Как работает коробка передач в автомобиле?
Простое объяснение — что такое коробка передач.
Любой автомобиль состоит из тысячи запчастей и сопутствующих компонентов. Но некоторые части любого автомобиля контролируют именно те самые агрегаты, которые делают вашу машину именно движущимся транспортным средством, поэтому они играют более важную роль при сравнении таковых с другими автокомпонентами автомобиля. Например, к очень важным частям любой автомашины относится так называемая коробка передач. Без нее крутящий момент от двигателя не смог бы передаваться и достичь конкретноо колес автомобиля, который не тронулся бы с места.
Да, мы с многими согласны, сам автовладелец не обязательно должен владеть углубленными знаниями об устройстве автомобиля. Но что такое коробка передач и что она из себя представляет изнутри нам так кажется, обязан знать каждый из водителей. Об этом сегодня мы с вами и поговорим.
Смотрите также: Десять самых странных коробок передач
Бывают два основных типа коробок передач, которые используются и применяются в большинстве из автомобилей на мировом рынке машин, а именно — это ручная (т.е. механическая) КПП и автоматическая коробки (АКПП). Сегодня мы с вами остановимся на этих двух основных коробках передач, хотя здесь сразу стоит отметить, что в последние годы набирают популярность и другие виды трансмиссий. К примеру такие, как коробка передач с двойным сцеплением, которая работает по принципу механической трансмиссии, но с компьютерным управлением сцепления. Электроника автоматически сама выжимает сцепление, а сами скорости переключает по-прежнему водитель. Также получили свое распространение и бесступенчатые автоматические коробки передач с так называемым вариатором, сокращенно- CVT. Принцип действия подобной коробки основан на ременном приводе по аналогии с велосипедной цепной передачей. А еще в последние годы на мировом авторынке стали появляться автомобили вообще без коробок передач. Как правило такие машины без трансмиссии используют у себя только электрический двигатель.
Прежде чем углубиться в описание принципа самой работы коробки передач, давайте с вами обозначим основные применяемые к ней термины:
Передача: -В данном понимании любая передача представляет в самой коробке определенный набор различных шестерёнок, которые работая синхронно совместно регулируют соотношения между скоростью двигателя и скоростью колес(а). Также этот термин используется и для описания каждой скорости коробки передач в отдельности. К примеру, в автоматической коробке передач электроника автоматически выбирает какой вал с шестернями необходимо использовать для оптимальной передачи крутящего момента. В механической же трансмиссии водитель сам самостоятельно выбирает необходимую ему скорость.
Передаточное отношение: -Это отношение частоты вращения ведомого вала к частоте вращения ведущего вала.
Сцепление: -Это механизм подключения или отключения двигателя к (от) системы передач(и) коробки.
Коробка передач: -Это механизм передачи крутящего момента от двигателя непосредственно на колеса транспортного средства.
Рычаг переключения передач: -Это передаточный рычаг, который водитель использует для управления коробкой передач и для выбора нужной скорости.
Теперь давайте перейдем непосредственно к самому описанию действий, т.е. к тому, как работают две наиболее распространенные и известные многим коробки передач.
Механическая коробка передач
Несомненно, в мире в настоящий момент автоматическая коробка передач стала самой популярной из всех существующих. Согласно статистике мировых продаж автомобилей, доля всех новых проданных автотранспортных средств за 2014 год была оснащена автоматической трансмиссией. Но тем не мене, механическая коробка передач вопреки прогнозам статистики пока что по-прежнему используется всей мировой автпромышленностью. Как правило, эта механическая трансмиссия более проста по своей конструкции и принципу работы. Именно с нее мы с вами друзья и начнем ознакомление.
По своей конструкции механическая коробка передач представляет из себя набор зубчатых шестеренок и валов (входные и выходные валы). Шестерни одного вала взаимодействуют с шестернями другого вала. В результате соотношений между включенной передачей на входном валу и включенной передачи на выходном валу и определяется общее передаточное число определенной передачи.
Водитель, выбирая нужную передачу на механической коробке передач, тем самым перемещает данный рычаг переключения скоростей в нужное ему положение. Рычаг управляет движением передач непосредственно вдоль входного вала. Перемещая рычаг вперед или назад водитель выбирает нужный набор шестеренок для включения необходимой ему передачи. Как правило, при переключении рычага вверх или вниз два набора шестерней находятся на одном валу. При переключении же рычага влево или вправо выбор набора шестеренок происходит уже на разных валах.
Чтобы включить нужную передачу в механической коробке передач водитель нажимает сначала на педаль сцепления в результате чего крутящий момент двигателя при выжатом сцеплении не передается на саму коробку, поскольку двигатель в такой момент отключается от входного вала КПП. Это позволяет с помощью рычага коробки выбрать нужную водителю скорость, подключив тем самым нужный набор шестерен. После выбора необходимой передачи водитель отпускает педаль сцепления и крутящий момент начинает передаваться на первичный вал и далее на выбранный вал, который в свою очередь передает крутящий момент на привода и сами колеса.
