(КПП) входит в список важнейших конструктивных составляющих трансмиссии авто. Коробка передач автомобиля предназначена для из-ме-не-ния скорости крутящего момента и направления движения машины, а также для длительного разъединения силового агрегата от трансмиссии. Коробки передач по своему принципу действия различают на комбинированные, бесступенчатые и ступенчатые. КПП во многом определяет вариант трансмиссии машины. Крутящий момент в коробках передач сту-пен-ча-то-го типа изменяется ступенчато. К ним относятся роботизированные и механические КПП.
Механическая коробка передач (МКПП) – это многоступенчатый редуктор ци-линд-ри-чес-кой формы, в котором переключение передач осуществляется вручную. В зависимости от количества ступеней различают 4-ступенчатую, 5-ступенчатую, 6-сту-пен-ча-тую, 7-ступенчатую, 8-ступенчатую коробки передач.
Главными преимуществами коробки передач механического типа являются на-деж-ность, простота конструкции, возможность ручного управления в любом режиме вождения. За счет этих особенностей коробка передач механического типа является самым расп-рост-ра-нен-ным вариантом КПП. Несмотря на это в последнее время все больше автолюбителей отдают предпочтение автоматическим КПП.
Роботизированная коробка передач (обиходное название – "робот") представляет собой коробку передач механического типа, в которой автоматизированы функции пе-ре-клю-че-ния передач и, соответственно, выключение сцепления. Современные ро-бо-ти-зи-ро-ван-ные коробки передач оснащены двойным сцеплением, которое выполняет передачу крутящего момента без обрыва потока мощности.
Использование коробки передач роботизированного типа, оснащенной двойным сцеплением, обеспечивает снижение топливного расхода, а также высокую разгонную динамику. За счет этих качеств популярность таких КПП стремительно растет. На се-год-няш-ний день преселективные коробки передач монтируются как на автомобиль премиумного класса, так и на бюджетные модели. Известными конструкциями коробок передач ро-бо-ти-зи-ро-ван-но-го типа являются КПП Изитроник, DSG, SMG.
К коробкам передач бесступенчатого типа относится вариатор (обиходное название «вариаторная КПП»). В отличие от коробок передач ступенчатого типа передаточное число в вариаторных КПП изменяется плавно. Это происходит благодаря механическому или гидравлическому преобразованию крутящего момента.
За счет своих конструктивных особенностей вариатор способен предоставить оп-ти-маль-ные динамические характеристики машины. С другой стороны, вариатор имеет ограничения по количеству крутящего момента. Некоторые конструкции имеют нарекания в плане ресурса и надежности. Коробки передач вариаторного типа применяются, как правило, японскими автомобильными компаниями (Subaru, Nissan, Honda), из европейских – производитель Audi. Знаменитыми конструкциями вариаторов являются Экстроид, Муль-ти-тро-ник.
Комбинированный принцип действия применяется в коробке переключения передач автоматического типа (АКПП, в обиходе – «автомат») (см. автоматическая коробка передач автомобиля). Классическая коробка передач автоматического типа включает гид-ро-транс-фор-ма-тор, который заменяет сцепление и обеспечивает бесступенчатую регулировку крутящего момента, а также механическую КПП. Современные автоматические КПП рассчитаны на семь или восемь ступеней.
Автоматическая КПП отличается высокой надежностью работы, а также обес-пе-чи-ва-ет плавную смену передач. При этом «автомат» имеет повышенный топливный расход и низкую динамику разгона. В некоторых конструкциях автоматической КПП имеется имитация ручной смены передач Стептроник, Типтроник.
Сегодня термином «коробка передач автоматического типа» обозначаются не только стандартные гидротрансформаторные КПП, а также вариатор и роботизированная коробка передач. Все они оснащены электронным управлением.
Разновидностью коробки передач автоматического типа является так называемая адаптивная КПП, учитывающая манеру езды конкретного водителя.
Устройство коробки передач автомобиля
Следующим узлом трансмиссии автомобиля после сцепления автомобиля будет коробка передач, соответственно устройство коробки передач автомобиля сейчас и рас-смот-рим.
