Устройство и назначение коробки переключения передач
Назначение
Коробка переключения передач (сокращенно КПП) предназначена для изменения крутящего момента по величине и направлению и передачи его от сцепления (с механизмом сцепления мы познакомимся в следующем разделе) к ведущим колесам. Другими словами, с помощью КПП при постоянной мощности двигателя происходит изменение силы тяги на ведущих колесах автомобиля. Также КПП позволяет включить задний ход и на неограниченное время (в отличие от сцепления) осуществлять отсоединение двигателя от ведущих колес. Автомобили могут оснащаться механической либо автоматической КПП. Отметим, что механическая КПП является сегодня более распространенной, она устанавливалась на все автомобили до изобретения «автомата», который появился примерно в середине прошлого столетия. коробка переключение передача вал
Устройство
Механическая КПП содержит следующие основные элементы: картер, первичный вал, вторичный вал, промежуточный вал, шестерни, дополнительный вал, шестерни заднего хода, синхронизаторы, механизм переключения передач, замковое устройство, блокировочное устройство, рычаг переключения передач. Отметим, что рычаг коробки переключения передач (сокращенно рычаг КПП) -- единственный из перечисленных элементов, который доступен из салона.
Картер КПП закреплен на картере сцепления, который, в свою очередь, установлен на картере двигателя. Половину объема картера КПП занимает трансмиссионное масло, используемое для смазки деталей КПП. Замена масла в КПП осуществляется редко, на многих современных автомобилях его и менять не нужно (оно заливается на заводе-изготовителе и рассчитано на весь срок эксплуатации автомобиля). Это обусловлено тем, что в КПП по сравнению с мотором детали вращаются намного медленнее. Следовательно, они не так интенсивно изнашиваются, и в масло попадает значительно меньше продуктов их работы (металлических опилок, стружки и др.). Поэтому находящееся в КПП масло дольше сохраняется в состоянии, пригодном для использования.
Картер КПП содержит подшипники, на которых вращаются валы. Эти валы имеют наборы шестерен с разным числом зубьев. Для того чтобы передачи переключались плавно и бесшумно, в КПП используются синхронизаторы. Сущность их работы состоит в том, что они уравнивают угловые скорости вращающихся шестерен.
Основным узлом КПП является механизм переключения передач, с помощью которого, собственно, и осуществляется смена передач. Управление этим механизмом производится с помощью рычага, расположенного в салоне. Обычно рычаг КПП находится между передними сиденьями и одновременно перед ними, но он может располагаться, например, и на рулевой колонке.
Замковое устройство предотвращает включение одновременно двух передач, а блокировочное устройство предотвращает самопроизвольное выключение передач.
Работа
Основной принцип работы КПП базируется на том, что разные шестерни имеют разное число зубьев. Предположим, что коленвал вращается со скоростью 3000 оборотов в минуту и передает этот крутящий момент на первичный вал с шестерней, которая входит в зацепление с другой шестерней, большей по размеру и имеющей в два раза больше зубьев. Вал, на котором установлена эта вторая шестерня, будет вращаться со скоростью в два раза меньшей, т. е. 1500 оборотов в минуту. При использовании разных сочетаний входящих в зацепление шестерен (установленных на разных валах) этот принцип позволяет получать и передавать, на ведущие колеса разный крутящий момент. В результате при вращении коленчатого вала со скоростью 3000 оборотов в минуту ведущие колеса при включении соответствующих передач могут вращаться, например, со скоростью 1500 оборотов в минуту или 2000 оборотов в минуту и т. д.
Для движения задним ходом в КПП предусмотрена возможность включения задней передачи. В данном случае вторичный вал КПП вращается в обратную сторону благодаря использованию нечетного количества входящих в зацепление шестерен (в этом случае направление крутящего момента меняется на противоположное). Эта «нечетная» шестерня находится на дополнительном валу КПП.
Водитель автомобиля самостоятельно переключает передачи с помощью рычага, в зависимости от условий езды, режима работы двигателя, его возможностей, а также иных факторов. На современных легковых автомобилях чаще всего устанавливается пятиступенчатая коробка передач: это означает, что машина имеет пять передач для движения в переднем направлении и одну передачу -- для движения в заднем направлении.
Помните, что чем ниже передача -- тем она сильнее, но в то же время -- медленнее. Следовательно, самыми сильными передачами, используемыми для начала движения и езды на небольшой скорости, являются первая и задняя передачи. Когда они включены, мотор легко вращает ведущие колеса, но разогнаться до высокой скорости вы не сможете: двигатель будет громко «реветь», но быстрее 10-20 км/ч автомобиль не поедет. Поэтому после начала движения и набора минимальной скорости необходимо перейти на вторую передачу -- менее мощную, но более скоростную. Далее можно развить скорость 40-50 км/ч для перехода на третью передачу -- еще более скоростную и менее мощную и т. д.