Автоматическая коробка передач
В автоматической же коробке передач процесс работы намного сложнее, если сравнивать его с механикой. Одним из самых заметных различий между механической и автоматической коробкой является следующее, что автоматическая трансмиссия не использует у себя муфты. Как правило, автоматическая коробка передач применяет и использует у себя гидротрансформаторы, которые и отключают двигатель от коробки передач (от вала с набором шестерен).
Функция этих гидротрансформаторов основана на принципах гидродинамики, которую объяснить в рамках этой статьи реально будет сложно. Для этого необходимо будет подключать к такому объяснению математику и другие естественные науки. Но основной смысл работы довольно-таки прост. Когда двигатель работает на небольших оборотах, то небольшой крутящий момент передается с помощью жидкости и через различные каналы на набор шестеренок. Когда же двигатель начинает работать быстрее, то этот крутящий момент начинает передаваться на валы напрямую.
Благодаря преобразованию крутящего момента шестерни в коробке передач могут делать свою работу и без участия водителя. Когда же коробка передач начинает выбирать необходимую скорость автоматически, которую в механической трансмиссии выбирает водитель вручную? Отвечаем:
-В отличие от механики, где как правило конструкция коробки представляет из себя два параллельных вала, автоматическая коробка использует и применяет у себя планетарное расположение валов с шестернями. В отличие от той же механической коробки, в автоматической трансмиссии используется огромный выбор различных наборов шестерен, которые автоматически подключаются к передаче крутящего момента в зависимости от набранной скорости.
Вместо ручного переключения скоростей в ней используется гидравлическое автоматическое переключение скоростей, которое управляется конкретно электроникой. Данная коробка управляется специальным модулем в котором запрограммированны все соотношения передаточных чисел. В зависимости от подключаемого набора планетарного механизма электронная программа сама определяет какую передачу необходимо включить с помощью гидравлического автоматического управления.
Механическая коробка передач: устройство, эксплуатация, неисправности
Механическая коробка передач — это важный компонент автомобиля, который отвечает за передачу мощности от двигателя к колесам. Она состоит из сцепления, системы передач и подшипников. Механическая коробка передач позволяет выбрать оптимальную скорость и обеспечивает плавную передачу мощности на колеса. Avto.pro решил разобраться в устройстве механической коробки передач, ключевых особенностях ее обслуживания и эксплуатации, а также в неисправностях, с которыми может столкнуться автолюбитель.
Устройство механической коробки передач
Механическая КП конструктивно состоит из картера, валов с шестернями, механизма переключения передач, синхронизаторов и рычага. Типы валов: первичный, вторичный, промежуточный и дополнительный (в трехвальных КП). Связь первичного вала с коленвалом мотора осуществляется через комплект сцепления – пару дисков, маховик и выжимной подшипник.
Механическая коробка передач относится к т.н. ступенчатым коробкам – крутящий момент в ней меняется по ступеням (передачам). Для изменения ступени необходимо взаимодействие пары шестерен. Благодаря такому взаимодействию на ступенях изменяется передаточное число, т.е. обеспечивается изменение угловой скорости и крутящего числа.
Передаточное число – это отношение числа зубьев, находящихся на ведомой шестерне, к числу зубьев на шестерне ведущей. Если передаточное число будет больше единицы, передача является повышающей, а вот если меньше – то понижающей. В случае коробки передач чем больше передаточное число, тем ниже ступень. Если ступень является высшей, то передаточное число будет минимально возможным для данного агрегата. Сегодня наибольшее распространение имеют такие коробки передач:
- Пятиступенчатые (самые распространенные);
- Шестиступенчатые;
- Семиступенчатые.
Существует и агрегаты с меньшим или большим числом ступеней, однако их распространенность невелика. Другое дело – конструкции. Выделяют двух- и трехвальные коробки передач. Двухвальными МКПП оснащают переднеприводный легковой транспорт , тем временем как трехвальными – заднеприводный . К этому мы еще вернемся, а пока предлагаем в подробностях изучить устройство механической коробки передач.
Основные элементы агрегата
Как уже было сказано, механическая коробка передач преобразует крутящий момент. Этот момент передается к колесам. В том, чтобы снимать момент с коленчатого вала и сразу подавать его к колесам нет смысла – скорость вращения вала слишком велика. Для того чтобы автомобиль мог нормально двигаться как на низких, так и на высоких скоростях, нужен агрегат трансмиссии, который возьмет на себя задачу преобразования крутящего момента. В случае механической коробки передач изменение момента происходит наиболее простым способом – посредством взаимодействия шестерен разных конфигураций . К основным элементам такого агрегата относят:
- Картер;
- Первичный и вторичный вал, в тандеме с которыми работает и промежуточный вал с шестернями;
- Дополнительный вал с шестерней заднего хода (часто его называют четвертым валом);
- Несколько синхронизаторов;
- Механизм переключения скоростей с блокировочным и замковым устройствами;
- Рычаг переключения скоростей.