Сегодняшние модели автомобилей оборудованы преимущественно ступенчатыми механическими коробками с зубчатыми шестеренками. Число передач переднего хода, как правило, равняется пяти или четырем, не учитывая передачи заднего хода.
Устройство коробки передач автомобиля представлено на рисунке ниже.
Смена передачи в них выполняется передвижением шестерен, которые поочередно входят в зацепление со всеми остальными шестернями или при помощи синхронизаторов, блокировкой шестерен на валу. Синхронизаторы выполняют выравнивание частоты вра-ще-ния начинающих работу шестерен и блокируют валом одну из самых ведомых. Управление передвижением синхронизаторов или шестерен выполняет водитель при выключенном сцеплении. Коробки передач подразделяются на 3-ступенчатые и 4-ступенчатые и т.д., в зависимости от количества передач переднего хода.
В устройство коробки передач автомобиля входят:
- Рычаг переключения;
- Механизм, отвечающий за переключение передач с блокировочными и замковыми устройствами;
- Синхронизаторы;
- Валы с шестернями (первичный, вторичный, промежуточный);
- Дополнительный вал, а также шестерни заднего хода;
- Картер
Картер включает в себя все основные элементы и узлы коробки передач. Он при-креп-ля-ет-ся к картеру сцепления, который присоединен к двигателю автомобиля (см. устройство двигателя автомобиля). Так как в процессе работы коробки передач автомобиля шестерни КПП подвергаются серьезным нагрузкам, им необходимо быть хорошо смазанными. Таким образом, емкость картера залита наполовину трансмиссионным маслом (на некоторых автомобилях используется моторное масло).
Синхронизаторы предназначены для безударного, плавного и бесшумного вклю-че-ния передач, методом уравнивания угловых скоростей вращающих шестерен.
Валы коробки передач выполняют вращение в подшипниках, которые находятся в картере, и имеют группу шестерен с различным количеством зубьев.
Механизм переключения передач предназначен для изменения передачи в коробке и управляется с помощью рычага из салона машины. Замковое устройство при этом не позволяет одновременно включаться двум передачам, а блокировочный механизм удер-жи-ва-ет передачи от самостоятельного выключения.
Работа коробки передач автомобиля
На первичном валу коробки расположен ведомый диск сцепления. На другом конце вала находится зубчатая шестеренка, от которой и получают вращение все остальные шестерни. Рассмотрим сам принцип действия, работу коробки передач автомобиля, и ее предназначение.
Работа коробки передач автомобиля представлена на рисунке ниже.
Для этого возьмем два зубчатых колеса, соприкасающиеся друг с другом. Вращение одного заставляет вращаться второе колесо - и наоборот. Если оба колеса жестко посажены на валы – соответственно и они получают вращение. А на противоположном конце или, к примеру, в середине вала, можно закрепить еще зубчатые колеса, которые в контакте с другими также будут заставлять их вращаться. При этом, как и в случае с дисками в сцеплении, есть ведущая шестеренка (вал), а есть и ведомая шестеренка (вал). Кроме того, в КП имеются и промежуточные шестерни (валы).
Следующий момент, на котором стоит остановиться - это размеры вращающихся шестерен. Именно на различии в их диаметрах и основана работа коробки передач ав-то-мо-би-ля. Допустим, что два цепляющихся зубьями колеса имеют одинаковый размер. Тогда скорость вращения ведущего и ведомого автомобильного колеса будет также одинакова. Если же ведущая шестеренка больше ведомой, тогда ведомая шестеренка будет вращаться быстрее и соответственно, наоборот, при меньших размерах ведущей шестерни, ведомая будет вра-щать-ся медленнее. На этом принципе и основана работа коробки передач автомобиля, переключение которой позволяет менять скорость движения.
Еще один немаловажный факт, существующий при вращении двух шестеренок – это момент силы. Он пропорционально противоположен скорости вращения. То есть, чем больше по размерам ведущее колесо относительно ведомого, тем выше скорость вращения ведомого и тем меньше тяговое усилие, передаваемое от ведущей к ведомой шестеренке, и наоборот.
