит, когда штаты заблокировали свои границы, чтобы остановить распространение COVID-19. Управляющий директор Redivivus Industries Ltd., г-н Эмека Аджекву, который… Читать полностью
Мир ребенка с аутизмом
АГНЕС пять лет, но она еще не говорит осмысленно. Она склонна использовать ограниченное количество слов и часто использует «ты», когда имеет в виду себя, а затем использует «я», когда обращается к другим.
В отличие от двух старших детей семьи, Агнес часто занята своим собственным миром, играет в одиночестве и делает… Читать полностью
Чего ожидать пассажирам после возобновления полетов —FAAN
В преддверии возобновления полетов в различных аэропортах страны Федеральное управление аэропортов Нигерии (FAAN) объявило о принятии мер в отношении пассажирские перевозки и чего ожидать. Выступление на авиационном вебинаре, организованном организацией «Женщины в авиации» (WIA), Нигерия, с… Читать полностью
29 мая: Бухари предали обездоленных нигерийцев ― PDP
Оппозиционная Народно-демократическая партия (НДП) заявила, что администрация во главе с президентом Мухаммаду Бухари дезертировала, предала и бросила обездоленных нигерийцев. По мнению партии, Президент должен отметить, что уровень уныния, который он завещал нации за последние пять лет своей… Читать полностью
CBN снижает процентные ставки по микрофинансированию, ипотечным банковским кредитам с 9% до 5 %
Центральный банк Нигерии (CBN) снизил процентные ставки по своим кредитам через участвующие другие финансовые учреждения (OFI) с 9процентов до 5 процентов в год в течение одного года, начиная с 1 марта 2020 года.
Это часть усилий по смягчению воздействия коронавируса на домохозяйства… Читать полностью
Akala
Бывший губернатор штата Ойо вождь Адебайо Алао-Акала заявил в среду, что совместная сеть безопасности под кодовым названием Amotekun, недавно запущенная губернаторами Юго-Запада, потерпит неудачу в пяти штатах. Он заявил о назначении отставных офицеров генеральными директорами корпуса Амотекун в этих штатах, за исключением… Читать полностью
«В Нигерии продаются детские смеси с высоким содержанием мышьяка, токсичных веществ» загрязнение потенциально токсичными металлами, говорится в исследовании. В исследовании, опубликованном в Медицинском журнале Университета Султана Кабуса за 2020 год, ученые протестировали различные марки… Читать полностью
Лагос объявляет о плане замены Okada и трехколесного велосипеда к июлю
Лагос Правительство штата объявило о планах замены запрещенных Okada и трехколесного велосипеда на решение для обеспечения мобильности First Mile and Last Mile (FMLM).
Комиссар по транспорту Фредерик Оладейнде сообщил об этом на министерском брифинге для прессы 2020 года в Лагосе…0003
Транспортные средства, приводимые в движение электродвигателями в колесах, не имеют дифференциала, но передают крутящий момент напрямую и независимо на колеса.
Большинство дорожных транспортных средств приводятся в движение одним двигателем или двигателем с трансмиссией, передающей эту мощность на колеса, создавая крутящий момент на ступицах колес. Колеса должны свободно двигаться с разной скоростью относительно друг друга, чтобы можно было проходить повороты и менять дорожное покрытие.
Это достигается с помощью дифференциала, механического устройства, которое в своей простейшей форме передает одинаковый крутящий момент на оба колеса на оси, позволяя им вращаться с разной скоростью. Затем колеса могут вращаться со своей естественной скоростью, определяемой кинематикой транспортного средства.
Так называемый «открытый дифференциал» допускает любую разницу скорости вращения колес по оси.
Там, где сила трения между шиной и дорогой сильно отличается на одном колесе от другого, колесо с более низким коэффициентом трения может потерять сцепление с дорогой и быстро раскрутиться. Это может произойти при прохождении поворотов, когда вес автомобиля смещается на внешние колеса, так что внутренние колеса имеют мало сцепления с дорожным покрытием, или когда одно колесо находится на поверхности с плохим сцеплением, например, на льду или рыхлых камнях.
Такая ситуация явно нежелательна, поэтому было разработано несколько систем, противодействующих потере сцепления с дорогой, но при этом позволяющих передавать крутящий момент на колесо с хорошим сцеплением с дорогой. Чаще всего используется «дифференциал повышенного трения» или противобуксовочная система (TCS) для предотвращения пробуксовки колес. Первый представляет собой более сложный механический эквивалент открытого дифференциала, который ограничивает дифференциал скорости вращения колес, а второй притормаживает колесо, теряющее сцепление с дорогой, чтобы предотвратить его раскручивание.