Разберем каждый из элементов подробнее. Картер включает в себя основные элементы трансмиссии . Он имеет связь с картером сцепления, который, в свою очередь, закреплен на двигателе. В силу того, что сцепленные шестерни испытывают значительные нагрузки, их необходимо смазывать – это предотвращает сухое трение и позволяет отвести излишки теплоты. Картер частично заполнен трансмиссионным маслом, которое и выступает в роли смазочного материала. Валы механической коробки передач фиксируются подшипниками, которые установлены в картере. Здесь же находятся шестерни с различным числом зубьев . В тандеме с ними работают синхронизаторы, которые позволяют плавно, быстро и без риска возникновения ударов включать передачу. Это становится возможным благодаря уравниванию скоростей вращающихся шестерен.
Крайне важным является механизм переключения. Именно он меняет передачи, однако управление осуществляется водителем при помощи рычага переключения скоростей , находящемся в салоне автомобиля. Замковое устройство предотвращает одновременное включение сразу двух передач, тем временем как блокировочное устройства не дает передачам выключаться самопроизвольно.
Подробнее о трехвальной коробке передач
Теперь вернемся к вопросу числа валов, который мы затронули в одном из разделов выше. МКПП бывают двух- и трехвальными. Для начала разберем трехвальную «механику», а затем вернемся к двухвальной. К основным элементам агрегата отнесем:
- Первичный (иначе называемый ведущим) вал;
- Промежуточный вал;
- Вторичный (иначе называемый ведомым) вал с блоками шестерен с синхронизаторами;
- Картер, в котором расположены указанные элементы и механизм переключения передач.
Ведущий вал трехвальной МКПП имеет шлицы, обеспечивающие соединение с ведомым диском сцепления. Крутящий момент, получаемый от ведущего вала, передается через соответствие шестерни, которые сцепляются с ним.
Промежуточный вал всегда располагается параллельно ведущему валу. На нем расположен блок шестерен, одна из которых и должно быть сцеплена с параллельно расположенной шестерней ведущего вала. Что касается ведомого вала, то он находится на одной оси в ведущим. Это возможно благодаря использованию торцевого подшипника на ведущем валу, в который также входит ведомый вал . При этом блок шестерен последнего не имеет жесткого крепления и может вращаться свободно. При этом шестерни промежуточного и ведомого вала, так же как и шестерни ведущего, находятся в постоянном зацеплении.
Читатель наверняка догадался, что между шестернями ведомого вала устанавливаются синхронизаторы, иначе называемые муфтами синхронизаторов . Их работы основана на выравнивании угловых скоростей шестерен за счет сил трений. Синхронизаторы закреплены на ведомом валу, однако они могут двигаться по вдоль вала благодаря шлицевому соединению. В современных агрегатах синхронизатором оснащена каждая из передач.
В трехвальной коробке передач механизм подключения находится прямо в корпусе агрегата. Он представляет собой совокупность рычага управления и т.н. ползунов с вилками. В тандеме с этим механизмом работает и устройство блокировки. Управляется все механизмы дистанционно, т.е. посредством манипуляций с рычагом переключения передач , который выведен в салон автомобиля.
Коробка передач. Сравнение трансмиссий, плюсы и минусы
Коробка переключения передач является неотъемлемой частью любого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Назначение коробки передач — это передача и преобразование крутящего момента с двигателя на колеса, а так же осуществление отбора мощности на привода других агрегатов и дополнительного оборудования. Этот процесс позволяет обеспечить оптимальную силу тяги и скорость движения автомобиля, а так же движение задним ходом. Более того коробка помогает разъединять коленчатый вал двигателя от ведущих колес, что обеспечивает холостой ход автомобиля или его полную остановку.
Нужно отметить, что коробки передач получили распространение не только в транспортных средствах. Широко применяют коробки переключения в промышленных механизмах, станках на производстве.
С момента появления автомобилей на дорогах производители совершенствовали не только двигатели, но и коробки переключения передач. Развитие данного направления привело к появлению современных автомобилей с разными видами трансмиссий.
Виды трансмиссий
Более чем столетняя история развития автомобилестроения принесла в современный мир не только экологичные и мощные двигатели, но и усовершенствованные коробки переключения передач. На сегодняшний день на автомобили устанавливаются четыре основных типа коробок переключения передач:
1. Механическая коробка переключения передач
2. Автоматическая коробка переключения передач
3. Роботизированная коробка переключения передач
4. Вариативная (бесступенчатая) коробка переключения передач
Разберем подробнее каждый тип коробки.
Механическая коробка передач (Механика, МКПП)
Особенность работы двигателя внутреннего сгорания в том, что рабочая мощность развивается только в небольшом диапазоне оборотов. По этой причине для изменения крутящего момента необходим дополнительный механизм.