Чтобы это конкретнее представить, можно взять для примера велосипед, имеющий несколько скоростей. В нем крутящий момент передается от педалей к ведущей шестеренке. От нее - через цепь к оси заднего колеса, на котором расположены несколько зубчатых колес разного диаметра. Чем меньше шестеренка, тем быстрее едет велосипед, но тем труднее крутить педали. И наоборот, чем больше шестеренка связана цепью с ведущим колесом – тем легче ехать, но скорость будет совсем маленькая. Смысл в том, что если представить радиус любого колеса в виде рычага, то из школьной физики известно – чем длиннее рычаг, тем легче вращать колесо относительно его оси.
Итак, стоит запомнить, во сколько раз отличаются размеры ведущего и ведомого зубчатого колеса, во столько раз отличается их скорость вращения и момент силы, передаваемый между ними. Но значение скорости всегда обратно пропорционально крутящему моменту.
Вот по принципу велосипеда и работает коробка передач. К ведущей шестеренке первичного вала поочередно переключаются другие шестерни различного диаметра. В результате при равномерной работе двигателя автомобиля , водитель рычагом КП может изменять его скорость без существенного изменения числа оборотов ДВС. А дополнительный вал с шестеренкой, называемый валом заднего хода, позволяет двигаться автомобилю назад.
Теперь вспомним про соотношение размеров шестерен, скорости и крутящего момента и рассмотрим, как это все сочетается при работе коробки передач автомобиля.
1-я передача . Автомобиль стоит на ровном месте. Его нужно сдвинуть с мертвой точки и заставить двигаться, преодолев силу трения покоя между всеми движущимися деталями. С ведущей шестеренкой соединяется самая большая ведомая шестерня. Мы получаем максимальное усилие на нее при минимальном ускорении – автомобиль медленно трогается с места.
2-я передача . Автомобиль двигается, но за счет большого размера ведомой шес-тер-ни, в какой-то момент достигает максимально возможной скорости вращения. Для ус-ко-ре-ния автомобиля переключается другая, меньшая по размерам шестеренка к ведущей. Тяговое усилие уменьшается, а скорость увеличивается.
3-я передача . Автомобиль получил ускорение. Тяговое усилие нужно только для преодоления встречного воздуха, но скорости еще можно прибавить. Переключается самая маленькая шестеренка, своим вращением обеспечивающая максимальную скорость ав-то-мо-би-ля.
Задняя передача . Принцип тот же что и в 1-й передаче. Разница только в том, что в работу вступает вал заднего хода, упомянутый выше. В результате на выходе из коробки передач ведомый вал вращается в противоположную сторону, а автомобиль начинает двигаться назад.
Нейтральная передача . Здесь все просто. Ведущая шестеренка не контактирует ни с одной ведомой. То есть, вращается вхолостую. Данный режим необходим для того, чтобы водитель при простое автомобиля с запущенным двигателем (прогрев, остановка, ожидание совершения маневра и т.д.) длительно не давил при этом на сцепление.
Поняв принцип работы коробки передач автомобиля, делаем вывод о ее назначении.
Как и любой механизм, коробка передач имеет корпус, выполненный из сплава легких металлов. В нем размещен набор валов с шестеренками и механизм переключения передач. Как и в ДВС, трущиеся детали смазываются маслом, которое заливается непосредственно в корпус через заливное отверстие. На днище корпуса имеется сливное отверстие, позволяющее сливать отработавшее масло через определенные интервалы работы, указанные в технической документации автомобиля.
Как мы уже выяснили, основными рабочими элементами коробки передач являются валы с шестеренками. Кроме ведущего, ведомого вала и вала заднего хода, в коробке еще бывает и промежуточный вал. Дело в том, что, к примеру, для получения максимального крутящего момента, требуется большая разница в размерах ведущего и ведомого зубчатого колеса, что привело бы к увеличению размеров самой коробки передач. А наличие промежуточного вала с двумя шестеренками разных размеров на его концах, позволяет сделать весь механизм более компактным.