Коробка передач – один из важнейших элементов автомобиля. Она нужна для передачи вращения двигателя на колеса. Существует следующие типы коробок передач автомобилей: бесступенчатый, ступенчатый и комбинированный. В современных автомобилях используются все типы.
Назначение коробки передач
КПП – это связующее звено между двигателем и колесами. В двигателе внутреннего сгорания нельзя обойтись без коробки. На низких оборотах он имеет маленькую мощность, которой недостаточно для трогания с места и движения. Коробка передач нужна для увеличения крутящего момента и придания ускорения колесам.
ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО
Функции КПП:
Передает вращение мотора на вращение ведущих колес.
Распределяет усилия при разных условиях движения авто: в горку, с горки.
Обеспечивает независимое поведение двигателя и ведущих колес (на нейтральной передаче).
Обеспечивает движение задним ходом.
Сколько передач может быть в коробке
Ступенчатая коробка имеет определенное число ступеней для оптимальной передачи вращения. В ретро-автомобилях встречаются коробки с тремя-четырьмя передачами. Это связано с тем, что моторы имели маленькую мощность, и такого числа хватало для ее преобразования на колеса. На современных машинах встречаются пяти- и шестиступенчатые агрегаты. Для спортивных автомобилей производят семиступенчатые, так как их мощность больше, а в гонках важно точно изменять скорость.
Принцип работы
Самая простая коробка – механическая. Именно такие агрегаты устанавливались во все автомобили до 1940—1950-х годов. Она построена по принципу шестеренчатой передачи.
Главный элемент – это пара шестерен, ведомая и ведущая. Они имеют разное количество зубьев. Отношение количества зубьев ведомой к количеству зубьев ведущей шестерни – это передаточное число. Именно оно определяет, как передается момент вращения. Если ведомая шестерня больше, то скорость ее вращения будет меньше, чем у ведущей, а крутящий момент больше.
Смысл ступенчатой коробки в том, что она имеет несколько пар шестеренок с разными передаточными числами, то есть несколько передач или ступеней. Валы и шестерни нужны для преобразования разного по величине крутящего момента.
Передача заднего хода – это одна дополнительная шестеренка между ведущей и ведомой. Она изменяет направление вращения ведомой на обратное.
При страгивании с места нужен высокий крутящий момент, но низкая скорость. Для этого используется первая скорость, которая имеет большое передаточное отношение. Даже если у двигателя большие обороты, авто будет ехать медленно, но при этом не заглохнет. Для движения на равномерно высокой скорости используются повышенные ступени – от четвертой и выше. Как правило, четвертая ступень – это прямая передача с передаточным числом 1. Пятая ступени и выше имеют передаточное число меньше 1.
Виды КПП, схемы
С развитием автомобилестроения было изобретено два типа КПП – механическая и автоматическая. Позже появились их вариации – роботизированная, как усовершенствованная механика, и вариаторная, как усовершенствованный автомат. Виды коробок передач:
Механическая
Это самый простой вид. Такой механизм состоит из шестеренок, которые зацепляются друг с другом, когда водитель приводит рычаг в определенное положение. Чтобы переключить скорость на такой коробке, нужно выжать педаль сцепления, которая отключает ведущий вал. После этого водитель переключает рычаг управления, шестерни меняются, водитель отпускает сцепления и ведущие и ведомые шестеренки схватываются друг с другом.
ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО
Достоинства этого вида:
Простота устройства;
Низкая цена;
Высокий КПД;
Низкий расход топлива.
Типы механических коробок передач:
Двухвальная. Ведомый и ведущий вал расположены параллельно, а ведущий объединен со сцеплением. Связь между всеми элементами обеспечивается тросами или тягами.
Трехвальная. Имеет три вала – ведущий, промежуточный и ведомый. Последний отвечает за включение шестерней. При переключении рычага управления перемещается муфта, которая обеспечивает синхронизацию вращения.
Виды механических коробок передач автомобилей значительно отличаются. Выбор зависит от предпочтений водителя.
Автоматическая
Это более сложные типы КПП автомобилей, которые самостоятельно переключает скорости. Автомат состоит из системы планетарных передач. Они названы так из-за устройства: шестерни крутятся вокруг центра, как планеты вокруг Солнца.
ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО
В центре находится солнечная шестерня, вокруг нее вращаются планетарные шестерни или сателлиты. Все они зафиксированы вместе водилом. Дополнительная внешняя шестерня зацепляется с планетарными. Сателлиты вращаются вокруг центральной шестерни, а вокруг них вращается внешняя шестерня. Передача вращения происходит в момент зацелпения разных шестеренок. Для увеличения вариантов передаточных чисел в АКПП устанавливают несколько планетарных передач.
Плюсы устройства:
Удобство водителя;
Смена скоростей даже на полной мощности мотора;
Плавность хода во время переключения;
Защита от человеческого фактора: неправильного переключения;
Большой ресурс.
Роботизированная
Роботизированная коробка передач изготовлена, как усовершенствование механики. Это стандартная ручная коробка передач, она имеет все те же шестеренки и диск сцепления. Отличие в том, что переключение скоростей и управление сцеплением происходит автоматически.
Преимущества:
Небольшая стоимость;
Удобство для водителя;
Экономичность;
Небольшой вес.
Главным недостатком этого вида являются рывки при смене ступеней. Некоторые автолюбители жалуются на задержку переключения. Можно перейти на ручной режим, но это не помогает, так как за сцепление в любом случае отвечает автоматика. АКПП справляется с этой работой гораздо лучше.
Усовершенствованным вариантом робота является КПП с двойным сцеплением. Одно сцепление отвечает за четные ступени, а другое – за нечетные. Работают синхронно – пока один диск сомкнут, другой разомкнут, в момент переключения они меняются. В результате отсутствуют рывки и толчки. Этот вид превосходит МКПП, так как мощность от мотора постоянно подается на колеса.
Вариаторная
Это автоматизированная коробка передач, в которой отсутствуют ступени. Вариатор состоит из двух шкивов – ведущего и ведомого. Они соединены ремнем. Эта конструкция преобразует вращение двигателя во вращение колес.
Каждый шкив имеет две половинки конусовидной формы. В процессе работы они сближаются и удаляются, меняя таким способом радиус. Если ведомый шкив раздвинуть, то ремень будет крутиться по маленькому радиусу, передаточное число уменьшится. Если оба шкива находятся в одинаковом положении, то вращение передается напрямую.
Для страгивания с места в коробке используется сцепление или гидротрансформатор. После начала вращения колес он останавливается. Шкивами управляется специальный блок управления посредством датчиком и сервоприводов.
Преимущества механизма:
Электронное управление выбирает оптимальный режим работы мотора;
Плавный ход;
Экономичность.
Главным недостатком этого устройства считается высокая стоимость ремонта и замены. Многие автолюбители после выработки ресурса этого механизма меняют его на АКПП.
Секвентальная
Новинки коробок передач содержат разработки по автоматическому включению скоростей. К ним относится и секвентальная коробка скоростей. Это автоматизированная КПП, которая построена на основе механической. Система работы коробки передач построена на переключении ступеней строго последовательно. Отсутствует педаль сцепления, но этот механизм есть в конструкции, просто он управляется автоматически. Механизм контролируется блоком управления.
Выше перечислены все виды коробок передач и их отличия. Какой из них выбрать, каждый водитель решает сам, в зависимости от своих потребностей.
Ремонт и замена коробок ВАЗ
На классических автомобилях ВАЗ устанавливались механические КПП. Они просты в эксплуатации и имеют большой ресурс. Они просто ремонтируются, по сравнению с остальными видами. Многие владельцы занимаются этим самостоятельно. Если вы не хотите тратить на это время, можно приобрести новый агрегат и установить его на место старого.
ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО
Теперь вы знаете, что такое коробка передач. Какие виды КПП выбрать, каждый решает сам. Все зависит от личных предпочтений и привычек.
Не забывайте о регулярном обслуживании, диагностике и ремонте, иначе коробка передач автомобиля быстро выйдет из строя.
Когда новички садятся за руль автомобиля, у них на этапе обучения вождению возникают проблемы с коробкой передач, а точнее, с необходимостью постоянных переключений. Многие не раз задумывались, что без этой «кочерги» автомобиль был бы более идеальным. Но, к сожалению, без автомобиль не смог бы эффективно работать. Связано это с особенностями ДВС. Давайте узнаем назначение ее виды, устройство и принцип действия.
Зачем нужна КПП в машине?
Если открыть справочники, то там написано, что данный механизм применяется, чтобы изменять вращательный момент, вырабатываемый ДВС. Также КПП служит для временного отключения крутящего момента с мотора и для движения задним ходом.
А теперь рассмотрим назначение с точки зрения далеких от устройства и теории автомобиля людей. Также стоит разобраться, зачем каждый раз при движении нужно менять ступени КПП.
