Что же нужно сделать, чтобы в несколько раз увеличить силу тяги на колеса автомобиля?
Посмотрим на легковой автомобиль, приведенный на рис. 48. Нетрудно заметить, что ось его двигателя расположена вдоль оси автомобиля, а ось ведущих колес — перпендикулярно. Значит, чтобы соединить коленчатый вал двигателя с колесами, необходима коническая передача. Эта передача получила название главной передачи.
Рис. 48. Схема передачи крутящего момента под углом
Предположим, что передаточное отношение главной передачи равно единице, т. е. ведущие колеса вращаются с той же частотой, что и коленчатый вал двигателя. Нетрудно подсчитать, что при радиусе колеса 0,32 м и частоте вращения 5800 мин-1 автомобиль будет двигаться со скоростью 596 км/ч. Естественно, такая скорость автомобилю не нужна, да и практически невозможна из-за недостаточной мощности двигателя, большого сопротивления воздуха и дорожного покрытия.
Вспомните, как вы плоскогубцами выдергивали из бревна гвоздь. Вытащить его, как показано на рис. 49, а,трудно, но если подложить недалеко от гвоздя под плоскогубцы твердый предмет (рис. 49, б), сделать это будет значительно легче.
Рис. 49. Схема определения передаточного числа
Сила, приложенная к плоскогубцам, уменьшится во столько раз, во сколько раз длина плеча А больше плеча Б. Изменяя положение предмета, можно при одинаковой силе нажатия на рукоятки плоскогубцев изменять силу, приложенную к гвоздю. Иными словами, во сколько раз мы проигрываем на расстоянии, во столько раз выигрываем в силе.
Аналогичная картина наблюдается при вращении валов со шкивами. Простейшая лебедка (рис. 49, в) позволяет в несколько раз увеличить силу тяги Р. Известно, что крутящий момент определяется как произведение силы на плечо. Момент силы Р1 равен P1R1, а Р2 равен P2R2. Если не учитывать КПД передачи, эти крутящие моменты равны между собой P1R1=P2R2. Отсюда Р2=Р1·(R1·R2), т. е. сила увеличивается во столько раз, во сколько раз радиус рукоятки больше радиуса барабана лебедки.
Все сказанное относится к любой передаче: зубчатой, цепной, ременной, червячной. Только вместо рукоятки и барабана рассматриваются соответственно зубчатые колеса, звездочки, шкивы, вал и червяк. Для определения передаточного числа в зубчатых передачах нет необходимости измерять радиусы зубчатых колес. Достаточно сосчитать число зубьев и разделить число зубьев ведущей шестерни на число зубьев ведомого зубчатого колеса (рис. 49, г).
Мы все время говорим о крутящем моменте на коленчатом валу двигателя. Как же он получается?
При рабочем ходе газы в цилиндре давят на поршень с силой Р. Эта сила, выраженная в ньютонах и умноженная на радиус R кривошипа в метрах, создает крутящий момент М на коленчатом валу, измеряемый в Н·м, М=Р·R. Именно этот момент используется для передвижения автомобиля.
Для увеличения силы тяги идут на проигрыш в расстоянии, т. е. уменьшают частоту вращения ведущих колес, увеличивая тем самым силу тяги. Достигается это введением главной передачи, уменьшающей частоту вращения колес, например, у автомобиля ВАЗ-2101 «Жигули» в 4,3 раза. Таким образом максимальная скорость снижена до 140 км/ч.
Итак, главная передача состоит из ведущей шестерни и ведомого зубчатого колеса (см. рис. 49, г). Ведущая шестерня выполнена как одно целое с валом. Она устанавливается на роликовые подшипники и входит в зацепление с ведомым зубчатым колесом, имеющим количество зубьев больше, чем на ведущем зубчатом колесе в несколько раз.
Следовательно, назначение главной передачи — увеличение крутящего момента и передача его полуосям под углом 90°. Главные передачи могут быть зубчатые и черничные, одинарные и двойные. У одинарных передач — одна пара конических шестерен, у двойной — две нары (одна пара — коническая, другая цилиндрическая). Одинарные передачи применяются, как правило, на легковых автомобилях и грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности, автобусах малой и средней вместимости. Шестерни у одинарной передачи могут быть со спиральными зубьями или более надежными гипоидными. Двойные главные передачи используются на автобусах и грузовых автомобилях большой грузоподъемности.
В последнее время получили распространение так называемые двойные разделенные главные передачи, у которых пара цилиндрических шестерен располагается в ступице ведущего колеса. Применение таких передач позволяет разгрузить полуоси от чрезмерно большого крутящего момента и уменьшить размеры средней части ведущего моста.