То есть, если представить, что надо увеличить крутящий момент в 10 раз (1х10), соответственно ведомая шестерня должна быть в 10 раз больше. А включение в цепочку промежуточного вала с промежуточными шестеренками разных размеров позволит уменьшить это значение. В результате можно получить соотношение 1х2 и далее 1х5. И на выходе ведомый вал получит необходимый крутящий момент.
Сцепление ведущей шестеренки с остальными в разной очередности производится механизмом переключения передач. Для компенсирования разности в скорости вращения шестеренок при их сцеплении применяются синхронизаторы. Их задача - обеспечить плавное и бесшумное сцепление шестерен за короткий промежуток времени.
В зависимости от количества передач, которые получили название «ступени», коробки передач бывают от 4-5 ступенчатых у легковых машин, до 12-16 ступенчатых у большегрузных автомобилей и спецтехники.
Современные коробки передач все больше делают автоматическими. (см. ав-то-ма-ти-чес-кая коробка передач автомобиля). Основное их преимущество – это отсутствие как такового механизма переключения передач, а также совмещение в себе механизма сцепления автомобиля, который мы рассматривали ранее. Конструктивное решение такой коробки позволяет автоматически выполнять функцию сцепления и переключения передач без участия водителя, в зависимости от нагрузки на автомобиль.
Классический вариант такой КП показан на рисунке ниже.
Роль сцепления между ДВС и коробкой передач выполняет гидротрансформатор. Здесь вместо механической связки ведущего и ведомого дисков применена гидравлическая жидкость. Она, получая вращение от маховика своей энергией, заставляет вращаться ведомый диск. Набор шестерен и валов имеет аналогичный принцип работы. Но за их переключение отвечает устройство управления. В нем собирается информация с датчиков о скорости и нагрузке на автомобиль и электронное устройство, сравнивая полученные результаты, дает необходимые команды для переключения (отключения) передач, тем самым облегчая работу водителю.
Стоит также упомянуть о раздаточной коробке. Этот механизм предназначен для раздачи крутящего момента на два и более моста. Предусмотрен он обычно в полноприводных автомобилях, где ведущими являются как задний, так и передний мост. Ее принцип работы аналогичен коробке передач. Кроме того раздаточная коробка позволяет распределять неравномерную нагрузку на мосты, а также отключать один из мостов в случае ненадобности, когда для движения хватает только мощности одного моста.
Неисправности коробки передач
Поломки и неисправности коробки передач механического типа определяются пра-виль-ностью ее эксплуатации, а также особенностями ее устройства.
Самыми распространенными техническими неисправностями коробки передач ме-ха-ни-чес-ко-го типа являются:
- Непроизвольное выключение передач («вылетает скорость») . Данное об-сто-я-тельст-во выявляется неисправностями блокировочного механизма и максимальным износом шестерен и синхронизаторов.
- Затрудненно включение (или переключение) передач . Данная неисправность коробки передач обусловлена неполадкой механизма переключения передач, низким качеством или недостаточным уровнем трансмиссионного масла в картере, заеданием и износом шестерен или синхронизаторов.
- Шумовой фон (устойчивый) в процессе работы
. Эту неисправность коробки передач следует
конкретизировать.
Специалисты выявили три ее проявления:
- Шум во время работы одной конкретной передачи;
- Шум КПП при нейтральном положении рычага переключения передач;
- Шум в процессе работы КПП.
- Небольшие подтекания трансмиссионного масла . Данная неисправность коробки передач связана с избыточным количеством масла в коробке передач автомобиля или общей негерметичности картера, которая вызвана ослаблением крепления крышек, повреждением уплотнительных прокладок или сальников.
Как правило, перечисленные выше неисправности коробки передач связаны с повреждением и износом узлов и элементов, ликвидируются только заменой. Самый разумный вариант в этом непростом деле – обратиться в автосервис к профессионалам.
Обслуживание коробки передач
Настало время рассмотреть основные правила обслуживания коробки передач.