История создания уходит более чем на сто лет назад, а изобретение принадлежит Карлу Бенцу. Конструктивно, устройство первой коробки было примитивным и крайне простым. Механизм коробки был реализован из пары шкивов разного диаметра, которые были расположены на ведущем валу, шкивы соединялись с валом двигателя при помощи ремня. В зависимости от условий движения ремень при помощи специально предусмотренного рычага переставлялся с одного шкива на другой. Это позволяло изменять крутящий момент, передающийся на ведущие колеса. Такой простой механизм нашел применение и в современном мире, передачи на велосипедах переключаются по тому же принципу.
Современные механические коробки значительно дальше шагнули от такого механизма. Конструктивно коробка состоит из набора шестерен, а изменение передаточного осуществляется путем введения шестерен в зацепление при помощи рычага.
Механические КПП могут оснащаться разным количеством ступеней. Самой популярной является пятиступенчатая коробка. В свою очередь коробки переключения передач механического типа подразделяются на двухвальные и трехвальные коробки.
Двухвальные механические коробки переключения передач устанавливаются на автомобили, оснащенные передним приводом. Трехвальные коробки переключения передач устанавливаются на легковые и грузовые автомобили, которые могут комплектоваться как передним так и задним приводом.
· Простая и надежная конструкция
· Более легкое управление автомобилем в условиях бездорожья
· Движение в экономичном режиме
· Недорогое обслуживание
Минусы МКПП:
· Неудобство управления в сложном городском режиме
Автоматические коробки передач (Автомат, АКПП)
Идея комфортного управления автомобилем родилась практически сразу с появлением самого автомобиля. Такой комфорт могло бы обеспечить автоматическое переключение передач. Но реализовать данную идею смогли не сразу. В серию, автомобили с автоматической коробкой переключения передач попали только в 1947 году, АКПП стали комплектовать автомобили фирмы Buick.
Хотя на самом деле серийные автоматические коробки переключения передач появились немного раньше. АКПП оснащались городские автобусы в Швеции еще в 1928 году.
Нужно отметить что, к появлению гидромеханической коробки передач привели три независимые линии разработок, позже которые были объединены в ее конструкции. В основу АКПП встал гидротрансформатор, изобретение профессора Феттингера, патент на который им был получен еще в 1903 году. Два других элемента — это планетарный редуктор и гидравлическая система управления.
Современная автоматическая коробка переключения передач, в отличие от классической механики, работает в иных условиях и по другому принципу, хоть и основное назначение неизменно.
Гидротрансформатор или преобразователь крутящего момента, включает в себя насос, турбину и статор. Все детали гидротрансформатора заключены в общем корпусе. Гидротрансформатор заполнен специальным маслом, насос создает внутри гидротрансформатора поток масла, который вращает колесо статора и турбину. Тем самым передавая крутящий момент с двигателя.
Планетарная передача состоит из нескольких шестерен (они называются планетарными или сателлитами), вращающихся вокруг центральной шестерни. Планетарные шестерни фиксируются вместе с помощью водила. Кроме этого, дополнительная внешняя кольцевая шестерня имеет внутреннее зацепление с планетарными шестернями. Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни, внешняя шестерня – вокруг сателлитов. Передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга. Для получения большего диапазона передаточных чисел в современных коробках используется несколько планетарных передач.
Гидравлика работает в полном симбиозе с остальными частями АКПП и ее работу можно сравнить с кровеносной системой. Жидкость, используемая в качестве рабочей, помимо создания давления в системе, обладает так же набором полезных функций. Таких как смазывание, отвод тепла и очищение внутренностей АКПП от загрязнений.
· Комфорт и удобство управления
· Способность менять передачи при полной мощности двигателя
· Плавность хода во время переключения передач
· Защита деталей двигателя от перегрузок при выборе неверной передачи
Минусы АКПП:
· Стоимость и периодичность обслуживания
· Больший расход топлива
· Низкий КПД
· Меньшая динамика автомобиля
Роботизированные коробки передач (Роботы)
Роботизированная коробка передач — это логическое продолжение развития механической коробки. Робот это не что иное, как механическая КПП, в которой выжим сцепления и переключение передач выполняют два сервопривода (актуатора), управляемые электронным блоком. По факту робот впитал в себя все положительные стороны механической кпп и удобство автомата.
Первый прототип робота появился в 1939 году, Адольф Кегресс создал трансмиссию с двойным сцеплением, но дальнейшее развитие этого перспективного изобретения остановилось на следующие 40 лет. Всему виной отсутствие финансирования проекта.
В серию роботизированные коробки передач попали очень нескоро, но обкатать технологию решились инженеры Porsche. Роботы внедрили на модели 956 и 962С, машины предназначались для кольцевых гонок. К сожалению, недоработка конструкции и значительный вес коробки не позволил технологии выйти за пределы трека.
Серийная роботизированная коробка появилась только в 2003 году. Отважилась на такой шаг компания Volkswagen, установив преселективную трансмиссию на спорт версию модели Golf 4 R32. Производителем коробки была компания BorgWarner. По сей день концерн VAG активно продвигает этот тип коробок на своих моделях.