Необходимость постоянно менять передачи напрямую связана с особенностями моторов внутреннего сгорания. В отличие от электрических агрегатов, вращательный момент у ДВС имеет неравномерную характеристику.
ДВС и электромотор
Главное различие между электромоторами и двигателями внутреннего сгорания в характеристике тяги. Этой характеристикой описывается, как изменяются мощность и вращательный момент в зависимости от оборотов. В случае с электромоторами вращательный момент доступен сразу же, а по мере того, как обороты будут вырастать, момент будет падать.
Данная характеристика больше подходит для автомобиля - в момент начала движения и при разгоне, когда нужно прилагать массу усилий на преодоление инерции, лучше иметь большой вращательный момент. Чтобы далее двигаться равномерно, требуется приложить значительно меньшие усилия. Мощность электромоторов в любом диапазоне оборотов ротора близка к максимуму, и на любых режимах она реализуется и используется практически полностью. Поэтому электродвигатели более подходят для использования в качестве силовой установки автомобиля. В ДВС все немного иначе. Когда обороты коленчатого вала низкие, мощность также низкая. Вращательный момент практически не меняется.
Если вырастет сопротивление для движения и обороты станут снижаться, то электрический мотор повысит вращательный момент. В случае с ДВС момент увеличится только совсем немного, а затем снизится.
Тяговая характеристика двигателя внутреннего сгорания считается полностью неудовлетворительной. Но даже сейчас в плане экономичности, габаритных размеров, а также других качеств значительно они превосходят современные электрические силовые агрегаты. Исходя из этих соображений инженеры приняли недостаток ДВС и для решения этой проблемы создали коробку передач. Назначение ее - изменять передаточное отношение между коленвалом и ведущей парой колес. В результате максимальный крутящий момент доступен в узком диапазоне оптимальных оборотов, но на разных передачах. Так двигатель работает более эффективно.
Передаточные числа
Для лучшего понимания назначения коробки передач в автомобиле следует вспомнить школьный курс физики и некоторые разделы механики.
В системах передач на базе шестеренок, где работают две шестерни, диаметр и количество зубьев будет определять число оборотов и вращательный момент. Отношение количества зубьев на ведомой шестеренке к числу зубьев на ведущей - это передаточное число. Когда ведущая шестерня имеет меньший диаметр, чем ведомая, то обороты на последней будут ниже, а вращательный момент, наоборот, выше.
При выигрыше в силе будет потеря в скорости. А выиграв в скорости, мы заметим потери в силе. Если шестеренок в механизме передачи несколько, то передаточное число определяется умножением чисел каждой пары шестерен. Назначение коробки передач как раз и состоит в том, чтобы изменять передаточные числа.
Чтобы получить различный крутящий момент, который нужен для движения авто в разных дорожных условиях, в КПП имеется несколько пар шестеренок. Они идут с разным передаточным числом. Если в пару из ведущей и ведомой шестеренки установить промежуточную, то последняя будет вращаться в обратную сторону - это задняя передача.
Любые типы коробки передач автомобиля необходимы для того, чтобы ДВС мог функционировать на оптимальных оборотах и в нормальных для него режимах работы, а также для того, чтобы можно было эффективно использовать мощность двигателя в любых дорожных ситуациях при помощи простого изменения передаточного отношения.
Когда и как переключать КПП?
Для того чтобы начать двигаться на автомобиле и набрать начальную небольшую скорость, а также для передвижения в условиях бездорожья, необходим близкий к максимальному вращательный момент. Его можно достичь в среднем диапазоне оборотов коленвала двигателя. В высокой скорости в данном случае нет никакой необходимости. Для этого в КПП имеются низшие передачи - первая, вторая, иногда третья. При этом даже на высоких оборотах на первой передаче машина будет ехать довольно медленно.
Чтобы равномерно двигаться на большей скорости, колеса должны вращаться на высокой частоте. При этом обороты двигателя должны быть оптимальны. Для этого имеются высшие передачи - четвертая, пятая (а если коробка передач 6-ступенчатая, то и шестая). Здесь передаточные числа более низкие. Авто будет при тех же оптимальных оборотах двигаться быстро, пока ДВС не достигнет максимальных или предельно допустимых оборотов. На высших передачах разгон будет уже не такой эффективный. Также на высших передачах не получится ехать на малой скорости. Автомобиль не сможет тронуться с места. Двигатель просто не сможет обеспечить необходимый крутящий момент.