При правильном сервисном и техническом обслуживании коробки передач, при правильной эксплуатации у водителя не должно возникнуть каких-то проблем и трудностей с коробкой передач. В таком случае она будет работать вплоть до окончания срока эксп-лу-а-та-ции машины.
Во время работы коробки передач автомобиля следует постоянно проверять количество трансмиссионного масла и выдерживать требуемый уровень, не допуская его занижения или повышения. В первом случае в коробке передач автомобиля не будет обеспечиваться необходимой смазки, во втором – в коробке будет формироваться избыточное давление, что в конечном итоге приведет к уменьшению срока работы устройства. Кроме этого главной периодической профилактической мерой является полная замена смазки, которая выполняется на основе технической документации автомобиля. Данный принцип обслуживания коробки передач можно самостоятельно контролировать водителю без обращения к специалистам.
Очень часты случаи образования механических неисправностей коробки передач в связи с необоснованным грубым и агрессивным обращением с рычагом коробки передач. Следует помнить, что смена передач – это изменение режимов работы коробки передач автомобиля (переход от одной ступени к другой). Быстрая и резкая смена скоростей может привести к быстрой поломке механизма переключения, валов с шестернями, синх-ро-ни-за-то-ров.
И еще важный момент: необходимо контролировать, как осуществляет свою работу коробка передач автомобиля. Человеческий фактор никто и никогда не сможет заменить: водителю, ощущающему непривычность работы коробки передач автомобиля, следует самостоятельно отыскать и исправить неисправность коробки передач, либо (что будет более разумно) обратиться в автомобильный сервис.
Из всего вышеперечисленного следует, что выполняя простые правила обслуживания коробки передач, можно надолго продлить срок ее службы.
В автомобиле тысячи запчастей и компонентов. Но , поэтому они играют более важную роль по сравнению с другими агрегатами автомобиля. К примеру, к очень важным частям любой машины относится коробка передач. Без нее крутящий момент от двигателя не смог бы достичь колес и ваш автомобиль не тронулся бы с места.
Да, мы не должны владеть углубленными знаниями об устройстве автомобиля. Но, что такое коробка передач обязан знать каждый водитель. Об этом сегодня и поговорим.
Смотрите также:
Есть два основных типа коробок передач, которые используются в большинстве автомобилей на мировом авторынке - ручная КПП и автоматическая. Сегодня мы остановимся на этих двух основных коробках передач, хотя стоит отметить, что в последние годы набирают популярность другие виды трансмиссий. К примеру, коробка передач с двойным сцеплением, которая работает по принципу механической трансмиссии, но с компьютерным управлением сцепления. Электроника сама автоматически выжимает сцепление, но скорости переключает водитель. Также получили распространение бесступенчатые автоматические коробки вариатор (CVT). Принцип действия подобной коробки основан на ременном приводе по аналогии с велосипедной цепной передачей. Также в последние годы на рынке стали появляться автомобили без коробок. Как правило, автомашины без трансмиссии используют только электрический двигатель.
Прежде чем углубиться в описание принципа работы коробки передач, давайте обозначим основные термины:
Передача: В данном понимании передача представляет в коробке набор определенных шестерёнок, которые работая синхронно вместе, регулируют соотношение между скоростью двигателя и скоростью колеса. Также этот термин используется для описания каждой скорости коробки передач. К примеру, в автоматической коробки электроника автоматически выбирает какой вал с шестернями использовать для оптимальной передачи крутящего момента. В механической трансмиссии водитель самостоятельно выбирает необходимую скорость.
Передаточное отношение: это отношение частоты вращения ведомого вала к частоте вращения ведущего.
Сцепление: Механизм подключения или отключения двигателя к (от) системы передачи (коробки).
Коробка передач: Механизм передачи крутящего момента от двигателя на колеса транспортного средства.
Рычаг переключения передач: Рычаг, который водитель использует для управления коробкой передач и выбора нужной скорости.
Теперь перейдем непосредственно к описанию, как работают две наиболее распространенные коробки передач.