Особенность такой коробки заключается в конструкции, а именно в наличии двух сцеплений. Принцип работы такой коробки состоит в том, что на одно сцепление завязаны четные передачи, а на второе нечетные. В процессе движения крутящий момент передается по одному сцеплению, т.е. диск сомкнут. В это же время диск второго сцепления разомкнут, но внутри самой коробки следующая передача уже сформирована и когда приходит время переключения, первый диск просто размыкается, а второй синхронно смыкается. Такая схема работы обеспечивает плавность переключения и отсутствие рывков.
В свою очередь, роботизированные коробки делятся на два типа:
· С мокрым сцеплением — используют на автомобилях с мощным двигателем, крутящий момент которых превышает 350 Нм.
· С сухим сцеплением – используют на автомобилях с маломощными двигателями до 250 Нм крутящего момента.
Плюсы Робота:
· Плавность переключения и хода
· Высокий КПД
· Экономичный расход топлива
· Высокая динамика
· Возможность выбора режима работы трансмиссии
Минусы Робота:
· Малая надежность, как самой конструкции, так и мехатроника
· Стоимость обслуживания и ремонта
· Чувствительность к тяжелым дорожным условиям
Вариаторные трансмиссии (Вариаторы)
Вариаторные трансмиссии (CVT) считаются прямыми последователями классических гидромеханических кпп. Есть устойчивое мнение, что за CVT – коробками будущее, опять таки, учитывая городскую эксплуатацию автомобилей. Особенный упор на трансмиссии CVT делают японские производители, такие как Nissan и Subaru. Первая вариаторная коробка серийно появилась на автомобиле марки DAF в 50-е годы XX-века. Этим автомобилем оказался не грузовик, как многие могли подумать, а маленький легковой автомобиль.
К сожалению, особой надежностью и длительным ресурсом конструкция не отличалась. Компания Volvo в свою очередь, долгие годы пыталась развить технологию, но все закончилось сворачиванием разработок. Неожиданное продолжение истории вариатора дала Япония.
Причиной возврата и доработки вариатора послужила необходимость адаптации автоматических коробок к условиям эксплуатации в режиме городских пробок. Работа переключений передач на АКПП напрямую завязана на обороты двигателя. Классический автомат в режиме городских пробок, на малом расстоянии и на малом ходу начинал переключать передачи с первую на вторую, когда этого совершенно не нужно. В другом случае, двигаясь «накатом», АКПП держала передачу, не уходя на пониженную, долгое время ожидая от водителя команды на разгон. Такое поведение коробки давало большую нагрузку на собственные узлы, что вело к увеличенному расходу топлива, повышенному износу и раннему выходу из строя. Все это привело к интенсивной доработке акпп, но результатом стал принципиально новый тип кпп – CVT.
Самое удивительное, что первый вариатор был придуман Леонардо да Винчи в 1490 году. На чертежах изобретателя можно увидеть схему из параллельных конусов и перекинутого между ними ремня, способного перемещаться поперек оси вращения конусов, что позволяло менять передаточное отношение пары.
Коробка типа CVT или Вариатор представляет собой бесступенчатую коробку передач. Основные детали коробки CVT — это гидротрансформатор и два раздвижных шкива, плюс, соединяющий их (шкивы) ремень. Сечение ремня имеет трапециедальную форму. Принцип работы заключается в следующем — сдвигающиеся половинки ведущего шкива выталкивают ремень наружу, что приводит к увеличению радиуса шкива, по которому работает ремень, это действие увеличивает передаточное отношение. Когда требуется снижение передаточного числа, ведомый шкив раздвигается, ремень перемещается на меньший радиус. Гидротрансформатор в этой конструкции обеспечивает трогание с места, после чего блокируется. Управление шкивами выполняет электроника.
Плюсы Вариатора:
· Переключение передач происходит незаметно, без рывков
· Экономичный расход топлива
· Высокая динамика
Минусы Вариатора:
· Несовместимость с мощными моторами
· Стоимость обслуживания и ремонта
· Большое количество датчиков влияющих на работу CVT
· Чувствительность к тяжелым дорожным условиям, буксировке
Мы рассмотрели основные виды коробок переключения передач. Определили главные минусы и плюсы каждого типа. Но дать однозначный ответ, какой агрегат будет лучше всех, невозможно. Каждый хорош в своем диапазоне задач, и выбор агрегата, которым будет оснащен автомобиль, учитывая диапазон задач, уже ложится на плечи конструкторов автомобиля и потребителя.
Как работает механическая коробка передач: подробно и наглядно
Какой автомобильный агрегат приходит на ум сразу после двигателя? Что внушает ужас и трепет ученикам автошкол, но вызывает довольную улыбку на лицах водителей со стажем? С каким механизмом многие из нас работают по несколько часов в день, порой даже не подозревая о принципе его внутреннего устройства? Да, ответ лежит на поверхности: это механическая коробка передач. Рассказав об основных проблемах, возникающих с автоматическими коробками передач, разобравшись с мифами и слухами о бесступенчатых трансмиссиях, мы решили: хватит незаслуженно обделять вниманием самую главную, простую и, несмотря ни на что, популярную вариацию механизма, превращающего мотор из котла для сжигания топлива в сердце автомобиля.