Рис. 1: Колёсный электродвигатель Protean Electric со встроенной электроникой и тормозом.
Более сложные системы «управления вектором крутящего момента» обеспечивают дальнейшее улучшение управляемости автомобиля, но встречаются редко из-за их сложности и стоимости.
Транспортные средства с двигателями в колесах не имеют дифференциала, поэтому возникает вопрос, как будет вести себя транспортное средство с точки зрения скорости вращения колес и как можно решить проблемы, связанные с отсутствием тяги. Ответы довольно прямолинейны.
Если колеса-моторы управляются одинаковым крутящим моментом каждого из моторов, автомобиль будет вести себя точно так же, как если бы был открытый дифференциал. Систему контроля тяги можно использовать для контроля потери тяги, как в обычном автомобиле. С другой стороны, улучшенные плавность хода и управляемость автомобиля могут быть достигнуты за счет динамического изменения распределения крутящего момента между колесными двигателями.
Система мотор-колес
Для целей настоящей статьи система мотор-колес считается состоящей из двух блоков, установленных на противоположных сторонах транспортного средства, по одному на каждое переднее колесо или по одному на каждое заднее колесо колесо. Каждый блок состоит из электрической машины, инвертора с микропроцессорным управлением и фрикционного тормоза. В случае продуктов Protean Electric они объединены в единый блок, полностью размещенный внутри обода колеса (см. рис. 1), но можно также разместить инвертор в другом месте автомобиля.
Двигатель может обеспечивать как положительный (ускоряющий), так и отрицательный (тормозной) крутящий момент, но фрикционные тормоза сохраняются, поскольку требования к торможению обычно превышают возможности двигателя и в случаях, когда электрическая система автомобиля не может принять ток, который восстанавливается при торможении.
Рис. 2: Схема управления внутриколесными электродвигателями.
Мотор-колесо представляет собой устройство, создающее крутящий момент. В примере с двигателем Protean Electric блок управления транспортным средством (VCU) связывается с системой двигателя через шину локальной сети контроллеров (CAN), отправляя запросы крутящего момента каждые несколько миллисекунд (см. рис. 2). В ответ система двигателя развивает требуемый крутящий момент на ступице колеса. По возврату двигатель сообщает о своем состоянии и максимально доступном крутящем моменте. Он также может сообщать о своей скорости, которую VCU может использовать для расширенных функций контроля тяги.
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, электродвигатели могут создавать положительный и отрицательный крутящий момент в обоих направлениях. Это называется работой в четырех квадрантах и позволяет трансмиссиям с электродвигателями улучшать функции контроля тяги и устойчивости автомобиля. Кроме того, системы электродвигателей имеют очень быстрое время отклика. Обычно они способны переключаться с максимального положительного крутящего момента на максимальный отрицательный крутящий момент или наоборот менее чем за 10 мс.
Возможен высокочастотный контроль, который может повысить безопасность и управляемость автомобиля, особенно с двигателями в колесах с прямым приводом, которые обеспечивают крутящий момент непосредственно на ступицах колес без каких-либо промежуточных валов, осей или шестерен.
Обратите внимание, что двигатель не является устройством с регулируемой скоростью. VCU не может запрашивать скорость от системы двигателя. Как и в случае с обычными трансмиссиями, скорость вращения колес является следствием крутящего момента, приложенного к ступице колеса, в сочетании с сопротивлением вращению, в котором преобладает инерция транспортного средства.
Дифференциал и связанные с ним функции
Дифференциал требуется там, где один силовой агрегат, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель используется для привода двух колес на оси. Без него два колеса на оси были бы вынуждены вращаться с одинаковой скоростью, что привело бы к неприемлемой управляемости автомобиля и износу шин.
Дифференциал также является конечным передаточным числом, усиливающим крутящий момент от карданного вала к полуосям (см. рис. 3).
Рис. 3: Обычный заднеприводный автомобиль с дифференциалом.
Дифференциал для неведущих колес не требуется, поскольку они физически не связаны между собой и поэтому могут вращаться с разной скоростью.
Открытый дифференциал
Открытый дифференциал — это самый простой и наиболее распространенный тип дифференциала на дорожных транспортных средствах. Скорости колес определяются кинематикой автомобиля, слегка измененной динамикой шин. Игнорируя проскальзывание колес, при прохождении поворотов внешнее колесо будет вращаться быстрее, чем внутреннее. В автомобиле с шириной колеи t и радиусом качения r , движущегося со скоростью v по повороту радиуса R , приблизительные угловые скорости внутреннего и внешнего колес определяются уравнением 1
(уравнение 1)
Обратите внимание, что это чисто результат геометрии ситуации и того факта, что колеса могут свободно вращаться независимо; здесь нет зависимости от крутящего момента, подводимого к колесам (см.