Принцип действия
Устройство механической КПП
В мире сейчас существует масса разных конструкций МКПП. На большинстве переднеприводных авто установлены двухвальные механизмы. На заднеприводные устанавливают трехвальные. Нужно сказать, что даже в наше время, когда технологии развиваются очень быстро, механика очень популярна. Дело в том, что ремонт такого типа простой и недорогой, в отличие от АКПП и вариаторов.
Двухвальная коробка
В основе лежит первичный и вторичный вал коробки переключения передач. Также в устройстве КПП автомобиля имеется и блок шестеренок вместе с синхронизаторами. В металлическом картере трансмиссии установлен механизм главной передачи и дифференциал.
С помощью первичного вала трансмиссия автомобиля может соединяться с узлом сцепления. На валу жестко закреплен блок с шестернями. Еще в КПП имеется вторичный вал. Он расположен параллельно первичному. Он также оснащен блоком из шестерен. Последние постоянно находятся в жестком зацеплении с элементами из блока на первичном валу. Также вторичный вал трансмиссии соединен через шестерню с главной передачей. Блок шестеренок оснащен синхронизаторами. В разных конструкциях вторичных валов может быть несколько.
Дополнительно коробка оснащена механизмом переключения передач. Чаще всего он дистанционный. Так как корпус трансмиссии автомобиля небольшой, элементы расположены под капотом.
Трехвальная КПП
Первичный вал служит для того, чтобы соединить механизм коробки переключения передач с узлом сцепления. На валу находятся шлицы, на которые надевается ведомый диск. Момент от двигателя передается посредством шестерни КПП, находящейся в зацеплении с данным элементов. Параллельно находится промежуточный элемент. Он оснащен блоком шестерен, находящихся в жестком зацеплении с валом.
Вторичный вал находится на одной оси с первичным. Шестерни не имеют жесткого зацепления и свободно вращаются. Шестерни промежуточного и вторичного вала, а также деталь на первичном валу, зацеплены постоянно.
Между шестеренками установлены синхронизаторы. Механизм переключения установлен непосредственно в корпусе трансмиссии автомобиля. Он представляет собой рычаг переключения, а также ползуны и вилки.
Заключение
Итак, мы выяснили, что собой представляет коробка передач. Как видите, это очень важный узел в конструкции любого автомобиля. Именно он позволяет осуществить движение автомобиля с разным усилием и скоростью. Движение машины во многом определяется именно коробкой переключения передач.
Коробка передач, или по-другому трансмиссия, передает силу вращения - так называемый вращательный момент - от двигателя автомобиля на колеса. При этом в зависимости от условий движения автомобиля она может передавать вращательный момент полностью либо частично.
Машина, идущая в гору, должна пользоваться более низкой передачей по сравнению с машиной, мчащейся по ровному скоростному шоссе. При более низкой передаче на колеса передается больший крутящий момент. А это требуется тогда, когда машина двигается медленно, потому что ей тяжело. Более высокие передачи подходят для более быстрого движения автомобиля.
Бывают коробки передач с ручным управлением, но бывают и автоматические. Чтобы сменить передачу в ручной трансмиссии, водитель вначале нажимает педаль сцепления (рисунок слева). При этом двигатель отсоединяется от коробки передач. Потом водитель переводит рычаг управления на другую передачу и отпускает педаль сцепления. Двигатель снова соединяется с коробкой передач и может вновь передавать свою энергию колесам. В автоматической коробке передач положение педали газа (акселератора) соотносится со скоростью движения автомобиля, и автоматически меняется передача, если это необходимо.
Ручное управление передачей
Приводимые рядом диаграммы показывают, как с помощью рычага управления можно перейти с одной передачи на другую. В зависимости от установленной передачи разные доли крутящего момента, проходя через коробку передач (красные линии со стрелками), попадают на колеса.Нейтральная передача. Энергия двигателя не передается колесам.
Нейтральная передача. Энергия двигателя не передается колесам.
Первая передача. Самая большая шестеренка ведущего вала соединяется со своей парой на ведомом валу. Машина движется медленно, но может преодолевать тяжелые участки пути.
Вторая передача. Вторая пара шестеренок работает вместе с механизмом сцепления. При этом скорость движения автомобиля обычно от 15 до 25 миль в час.
Третья передача. Работает третья пара шестеренок вместе с механизмом сцепления. Скорость автомобиля еще больше, а крутящий момент на колесах меньше.
Четвертая передача. Входной и выходной валы соединяются напрямую (прямая передача) - скорость движения автомобиля максимальная, а крутящий момент самый низкий.
Реверс.(5-я передача на картинке) При включении передачи заднего хода его ведущая шестерня"вращает выходной (ведущий) вал в противоположную сторону.