Наглядное пособие
Специально для этого материала компания «PacPac» предоставила нам конструктор «FischerTechnik», схематично показывающий принцип работы механической коробки передач, и мы даже смогли его собрать. Обратим особое внимание на то, что он передает лишь самые базовые свойства, совершенно не учитывая ряд явлений, происходящих в реальной автомобильной КПП: в нем нет ни муфт, ни вилок, ни синхронизаторов, а выбор передачи реализуется посредством перемещения собственно первичного вала. Если бы это была реальная металлическая «механика», она прожила бы совсем недолго, разлетевшись уже после нескольких десятков переключений. Тем не менее, взглянув на эту маленькую бесстрашную «коробочку передачек», лихо подтыкающую их без синхронизации в неподвижный вторичный вал, можно увидеть и понять основное предназначение агрегата: давать возможность менять передаточное отношение при помощи шестерней различного размера. А это уже что-то.
Конструктор FischerTehnik, демонстрирующий принцип работы МКПП
Изобретая велосипед
Начиная повествование о коробке передач, стоит вкратце разобраться – а зачем вообще она нужна? Ведь всем известно, что главное в машине – двигатель, так неужели нельзя напрямую передать выполняемую им работу на колеса, не выдумывая сложных схем с кучей шестерней, третьей педалью в салоне и рычагом, который надо постоянно ворочать? К сожалению, нет.
Для ответа на этот очевидный вопрос лучше всего посмотреть на велосипед, точнее, его эволюцию. Простейший вариант представляет собой две звездочки, связанные цепной передачей. Вращая одну – ведущую – звездочку при помощи педалей, наездник приводит в движение вторую – ведомую, связанную непосредственно с колесом, таким образом вращая его. Велосипед движется вперед, все счастливы и довольны. По крайней мере, были до определенного момента – до тех пор, пока велосипед служил для перемещения по относительно ровным и горизонтальным поверхностям. Внезапно выяснив, что порой на пути встречаются подъемы, рыхлые грунты и прочие неудобства, люди задумались об усовершенствовании конструкции. Результатом стало как раз то, что можно назвать прообразом механической коробки передач – наборы звездочек спереди и сзади, позволяющие изменять передаточное отношение.
Передаточное отношение – частное, получаемое при делении скорости ведущей звезды на скорость ведомой, то есть количества их оборотов. Оно обратно передаточному числу, которое рассчитывается как отношение числа зубьев на ведомой звездочке к их числу на ведущей. Проще говоря, чем меньше ведущая звезда и больше ведомая, тем легче будет ее вращать и тем медленнее она будет двигаться. Снова вспоминаем старые велосипеды: спереди педалями приходилось вращать большую звезду, в то время как звездочка на задней втулке была маленькой. В результате, пытаясь в детстве тронуться на каком-нибудь «Урале», приходилось всем весом налегать на педали, чтобы провернуть заднее колесо. Ну а сейчас магазины изобилуют россыпью двухколесников, даже самые бюджетные из которых имеют по несколько звезд сзади и спереди. Благодаря этому можно, например, изменить набор: ведущая звездочка будет маленькой, а ведомая – большой. Тогда педали будут вращаться очень легко, но особо разогнаться не получится. Зато в горку можно будет ехать, а не тащить.
От велосипеда к автомобилю
К чему относился весь этот подробный велоликбез? Как раз к тому, зачем нужна коробка передач вообще: ведь характеристики источника энергии, будь то велосипедист или двигатель внутреннего сгорания, постоянны. Первый развивает определенную мышечную силу, ограниченную физическими возможностями, а для второго возможности выражаются количеством развиваемых оборотов. Дело в том, что в их рабочем диапазоне просто нельзя подобрать такое передаточное отношение, которое позволит и уверенно тронуться с места, и разогнаться до 150 и более километров в час. Ситуация усугубляется тем, что если у велосипедиста максимальный «крутящий момент» доступен практически «с холостых оборотов», то с ДВС ситуация иная: для его достижения обороты должны быть довольно высокими. Да и максимальная мощность, тоже немаловажная для движения, появляется в верхнем их диапазоне.
Какой из этого следует вывод? Придется прибегать к тому же приему, что и на велосипеде: изменять передаточное отношение. Между чем и чем? Сейчас разберемся.
А теперь – к самой коробке передач
Принципиально от велосипедной трансмиссии автомобильная коробка передач отличается типом привода: если в первой используется цепь, то вторая имеет в своей основе шестеренный механизм. В целом же суть у них одна: и там, и там шестерни (звезды) имеют неодинаковые размеры, обеспечивая разное передаточное отношение. Кстати, изначально, в ранних КПП они были простыми прямозубыми, а позже стали косозубыми, так как в этом случае обеспечивается более тихая их работа.