рис. 4). Учет динамики шин изменяет уравнение. 1 немного. Приложение крутящего момента к колесу приводит к так называемому проскальзыванию колеса [1]. Это не означает потери сцепления между шиной и дорогой; скорее, это особенность динамики шины. В результате соотношение между скоростью вращения колеса и скоростью транспортного средства изменяется в соответствии с:
, где s – коэффициент скольжения. Коэффициент скольжения зависит от прилагаемого крутящего момента, а также от свойств шины и поверхности контакта шина-дорога [2]. Коэффициент скольжения может превышать 0,1, в то время как хорошее сцепление сохраняется на хорошем дорожном покрытии и при приложении высокого крутящего момента. С учетом проскальзывания, которое может быть разным для внутренних и внешних колес из-за различий в дорожном покрытии, получаем скорости колес в уравнении 2.
(уравнение 2)
Поскольку скольжение является функцией крутящего момента, теперь существует некоторая зависимость от крутящего момента на каждом из колес.
Есть дальнейшие незначительные модификации уравнения. 1, которые являются результатом недостаточной или избыточной поворачиваемости транспортного средства и неровностей дорожного покрытия, но они не относятся к данному обсуждению.
Важные выводы относительно поведения ведущих колес с открытым дифференциалом: вращаться с разной скоростью.
Пока эти два предположения верны, не имеет значения, как они достигаются.
Моторы-колеса и открытый дифференциал
Самый простой способ управления парой электродвигателей-колес на оси — потребовать равный крутящий момент обоих двигателей.
Оба колеса будут приводиться в движение с одинаковым крутящим моментом независимо от разницы скоростей, если VCU требует от обоих двигателей одинаковый крутящий момент.
В автомобиле с мотор-колесами ведущие колеса физически не связаны полуосями, поэтому они не вынуждены вращаться с одинаковой скоростью.
Как и в случае с открытым дифференциалом, они могут свободно вращаться с разными скоростями без ограничений.
Таким образом, два допущения верны для транспортного средства, приводимого в движение электродвигателями в колесах, и поэтому также применимо уравнение 1: поведение колес в транспортном средстве, приводимом в движение электродвигателями в колесах, точно такое же, как и в транспортное средство с центральной силовой установкой, приводимой в движение через открытый дифференциал, если VCU требует одинакового крутящего момента от каждого двигателя в колесе.
Рис. 4: Аккермановская геометрия вращающегося транспортного средства.
Хотя физико-механического дифференциала нет, мы будем называть этот режим управления двигателями в колесах «электронным открытым дифференциалом».
Ограничения открытого дифференциала
Открытый дифференциал и электронный открытый дифференциал подвержены тем же ограничениям, которые возникают, когда одно колесо на оси имеет значительно лучшее сцепление с дорогой, чем другое, и в этом случае:
- Максимальный крутящий момент, который может передаваться на любое колесо, ограничивается колесом с более низким пределом сцепления.
- Ничто не препятствует пробуксовке колеса с более низким сцеплением, если прикладывается больший крутящий момент, чем может выдержать контакт шины с дорогой.
Существует несколько обстоятельств, которые могут привести к асимметричному ограничению тягового усилия на оси:
- Прохождение поворотов, когда вес смещается на внешние колеса, что снижает предел тягового усилия на внутренних колесах.
- «Сплит- μ » дорожное покрытие, у которого одно колесо находится на хорошем дорожном покрытии, а другое — на рыхлых камнях, льду или воде.
- Вождение по бездорожью.
В обычных транспортных средствах используется ряд технологий для предотвращения пробуксовки колес и потери крутящего момента в этих обстоятельствах. Некоторые из них и их аналоги для колесных двигателей обсуждаются в этой статье.
Противобуксовочная система
Противобуксовочная система предназначена для предотвращения пробуксовки колеса из-за отсутствия сцепления с поверхностью дороги.
Он реализован как часть системы электронного контроля устойчивости (ESC), которая может задействовать тормоза отдельно для каждого колеса с помощью блока антиблокировочной тормозной системы (ABS). ESC становится все более распространенным явлением и в настоящее время является обязательным в Европе и США для легковых автомобилей.