Работа акселератора
Число оборотов двигателя в минуту зависит от того, сколько топлива поступает из карбюратора в цилиндры. Движение топлива регулируется дроссельной заслонкой карбюратора, а работой заслонки управляют с помощью педали акселератора, которая находится на полу перед водителем.
Когда водитель нажимает ногой на педаль акселератора, дроссельная заслонка открывается и в двигатель поступает больше топлива. Если водитель отпускает педаль акселератора, заслонка прикрывается и количество поступающего топлива уменьшается. При этом уменьшаются и обороты двигателя и скорость автомобиля.
Автоматическая коробка передач
Когда применяется автоматическая трансмиссия, у водителя нет под ногой педали сцепления. Вместо нее преобразователь крутящего момента в паре с планетарной передачей (рисунок справа и снизу) автоматически отключают двигатель от ведущего вала, когда по условиям движения следует перейти на другую передачу.
А после того как передача сменилась, снова подключают ведущий вал. Стоит водителю поставить рычаг управления в рабочее положение, и механизм автоматической коробки передач сам выберет нужную передачу в соответствии с условиями движения автомобиля в данный момент.
Механическая коробка передач – это устройство для поступенчатой перемены передаточного отношения скорости вращения от двигателя к ведущим колёсам. Выбор и включение нужной передачи при использовании механической КПП водитель осуществляет вручную (в отличие от коробки передач автоматической). Название данного устройства отражает ещё и тот факт, что весь его функционал реализуется за счёт только механических элементов, без привлечения гидравлики или электроники (в отличие от трансмиссий гидравлических или электрических). Популярно, но технически достоверно принцип работы МКПП освещён в данной публикации.
Почему у автопроизводителей возникла необходимость во внедрении коробки переключения передач? Потому, что любой двигатель внутреннего сгорания любого автомобиля способен работать только в каком-то ограниченном, и довольно небольшом, диапазоне оборотов. А частота обращения колёс – от трогания с места до езды на больших скоростях – происходит в гораздо более обширном диапазоне. И не представляется возможным выбрать какое-то одно универсальное передаточное число, которое бы обеспечило весь этот диапазон, с одновременным разумным использованием диапазона оборотов двигателя.
Для трогания с места и поступательного разгона автомобиля, а также при его движении по бездорожью,требуется затратить более значительную работу в физическом смысле, то есть подать на его колёса большую мощность. То есть, при небольшой скорости нужны высокие обороты двигателя.
Наоборот, при равномерном движении разогнавшегося автомобиля по ровной дороге его скорость высока, а большой мощности и высоких оборотов двигателя уже не требуется – чтобы поддерживать нужную скорость, достаточно и малой мощности, и низких оборотов. При повышении скорости растёт и аэродинамическое сопротивление движению двигателя, что требует высоких оборотов и более значительных затрат мощности. То же самое – при движении в гору, требуется увеличить силу тяги.
Отсюда возникает необходимость в передаче вращения с двигателя на колёса с определённым передаточным числом, которое можно было бы изменять в зависимости от условий езды. В этом один из пионеров мирового автопрома – немецкий инженер Карл Бенц убедился в первой же длительной (на 80 км) поездке на автомашине собственной конструкции.
Это автопутешествие состоялось в 1887 году. Карл Бенц и его супруга Берта с сыновьями ехали к тёще изобретателя. 80-километровое путешествие оказалось очень сложным из-за несовершенства конструкции первого автомобиля. На некоторые, с виду небольшие, подъёмы его приходилось заталкивать вручную: не хватало силы тяги. После этой поездки Бенц усовершенствовал автомобиль, снабдив его дополнительной вспомогательной передачей – «понижайкой», для увеличения силы тяги.
Эта идея используется в КПП и по сей день: передаточное число должно быть переменным, позволяющим использовать разные соотношения между скоростями вращения коленвала мотора и ведущих колёс.
Разумеется, первая механическая коробка передач Карла Бенца была сначала очень примитивным устройством. Это были шкивы разного диаметра, прикреплённые к ведущей оси. С мотором они соединялись ремнём, и при помощи рычагов ремень можно было перекидывать с одного шкива на другой. Впоследствии на смену кожаному ремню и шкиву пришла металлическая цепь и звёздочка, как на современных «продвинутых» велосипедах.
Зубчатую передачу и коробку передач на шестерёнках впервые поставил на автомобиль Вильгельм Майбах. Параллельно с немецкими автоинженерами, примерно в те же годы, похожими изысканиями занимались и французские. В созданной Эмилем Левассором и Луи Панаром механической коробке переключения передач уже применялся целый набор зубчатых колёс с разными передаточными числами для движения вперёд и одна шестерня – для движения назад. Как и в наше время, шестерни передних передач, были укреплены на вторичном валу, который двигался вдоль своей оси. Это позволяло разным по своему диаметру зубчатым колёсам входить в зацепление с неподвижной шестернёй на первичном валу.