В общем виде механическая коробка передач представляет собой набор параллельных валов, на которых «нанизаны» шестерни. Их задача – передать крутящий момент с маховика двигателя на колеса. В классическом случае для этого используется либо два, либо три вала. Рассмотрим трехвальный вариант, от которого будет проще перейти к двухвальному.
Итак, в трехвальном исполнении в КПП есть первичный, вторичный и промежуточный валы. Первые два при этом расположены на одной оси, являясь будто продолжением друг друга, но независимы и вращаются отдельно, а третий физически располагается под ними. Первичный вал короткий: одним концом он через сцепление соединен с маховиком двигателя, то есть принимает с него крутящий момент, а на втором конце расположена одна-единственная шестерня, передающая этот момент дальше, на промежуточный вал. Он, как мы помним, находится ниже ведущего и представляет собой уже длинный стержень с шестернями на нем. Их количество совпадает с количеством передач, плюс одна для соединения с первичным валом.
Закреплены шестерни на промежуточном валу жестко, зачастую они вытачиваются из единой металлической заготовки. Их можно назвать ведущими (хоть и приводятся в движение они через первичный вал). Постоянно вращаясь, они передают крутящий момент на ведомые шестерни вторичного вала (их здесь, кстати, уже ровно столько же, сколько передач). Этот третий вал схож с промежуточным, но главное отличие в том, что шестерни на нем являются подвижным элементом: они не связаны с валом жестко, а нанизаны на него и вращаются на подшипниках. Их продольное перемещение при этом исключено, они расположены строго напротив шестерней промежуточного вала и вращаются вместе с ними (хотя существует и другой вариант, когда шестерни могут двигаться вдоль вала). Одним концом вторичный вал, как мы помним, обращен к первичному, а второй служит уже непосредственно для передачи крутящего момента на колеса – например, через кардан и редуктор заднего моста.
Итак, мы получили конструкцию, где первичный вал при сомкнутом сцеплении вращает промежуточный, а тот – одновременно все шестерни на вторичном валу. Однако сам вторичный вал по-прежнему неподвижен. Что нужно сделать? Включить передачу.
Включаем передачу
Включение передачи означает соединение одной из шестерней вторичного вала с ним самим, чтобы они начали вращаться вместе. Осуществляется это так: между шестернями располагаются специальные муфты, которые могут перемещаться вдоль вала, но вращаются вместе с ним. Они выполняют роль «замков», при помощи зубчатых венцов на своих соприкасающихся торцах жестко соединяющих вал с шестерней, к которой примыкает муфта. Она приводится в движение вилкой – этакой «рогаткой», которая, в свою очередь, соединена с рычагом КПП – тем самым, которым орудует водитель. Привод КПП может быть разным: рычажным (с использованием металлического вала), тросовым и даже гидравлическим (такой используют на грузовиках).
На видео: Коробка передач FischerTechnik — Первая передача
Теперь картинка более-менее сложилась: передвинув муфту к одной из шестерней вторичного вала и замкнув их, мы добиваемся вращения вала и, соответственно, передачи крутящего момента на колеса. Но тут есть еще несколько «фишек», о которых нужно упомянуть.
Синхронизаторы
Для начала представим себе переключение передачи при движении автомобиля. Муфта, отходя от шестерни, разблокирует ее и пойдет к соседней (либо же в дело вступит другая муфта, между другими шестернями). Казалось бы, никаких проблем тут нет… Однако все не так гладко: ведь муфта (и, соответственно, вторичный вал) теперь имеет одну скорость вращения, заданную предыдущей ведомой шестерней, а шестерня следующей передачи – другую. Если просто резко совместить их, произойдет удар, который, хоть и моментально уравняет скорости, ничего хорошего не принесет: во-первых, шестерни и их зубья могут банально повредиться, а во-вторых, переключать передачи таким образом – вообще не лучшая затея. Как же быть? Ответ прост: перед включением передачи скорости движения шестерни и муфты нужно синхронизировать.
Для этих целей используются детали, именуемые – внезапно – синхронизаторами. Принцип их работы прост настолько же, насколько и их название. Для синхронизации скоростей двух вращающихся узлов используется самое простое решение: сила трения. Перед тем, как войти в зацепление с шестерней, муфта подходит к ней вплотную. Контактная часть шестерни имеет коническую форму, а на муфте расположен ответный конус, на котором установлено бронзовое кольцо (или несколько колец, так как эти детали, как можно понять, подвергаются основному износу). Прижимаясь к зубчатому колесу через эту «прокладку», муфта разгоняет или тормозит его до своей скорости. Далее все идет уже как по маслу: поскольку теперь две детали неподвижны относительно друг друга, муфта легко, плавно, без рывков и толчков входит в зацепление с шестерней посредством зубчатых венцов, расположенных в зоне сопряжения, и они продолжают движение вместе.