Механическая коробка передач
Несомненно, во всем мире в настоящий момент автоматическая коробка передач стала самой популярной. Согласно статистике мировых продаж автомобилей, львиная доля всех проданных новых транспортных средств в 2014 года, были оснащены автоматической трансмиссией. Но тем не мене, . Как правило, механическая трансмиссия более проста по своей конструкции и по своему принципу работы. Именно с нее мы и начнем.
По своей основной конструкции механическая коробка представляет собой набор зубчатых шестерен и валов (входные и выходные валы). Шестерни одного вала взаимодействуют с шестернями другого вала. В результате соотношения между включенной передачей на входном валу и включенной передачи на выходном валу определяет общее передаточное число определенной передачи.
Водитель выбирает нужную передачу , перемещая . Рычаг управляет движением передач вдоль входного вала. Перемещая рычаг вперед или назад, выбирается нужный набор шестеренок для включения необходимой передачи. Как правило, при переключении рычага верх или вниз два набора шестерней находятся на одном валу. При переключении рычага влево или вправо выбор набора шестеренок происходит на разных валах.
Чтобы включить передачу в механической коробке передач водитель нажимает сначала на педаль сцепления, в результате чего крутящий момент двигателя при выжатом сцеплении не передается на коробку, поскольку двигатель отключается от входного вала КПП. Это позволяет с помощью рычага коробки выбрать нужную скорость, подключив 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 колеса.
Автоматическая коробка передач
Одно из самых заметных различий между механической и автоматической коробкой, это то, что автоматическая трансмиссия не использует муфты. Как правило, автоматическая коробка использует гидротрансформаторы, которые и отключают двигатель от коробки (от вала с набором шестерен).
Функция гидротрансформаторов основана на принципах гидродинамики, которую в рамках этой статьи объяснить реально сложно. Для этого необходимо подключить математику и другие естественные науки. Но основной смысл прост. Когда двигатель работает на небольших оборотах, небольшой крутящий момент передается с помощью жидкости и различные каналы на набор шестеренок. Когда двигатель работает быстро, то крутящий момент передается на валы напрямую.
Благодаря преобразованию крутящего момента, шестерни в коробки могут свободно делать свою работу без участия водителя. Но как коробка автоматически выбирает необходимую скорость, которую в механической трансмиссии выбирает водитель вручную?
В отличие от механики где, как правило, конструкция коробки представляет два параллельных вала, использует планетарное расположение валов с шестернями. В отличие от механической коробки, в автоматической трансмиссии используется огромный выбор различных наборов шестерен, которые автоматически подключаются к передаче крутящего момента в зависимости от скорости.
Вместо ручного переключения скоростей используется гидравлическое автоматическое переключение скоростей, которое управляется электроникой. Коробка управляется специальным модулем, в который запрограммированы все соотношения передаточных чисел. В зависимости от подключаемого набора планетарного механизма, электронная программа определяет какую передачу включить с помощью гидравлического автоматического управления.
В основе работы ручной коробки передач лежит принцип рычага, а конкретнее, изменение скорости вращения валов и передаваемого ими крутящего момента за счет разных размеров шестеренок. Соотношение размеров шестеренок называется передаточным числом (применяется как для конкретной пары шестеренок, так и для коробки/трансмиссии в целом).
Пусть у нас есть две шестерни, на одной из которых 20 (А) зубьев, а на второй — 40 (Б). Значит, при двух оборотах первой шестерни, вторая сделает только один оборот (передаточное число равно 2):
Теперь возьмем две пары шестеренок, добавив к нашим А и Б шестеренки В и Г, которые также имеют 20 и 40 зубьев соответственно. Первичный вал коробки передач и шестерня «А» вращаются со скоростью, допустим 2000 об/мин. Шестерня «Б» вращается в 2 раза медленнее, то есть она имеет 1000 об/мин, а так как шестерни «Б» и «В» закреплены на одном валу, то и третья шестеренка делает 1000 об/мин. Тогда шестерня «Г» будет вращаться еще в 2 раза медленнее — 500 об/мин:
От двигателя на первичный вал коробки передач приходит — 2000 об/мин, а выходит — 500 об/мин. На промежуточном валу коробки передач в это время — 1000 об/мин. В данном примере передаточное число первой пары шестерен равно двум, второй пары шестерен тоже двум, а общее передаточное число этой схемы 2х2=4.