Официально изобретателем механической коробки переключения передач, похожей на современную, стал Луи Рено: в 1899 году этот молодой начинающий автопромышленник запатентовал первую в мире КПП, основанную на системе подвижных зубчатых колёс и валов. Она была трёхскоростной.
Первый запатентовавший МКПП человек – Луи Рено – в своей «лаборатории».
Заокеанский пионер автопрома – Генри Форд – не копировал достижения немецких и французских инженеров, а шёл своим путём. Его механическая коробка передач состояла из нескольких планетарных шестерён (сателлитов), которые вращались вокруг центральной («солнечной») шестерни и фиксировались при помощи водила. Именно такой – планетарной КПП оснащались первые массовые серийные автомобили «Форд А».
Не менее важным техническим решением, чем изобретение коробки на зубчатых шестернях различного диаметра, стало изобретение синхронизатора, которое сделал в 1928 году Шарль Кетеринг из «Дженерал Моторс». Оно сделало механические коробки передач более лёгкими в управлении, придало им новый импульс развития и «техническое долголетие».
С момента изобретения Луи Рено прошло уже более 120 лет но главный принцип ступенчатой шестерёнчатой коробки передач остался тем же. Современные МКПП, разумеется, гораздо более совершенны: в них стоят шестерни не с прямым, а косозубым зацеплением, и они более удобные, бесшумные и долговечные. В целом, автомобили с «механикой» экономичнее, чем машины с автоматической коробкой передач.
Состоит механическая КПП из набора косозубых шестерён разного размера, которые вводятся в зацепление для создания различных передаточных чисел между коленчатым валом мотора и ведущими колёсами. Передаточное число становится другим путём перемещения как самих шестерён, так и специального устройства – синхронизатора. Его задача – уравнивать (синхронизировать) окружные скорости включаемых в зацепление шестерён.
Принцип таков, что, чем выше передаточное число, тем ниже передача. Первая передача называется низшей, а передаточное число у неё наибольшее. На ней передача вращения осуществляется от малой шестерни к большой и, при высокой частоте вращения коленвала, скорость движения автомобиля остается низкой, а сила тяги – высокой. На высшей передаче, соответственно, – наоборот. В нейтральном положении крутящий момент от мотора на ведущие колёса не передается, и машина катится по инерции либо стоит.
Большинство серийных современных автомашин, оснащённых механической коробкой переключения передач, имеют 5 «скоростей», или скоростей движения вперед. Несколько десятков лет назад большинство автомобильных МКПП были четырёхскоростными. Механическими коробками с шестью и более скоростями, как правило, комплектуются «заряженные» спортивные машины или джипы.
С технической точки зрения, механическая коробка передач представляет собой закрытый ступенчатый редуктор. Рабочими элементами его конструкции являются зубчатые колёса – шестерни, которые поочерёдно приходят в зацепление, изменяя обороты входного и выходного вала, а также их частоту. Переключение соединений и комбинаций шестерён происходит вручную.
Механическая коробка переключения передач способна функционировать только в паре со сцеплением. Данный узел предназначен для временного разъединения мотора и трансмиссии. Эта операция нужна для безболезненного и безопасного перехода зацепления с одной шестерни на другую,без выключения оборотов двигателя, и при их полном сохранении.
Получившими повсеместное распространение компоновками механических коробок переключения передач стали двух- и трёхвальные. Они называются так по количеству параллельно расположенных валов, на которых и расположены косозубые шестерни.
В трёхвальной МКПП находятся три вала: ведущий, промежуточный и ведомый. Первый соединён со сцеплением, на его поверхности имеются шлицы. По ним передвигается ведомый диск сцепления. С данного вала энергия вращения передаётся на жестко соединённый с ним шестернёй промежуточный вал.
Ведомый вал является соосным с валом ведущим, соединённым с ним через подшипник, который находится внутри первого вала. Поэтому данным осям обеспечено независимое вращение. Блоки «разнокалиберных»шестерней ведомого вала не имеют жёсткой фиксации с ним, а также разграничены специальными муфтами-синхронизаторами. Вот они жёстко закреплены на ведомом валу, но могут перемещаться вдоль вала по шлицам.
На торцах муфт нанесены зубчатые венцы, которые могут соединяться с аналогичными венцами на торцах шестерён ведомого вала. Современные стандарты производства коробок передач предполагают наличие таких синхронизаторов на всех передачах для движения вперёд.
