В статье о назначении коробок передач я писал, что идеальная трансмиссия должна быть бесступенчатой для того, чтобы для каждого режима движения можно было подобрать оптимальное передаточное число, при котором расход топлива будет наименьшим. Из этого вроде бы должно следовать, что все современные автомобили должны поголовно оснащаться всевозможными бесступенчатыми передачами, однако на практике мы этого не видим.
Да, вариатор сейчас не редкость, однако до полного доминирования ему ещё ой как далеко. Чтобы понять, в чём подвох, давайте оценим потенциальную выгоду от использования бесступенчатых передач.
Напомню, что экономичность двигателя зависит от режима его работы, то есть от частоты вращения и крутящего момента. Мы можем показать это на внешней скоростной характеристике, закрасив разными цветами зоны, соответствующие разным удельным расходам топлива. Такую характеристику обычно называют многопараметровой (МПХ). На рисунке ниже наиболее экономичный режим отмечен синим цветом, наименее – красным.
Это та же самая характеристика, что и в статье о коробках передач. Она примерно соответствует не самому современному дизелю для лёгкого коммерческого транспорта. Мы будем рассматривать именно дизельный двигатель, так как он обеспечивает наименьший расход топлива, а это как раз то, что нам нужно (кстати, если интересно, в чём секрет экономичности дизеля – то вот отдельная статья).
На этот раз нам придётся оперировать конкретными цифрами, поэтому давайте перестроим нашу МПХ в удобной для компьютерных расчётов форме и добавим цветовую шкалу:
Проблема этой характеристики в том, что крутящий момент на двигателе не удобно сравнивать с крутящим моментом на колёсах, поэтому давайте перейдём к мощности, которая не зависит от передаточного числа (а если пренебречь потерями в трансмиссии, то и вовсе остаётся неизменной). Для этого перемножим значение крутящих моментов на соответствующие им угловые скорости. Получится вот такая характеристика:
Обратите внимание на оранжевую линию – она показывает, на какой частоте вращения обеспечивается наименьший расход топлива для заданной мощности. Двигаясь вдоль этой линии, мы можем построить зависимость минимального достижимого удельного расхода топлива от потребной мощности:
Впрочем, этот график нам нужен разве что из любопытства.
Гораздо интереснее сравнить линию минимальных расходов топлива с линией мощности сопротивления движению, т.е. той самой мощности, которая необходима для равномерного движения. Я задался параметрами автомобиля, для которого подошёл бы наш двигатель (а это что-то типа "Соболя") и подобрал передаточное число, при котором эти линии максимально близки. Получилась следующая картина:
Оказывается, можно подобрать такое передаточное число, что при движении с постоянной скоростью в диапазоне от 50 до 110 км/ч двигатель всегда будет работать почти в самом экономичном режиме.
Но давайте всё-таки посмотрим, какое передаточное число было бы идеальным для каждой скорости. Получим следующий график:
Для сравнения я наложил на него передаточные числа пятиступенчатой коробки передач, которая подошла бы этому автомобилю. И вновь мы видим, что при скорости свыше 50 км/ч оптимальное передаточное число остаётся практически постоянным и равным передаточному числу высшей передачи.
Даёт ли эта едва заметная разница какой-то экономический эффект? Давайте сравним расход топлива на идеальной передаче с расходом топлива на передачах ступенчатой трансмиссии в зависимости от скорости.
И снова та же картина: на скоростях выше 50 км/ч эффект от бесступенчатой трансмиссии практически отсутствует.
На этом уже можно было бы сделать вывод, что бесступенчатая передача в общем-то бесполезна, ведь основной пробег автомобилей обычно приходится как раз на эти скорости. Но это было бы не совсем честное заявление, ведь мы подобрали передаточное число только для равномерного движения по горизонтали с конкретными значениями массы и сопротивления качению.
Реальный же автомобиль движется с разгонами и замедлениями, подъёмами и спусками, гружёным и пустым, по автомагистралям и просёлочным дорогам.
Поэтому давайте посчитаем расходы топлива в зависимости не только от скорости, но и от мощности, а затем найдём разницу между ступенчатой и бесступенчатой трансмиссиями и покажем её в виде вот такой карты:
Легко заметить, что наибольший эффект бесступенчатая трансмиссия даёт при малой скорости и большой мощности. На практике это сочетание встречается крайне редко: если на низкой скорости мы нажмём газ до упора, то автомобиль резко ускорится, и скорость сразу вырастет. Долго ехать в таком режиме можно разве что с тяжёлым прицепом в затяжной подъём, да ещё и по бездорожью (то есть практически никогда). Впрочем, если автомобиль постоянно разгоняется и тормозит, то какое-то время работы в этом режиме постепенно накопится.
Если бы мы были серьёзной автомобильной компанией, то могли бы собрать статистику и узнать, какой процент пробега приходится на каждый из режимов, а затем рассчитать среднюю экономию топлива, которой мы могли бы достичь за счёт установки бесступенчатой передачи.
Однако таких данных у нас нет, поэтому я предлагаю пренебречь интенсивными разгонами и считать, что практически весь пробег автомобиля равномерно распределён по режимам движения с постоянной скоростью >20 км/ч при уклонах дороги ±3 % и массе от снаряжённой до полной. То есть, в полосе между двумя параболами, определяющими нижнюю и верхнюю границы мощностей вероятного сопротивления качению.
На отдельных участках этой полосы бесступенчатая трансмиссия может давать экономию до 2 литров топлива на 100 км (что очень неплохо), однако если мы посчитаем среднее значение для полосы в целом, то получим потенциальную экономию всего лишь ≈0.25 л/(100 км). При нынешних ценах на дизельное топливо это эквивалентно примерно 20 рублям.
Как правило, бесступенчатая трансмиссия изначально стоит дороже, и получится ли её окупить за счёт такой незначительной экономии – вопрос спорный. Однако главная проблема даже не в этом, а в том, что на практике даже такой экономии скорее всего не будет.
Дело в том, что все наши расчёты были сделаны с допущением, что КПД обеих трансмиссий равен 100%. Однако на практике это не так. Для механической коробки передач этот показатель можно принять равным 96-98%, а вот у бесступенчатых трансмиссий всё значительно хуже. Чтобы эффект от работы двигателя в наиболее экономичном режиме сохранялся, они должны иметь КПД не менее 93%, а лучшие образцы тех же вариаторов дают всего лишь 90-95%. Иными словами, если экономия и достигается, то настолько незначительная, что ей можно и пренебречь.
Конечно, из этого вовсе не следует, что бесступенчатые передачи вообще лишены смысла. Нельзя исключать, что с другим двигателем или в других условиях эксплуатации экономический эффект всё-таки будет достигнут. К тому же, следует помнить, что в них отсутствуют переключения, и всегда достигается наиболее полное использование мощности двигателя.
Однако с точки зрения чистой экономики зачастую разумнее просто добавить ещё одну-две передачи в ступенчатую трансмиссию. Так что классическую механику (а также всевозможные роботизированные коробки передач) пока рано списывать со счетов.
На сегодня у меня всё! Но если вам интересны и другие аспекты теории автомобиля, приглашаю в соответствующую подборку:
А вообще у меня на канале уже довольно много статей о самой разной технике от аэролодок и каракатов до веломобилей и самолётов на мускульной тяге.
Буду рад новым (и старым) подписчикам!