Обратите внимание, что если вывести из зацепления шестерни «В» и «Г», то вторичный вал коробки вращаться не будет. При этом прекращается передача крутящего момента и на ведущие колеса автомобиля, что соответствует нейтральной передаче («нейтралке»).
Задняя передача, т.е. вращение вторичного вала коробки передач в другую сторону, обеспечивается дополнительным, четвертым валом с шестерней заднего хода. Дополнительный вал необходим, чтобы получилось нечетное число пар шестерен, только тогда крутящий момент поменяет направление:
Схема передачи крутящего момента при включении задней передачи: 1 — первичный вал; 2 — шестерня первичного вала; 3 — промежуточный вал; 4 — шестерня и вал передачи заднего хода; 5 — вторичный вал.
Переключение передач происходит взаимным перемещением шестеренок (валов, на которых они закреплены). При этом, во избежание поломок, происходит выжимание сцепления для временного отключения двигателя от коробки. Все современные коробки снабжены т.н. «синхронизаторами», устройствами, выравнивающими скорости вращения шестерен при их переключении. Принцип действия синхронизатора основан на использовании сил трения при выравнивании скоростей (см. ниже).
На рисунке показана наглядная анимированная работы (переключений) четырехступенчатой коробки передач.
Разберем работу КПП статично в случае пяти ступеней. На рисунке ниже шестерни стоят в нейтральном положении, на нейтральной передаче:
1. Первичный вал (от двигателя через сцепление на вход коробки передач). Он постоянно находится в зацеплении с промежуточным валом.
2. Вторичный вал (от коробки передач к колесам). На нем установлены «плавающие» шестерни передач.
3. Шестерня 1-ой передачи.
4. Шестерня 2-ой передачи.
5. Шестерня 3-й передачи.
6. Шестерня 4-ой передачи.
7. Шестерня 5той передачи.
8. Шестерня заднего хода (R).
В процессе переключения шестерни перемещаются (принимают рабочие положения) следующим образом:
В настоящее время схема переключения передач на ручных коробках в целом устоялась: нечетные передачи «от себя», четные «к себе», повышение слева направо. Заднюю передачу каждый производитель засовывает, куда Бог на душу положит (и как правило обеспечивает её предохранительным механизмом от случайного включения — надо потянуть за кольцо, особым образом нажать на рычаг, переместить его в весьма необычное положение и т.д.):
Однако так было не всегда и не везде. Например, на «Запорожцах» частично использовалась т.н. «зеркальная» схема, в которой четные передачи были «от себя», а нечетные «к себе». На машинах, предназначенных для тяжелого бездорожья, заднюю передачу располагают прямо напротив первой для упрощения движения «враскачку»
Принцип действия синхронизатора
Синхронизатор обеспечивает безударное переключение передач в механической коробке путем синхронизации скоростей вращения переключаемых шестеренок за счет силы трения между валами. В основном синхронизатор вступает в игру при переключениях «сверху вниз», когда разница скоростей валов максимальна. Может быть установлен как на все, так и только на низшие передачи, в зависимости от года выпуска и класса автомобиля.
На старых автомобилях синхронизаторы отсутствуют вовсе, что приводит к необходимости переключаться «вниз» с использованием т.н. «двойной перегазовки» (выжим сцепления, переключение в нейтраль, отпуск сцепления, перегазовка на нейтрали для раскрутки первичного вала до примерной фактической скорости вторичного вала, быстрый выжим сцепления и включение нужной передачи, отпуск сцепления).