В двухвальной механической КПП также обеспечено соединение ведущего вала с блоком сцепления. В отличие от трёхосной конструкции, на ведущей оси находится набор шестерёнок, а не одна. Промежуточный вал отсутствует, а с ведущем запараллелен ведомый вал. Шестерни обоих валов свободно вращаются и всё время находятся в зацеплении.
На ведомом валу имеется жёстко закреплённая ведущая шестерня главной передачи. Между остальными шестернями находятся синхронизационные муфты. Подобная схема механической коробки передач в смысле работы синхронизаторов похожа на трёхвальную компоновку. Разница же в том, что прямая передача отсутствует, а каждая ступень имеет только одну пару соединённых шестерёнок, а не две пары.
С одного конца ведомого вала в жёстком зацеплении находится главная передача. В корпусе главной передачи работает дифференциал.
Двухвальная компоновка механической коробки передач имеет больший КПД, чем у трёхвальной, однако она имеет ограничения по повышению передаточного числа. За счёт данной особенности, двухвальная конструкция МКПП применяется исключительно в легковых автомобилях.
В редких случаях на современных автомобилях могут также использоваться четырёхвальные коробки передач. Но по принципу своей работы они тоже соответствуют двухвальным– без промежуточного вала, с передачей вращения с первичного вала сразу на вторичные. Чаще всего, это механические КПП с 6-ю передачами переднего хода. В них крутящий момент передаётся с первичного вала на главную передачу через первый, второй и третий вторичные валы, концевые шестерни которых постоянно зацеплены с шестернёй главной передачи.
Обеспечение заднего хода автомобиля возложено на дополнительный вал со своей специальной шестернёй. При переходе её в зацепление начинается вращение ведомого вала в обратную сторону. На задней передаче синхронизатора нет, поскольку задний ход задействуется только при полной остановке автомобиля. Во всяком случае, так нужно делать. Поэтому на МКПП автомашин многих производителей имеется защита от случайного включения заднего хода на ходу (нужно поднять специальное кольцо на рычаге для переведения его в положение заднего хода).
Когда включен нейтральный режим, то вращение шестерён происходит свободно, а все муфты-синхронизаторы расположены в разомкнутом положении. Когда водитель выжимает сцепление и переключает рычаг на одну из ступеней, специальная вилка в КПП перемещает муфту в зацепление с соответствующей парой на торце шестерни. И шестерня жёстким образом фиксируется с валом и не прокручивается на нём, а обеспечивает передачу вращения и энергии усилия.
Во время движения механизм переключения передач приводится в действие с места водителя автомобиля с помощью рычага переключения передач. Этот рычаг перемещает ползуны с вилками, которые, в свою очередь, передвигают синхронизаторы и задействуют нужную скорость.
Пары шестерён двух низших передач имеют самые большие передаточные числа (на легковых машинах – обычно от 5:1 до 3,5:1), и применяются для трогания с места и поступательного разгона, а также при необходимости постоянного движения с невысокой скоростью, либо по бездорожью. При движении на низших передачах даже при больших оборотах двигателя автомобиль будет ехать довольно медленно, но при этом в полной мере будут использоваться его мощность и крутящий момент. Наоборот, чем выше передача, тем выше скорость автомобиля на том же уровне оборотов двигателя, а его сила тяги меньше. На высших передачах автомобиль не сможет тронуться с места или ехать на низких скоростях. Зато он может передвигаться на больших, вплоть до максимально предусмотренной, скоростях, при средних оборотах двигателя.
В абсолютном большинстве современных МКПП расположены шестерни с косым зубом, которые способны выдерживать большие усилия, чем прямозубые, к тому же они менее шумные в работе. Изготавливаются косозубые шестерни из высоколегированной стали, и на финальном этапе производства выполняется закалка на ТВЧ и нормализация для снятия напряжений, обеспечивающие долговечность деталей.
До появления синхронизаторов для безударного включения более высокой передачи водителям нужно было производить двойной выжим, с обязательной работой в течение нескольких секунд на нейтральной передаче, для равнения окружных скоростей шестерней. А для перехода на более низкую передачу надо было сделать перегазовку, чтобы выровнять обороты ведущего и ведомого валов. После введения синхронизаторов необходимость в этих манипуляциях отпала. И шестерни стали защищёнными от ударных нагрузок и преждевременного износа.
Впрочем, и современной легковой автомашине эти «навыки из прошлого» также могут пригодиться. К примеру, они помогут переключить-таки передачу в случае выхода из строя сцепления, или если возникнет необходимость в резком торможении двигателем, при отказавшей рабочей тормозной системе.