Система контроля тяги обнаруживает, что колесо пробуксовывает, и притормаживает это колесо. Помимо контроля потери тяги, это позволяет передавать крутящий момент на противоположное колесо даже при открытом дифференциале или электронном открытом дифференциале, поскольку тормоз противодействует крутящему моменту, прикладываемому трансмиссией к пробуксовывающему колесу.
TCS можно использовать с мотор-колесами точно так же, как и в обычных автомобилях, с теми же результатами. VCU не требует специальных действий.
Ручная тяга, с другой стороны, может контролироваться без использования тормозной системы ESC в транспортном средстве с приводом от мотора-колеса.
VCU использует информацию о скорости вращения колес, передаваемую двигателями в колесах, чтобы определить, когда теряется сцепление с дорогой, и снижает требуемый крутящий момент на этом колесе. Это может быть сделано без уменьшения потребности в крутящем моменте на другом колесе. Результат может быть лучше, чем у обычной TCS, из-за быстрого времени отклика системы двигателя в колесе и способности двигателей создавать как положительный, так и отрицательный крутящий момент. Мы можем назвать это электронной системой контроля тяги (eTCS).
eTCS чем-то похожа на системы Antriebsshlupfregelung (ASR), которые являются частью системы контроля тяги в некоторых обычных автомобилях и включают модуляцию крутящего момента двигателя.
Дифференциал повышенного трения
Дифференциал повышенного трения представляет собой более сложную форму механического дифференциала. В производстве находится ряд различных реализаций, в том числе с элементом электронного управления.
Здесь они обсуждаются отдельно как «активные дифференциалы».
В отличие от открытого дифференциала, который всегда равномерно распределяет крутящий момент на два колеса на оси, дифференциал повышенного трения распределяет крутящий момент в соответствии с относительными скоростями двух колес, что достигается добавлением механизма, который сопротивляется относительной скорости различия между двумя выходными валами. Крутящий момент уменьшается на более быстром колесе и увеличивается на более медленном колесе, что предотвращает раскручивание колеса, но не снижает общий крутящий момент. Хотя это преодолевает основные ограничения открытого дифференциала, это также приводит к большему крутящему моменту, передаваемому на внутренние колеса во время прохождения поворотов, что вызывает недостаточную поворачиваемость.
В транспортных средствах, приводимых в движение двигателями в колесах, VCU может требовать неодинакового крутящего момента от двух двигателей в ответ на скорости, сообщаемые двигателями, точно так же, как дифференциал повышенного трения.
Однако на практике это не обеспечивает оптимального распределения крутящего момента при отсутствии потери тяги. Система eTCS с векторизацией крутящего момента обеспечит превосходную управляемость и контроль тяги.
В обычном автомобиле с дифференциалом повышенного трения можно обеспечить асимметричный крутящий момент на оси без существенного снижения максимального общего крутящего момента на оси. С другой стороны, в мотор-колесах уменьшение крутящего момента на одном колесе не позволяет увеличить крутящий момент на противоположном колесе сверх его максимального крутящего момента. Это неизбежно означает, что общий крутящий момент на оси, создаваемый двумя мотор-колесами, уменьшается из-за асимметрии крутящего момента.
Заблокированный дифференциал
Заблокированный дифференциал может быть эффективен для внедорожников, где тяга колес плохая и очень непостоянная. Заблокированный дифференциал заставляет два колеса на оси вращаться с одинаковой скоростью.
Затем крутящий момент естественным образом перемещается туда, где есть тяга.
С моторами в колесах VCU может реализовывать контуры управления скоростью на каждом из ведущих колес для достижения того же эффекта. Как описано здесь, сами двигатели не включают управление скоростью, но связь между двигателями и VCU имеет достаточную пропускную способность, чтобы позволить блоку управления транспортным средством (VCU) запускать контуры управления для регулирования скорости вращения колес.
Активный дифференциал
Активный дифференциал — это современная система, применяемая на некоторых автомобилях с высокими характеристиками, которая улучшает управляемость и управляемость за счет активного управления распределением крутящего момента. Система реагирует на различные датчики вокруг автомобиля, которые отслеживают намерения водителя и реакцию автомобиля, которые интерпретируются электронным блоком управления (ЭБУ). Затем ECU дает команду дифференциалу с электронным управлением, который может распределять крутящий момент в соответствии с требованиями.