Прямая и повышающая передачи
Переходим к следующему пункту. Представим себе, что, постепенно разгоняясь, мы достигли такой скорости движения автомобиля, при которой двигатель в состоянии обеспечить то, о чем мы говорили в самом начале, – непосредственное вращение колес без помощи дополнительных шестерней. Какое решение этой задачи будет наиболее простым? Вспоминая, что первичный и вторичный вал в трехвальной КПП располагаются на одной оси, мы приходим к простому выводу: нужно соединить их напрямую. Таким образом мы добиваемся желаемого результата: скорость вращения маховика двигателя совпадает со скоростью вращения вторичного вала, непосредственно передающего крутящий момент на колеса. Идеально! При этом передаточное отношение, очевидно, составляет 1:1, поэтому такая передача называется прямой.
На видео: Коробка передач FischerTechnik — Вторая передача
Прямая передача является весьма удобной и выгодной: во-первых, минимизируются потери энергии на вращение промежуточных зубчатых колес, а во-вторых, сами колеса гораздо меньше изнашиваются, так как на них не передается никакого усилия. Однако мы помним, что шестерни промежуточного и вторичного валов всегда находятся в зацеплении, и оно никуда не пропадает, так что они продолжают вращаться, но уже «вхолостую», не передавая крутящий момент.
А что если пойти еще дальше и сделать передаточное число меньше единицы? Нет проблем: это практикуется уже давно. На деле это означает, что ведомая шестерня будет меньше ведущей, а, следовательно, двигатель при той же скорости, что и на прямой передаче, будет работать на меньших оборотах. Преимущества? Снижаются потребление топлива, шум и износ двигателя. Однако крутящий момент в таких условиях будет далеко не самым высоким, и для передвижения нужно поддерживать большую скорость. Повышающая передача (ее еще называют овердрайв) служит в основном для поддержания этой скорости при постоянном движении, а при обгоне вам, скорее всего, придется переключиться на пониженную.
Задний ход
Ну вот, с тем, как ехать вперед, мы разобрались, а как же реализовать задний ход? Ведь вращение маховика не изменишь, а значит, и первичный вал будет всегда вращаться строго в одном направлении. На самом деле, здесь все еще проще.
На видео: коробка передач FischerTechnik, задняя передача
Имея ведущую и ведомую шестерни и необходимость изменить направление вращения последней, достаточно просто расположить между ними третью – промежуточную. Вопрос решен! Задний ход в автомобилях, как правило, выполнен именно так. Соответственно, ведущая и ведомая шестерни по-прежнему располагаются на своих местах, а вторичный вал при этом вращается в обратную сторону – противоположную первичному.
Двухвальные коробки передач
Как мы и обещали, от трехвальной КПП перейдем к двухвальной. На самом деле различий в их устройстве и работе – минимум. Главное заключается в том, что промежуточный вал отсутствует, а его роль в полном объеме берет на себя первичный. На нем располагаются неподвижные шестерни, и он же напрямую передает крутящий момент на вторичный вал.
Также из несоосного расположения вторичного вала относительно первичного проистекает второе отличие двухвальной КПП: отсутствие прямой передачи в силу банальной физической невозможности жестко соединить напрямую эти два вала. Это, конечно, не мешает подобрать передаточное отношение повышенных передач таким образом, чтобы оно стремилось к значению 1:1, но привод в любом случае будет осуществляться через шестерни со всеми сопутствующими этому потерями.
Из явных плюсов двухвальной коробки можно отметить ее компактность по сравнению с трехвальной, но из-за отсутствия промежуточного ряда шестерней сокращается вариативность подбора передаточных отношений. Таким образом, ее можно использовать там, где меньший вес и размеры играют большую роль, чем высокий крутящий момент и широкий диапазон передаточных чисел.
Вместо заключения
Разумеется, в этом материале мы оставили за бортом некоторые технические тонкости и нюансы. Точное устройство синхронизаторов с сухарями, пружинами, шариками и стопорными кольцами, особенности эксплуатации несинхронизированных КПП, различия и преимущества существующих типов привода муфт включения передач – все это было сознательно оставлено в стороне, чтобы не перегружать детальной информацией тех, кто только пытается разобраться в принципах работы «механики». Как раз для такой аудитории этот текст и написан – вряд ли человек, знакомый с внутренним устройством коробки передач, почерпнет из него что-то новое. А вот для новичков, желающих узнать, что же там, на другом конце салонного рычага МКПП, статья может быть полезна. Ведь знания дают не только теоретическую подкованность – теперь многим станет ясно и то, как правильно эксплуатировать свой автомобиль: почему не стоит включать передачи, не предназначенные для движения на выбранной скорости, почему не стоит торопиться в переключениях или изображать раллийного гонщика с «секвенталкой» при эксплуатации гражданского автомобиля в обычных городских условиях, почему все же нужно менять масло не только в двигателе, но и в коробке передач. И если кто-то задумается или сделает для себя новые выводы – значит, все это было написано не зря. А это, как известно, самое важное.