Помимо контроля тяги, такая система может улучшить управляемость и устойчивость. Механически активный дифференциал реализован как самоблокирующийся дифференциал с электронным управлением. Двумя пакетами сцепления обычно можно управлять с помощью электроники для передачи крутящего момента с одной полуоси на другую, тем самым изменяя поведение основного открытого дифференциала под управлением систем управления динамикой автомобиля в автомобиле. Примером такой системы является электронный модуль векторизации крутящего момента GKN, реализованный в BMW X63.
Дифференциал с электронным управлением — сложный и дорогой компонент. Подобная функциональность может быть достигнута без добавления механических компонентов в транспортном средстве с приводом от электродвигателя. В этом случае VCU выполняет расчеты, аналогичные тем, которые ECU выполнял бы для активного дифференциала, и соответственно предъявляет асимметричные требования к крутящему моменту для двух колесных двигателей. Это иногда называют векторизацией крутящего момента, и его можно использовать для:
- Повышения устойчивости автомобиля на высоких скоростях.
- Повышение устойчивости автомобиля при наличии таких помех, как боковой ветер или колеи на дороге.
- Улучшение маневренности автомобиля на низких скоростях.
- Улучшите чувствительность и управляемость на поворотах.
Управление вектором крутящего момента с помощью двигателей в колесах имеет преимущество перед активным дифференциалом в обычном автомобиле не только с точки зрения стоимости компонентов и массы, но и потому, что система более чувствительна и может лучше реагировать на переходные ситуации. Он также может плавно вводить тормозной момент, не используя тормозную систему, что расширяет возможности системы по поддержанию контроля над автомобилем.
Эквивалентность обычного транспортного средства и полноприводного транспортного средства
В таблице 1 приведены различные дифференциальные и связанные с ними системы, используемые в обычных транспортных средствах с двигателем центрального сгорания или электродвигателем, а также описана реализация на полноприводном транспортном средстве, которое приводит к такому же поведению.
В целом, управление скоростью вращения колес и, следовательно, управление транспортным средством в колесном автомобиле может быть лучше, чем в обычном транспортном средстве, и реализовано с меньшими затратами и сложностью.
Полный привод
В данном обсуждении рассматривается пара ведущих передних колес или пара ведущих задних колес транспортного средства. Все выводы в равной степени относятся к транспортному средству с двигателями на всех четырех колесах.
Например, отправка одинакового крутящего момента на все четыре двигателя в колесах дает точно такое же поведение, как у обычного полноприводного автомобиля с открытыми передним и задним дифференциалами и открытым межосевым дифференциалом. Все четыре колеса могут свободно вращаться независимо друг от друга, и на каждую ступицу колеса действует одинаковый крутящий момент.
Заключение
Колёсные электродвигатели позволяют улучшить управление динамикой автомобиля при меньших затратах и сложности по сравнению с обычными автомобилями, передающими мощность на колёса через дифференциал.
| Обычная автомобильная система | Эквивалент для полноприводных транспортных средств |
| Открытый дифференциал | Одинаковая потребность в крутящем моменте для обоих двигателей |
| Система контроля тяги на базе ESC | Контроль тяги на основе ESC, как в обычном автомобиле, или снижение потребности в крутящем моменте при проскальзывании колеса |
| Дифференциал повышенного трения | Уменьшить долю крутящего момента для более быстрого колеса в соответствии с дифференциальной скоростью |
| Заблокированный дифференциал | Реализовать контуры управления скоростью для каждого двигателя в VCU |
| Активный дифференциал | Функция векторизации крутящего момента в VCU |
Простейшая реализация управления двигателем в колесах, всегда требующая одинакового крутящего момента от всех двигателей, приведет к поведению, точно такому же, как в автомобиле с открытым дифференциалом, но без необходимости в механическом дифференциале.
или полуоси. На это поведение можно наложить те же тормозные системы контроля тяги и/или устойчивости, которые используются в обычных транспортных средствах, чтобы предотвратить пробуксовку колес во время прохождения поворотов или на поверхностях с низким сцеплением. С другой стороны, улучшенные функции контроля тяги и управления вектором крутящего момента могут быть достигнуты без добавления дополнительных материалов за счет модуляции крутящего момента, требуемого от электродвигателей, в отличие от обычных транспортных средств, которые требуют сложных, тяжелых и дорогих механических систем, таких как активный дифференциал для достижения аналогичного результата.
Ссылки
[1] М. Бланделл и Д. Харти: Подход многотельных систем к динамике транспортных средств, Оксфорд, Великобритания: Butterworth-Heinemann, 2004.
[2] HB Pacejka: Шина и динамика транспортных средств, Оксфорд, Великобритания : Butterworth-Heinemann, 2002.
[3] GKN plc. (2016 г.