Передаточные числа коробки передач
Поскольку в коробке передач автомобиля имеется большой набор шестерен, то, вводя в зацепление различные их пары, мы имеем возможность менять и общее передаточное отношение коробки. Давайте посмотрим на передаточные числа коробок передач:
| Передачи | ВАЗ 2105 | ВАЗ 2109 |
| I | 3,67 | 3,636 |
| II | 2,10 | 1,95 |
| III | 1,36 | 1,357 |
| IV | 1,00 | 0,941 |
| V | 0,82 | 0,784 |
| R (задняя передача) | 3,53 | 3,53 |
Дробные числа получаются в результате деления количества зубьев одной шестерни на число зубьев второй и далее по цепочке. Если передаточное число равно единице (1,00), то это означает, что вторичный вал вращается с той же угловой скоростью, что и первичный. Передачу, на которой скорость вращения валов максимально уравнена, обычно называют прямой. Как правило, это предпоследняя передача в коробке (последняя, если передач всего четыре).
Первая и задняя передачи — самые «сильные» (передают наибольший момент), но самые медленные. Высшие передачи (четвертая, пятая, шестая) самые быстрые, но передают наименьший момент, и двигателю может не хватить сил, скажем, втащить машину на крутой подъем. В этих случаях приходится переключаться «вниз», на более «моментные» и более медленные передачи.
Ниже — расчетный график преодолеваемых углов подъема, в зависимости от скорости и включенной передачи, для некоторого «сферического автомобиля в вакууме»:
Динамика разгона на примере VW Polo sedan (передаточные числа I - 3,46 , II - 1,96 , III - 1,28, IV - 0,88, V - 0,67, ЗХ - 3,18, главная пара - 4,55):
Здесь n max - максимальные обороты двигателя, N max - обороты максимальной мощности, M max - обороты максимального крутящего момента. Синий график - реальная скорость автомобиля при данных оборотах двигателя. Фиолетовый - теоретически возможный график разгона.
Механическая коробка передач состоит из:
- картера;
- первичного, вторичного и промежуточного валов с шестернями;
- дополнительного вала и шестерни заднего хода;
- синхронизаторов;
- механизма переключения передач с замковым и блокировочным устройствами;
- рычага переключения.
Схема работы механической коробки передач: 1 — первичный вал; 2 — рычаг переключения передач; 3 — механизм переключения передач; 4 — вторичный вал; 5 — сливная пробка; 6 — промежуточный вал; 7 — картер коробки передач.
- Картер содержит основные узлы и детали коробки передач. Он крепится к картеру сцепления, который, в свою очередь, закреплен на двигателе. Т.к. шестерни коробки передач испытывают в работе большие нагрузки, они должны хорошо смазываться. Поэтому половина объема картера заполнена трансмиссионным маслом.
- Валы коробки передач вращаются в подшипниках, установленных в картере, и имеют наборы шестерен с различным числом зубьев.
- необходимы для плавного, бесшумного и безударного переключения передач путем уравнивания скоростей вращающихся шестерен.
- Механизм переключения передач служит для смены передач в коробке и управляется водителем с помощью рычага из салона авто. При этом замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а блокировочное устройство удерживает передачи от самопроизвольного выключения.
Синхронизатор состоит из ступицы с сухарями, муфты включения, блокирующего кольца и шестерни с фрикционным конусом. В конструкции коробки передач один синхронизатор обслуживает две передачи (шестерни). На примере конструкции одноконусного синхронизатора коробки передач:
Элементы: 1 — блокирующее кольцо, 2 — ступица, 3 — сухарь, 4 — кольцевая пружина, 5 — фрикционный конус шестерни, 6 — шестерня, 7 — блокирующее кольцо, 8 — муфта синхронизатора, 9 — сухарь, 10 — шестерня.
Конструктивной основой синхронизатора является ступица. Она имеет внутренние и наружные шлицы. С помощью внутренних шлицев ступица соединяется с вторичным валом коробки передач и имеет возможность осевого перемещения по нему в разные стороны. Наружные шлицы соединяют ступицу с муфтой включения.
По окружности ступицы под углом 120 градусов выполнены три паза, в которые установлены подпружиненные сухари, которые нажимают на блокирующее кольцо при включении передачи и способствуют блокировке муфты на этапе синхронизации.
Муфта включения (другое название – муфта синхронизатора) обеспечивает жесткое соединение вала и шестерни. Муфта насажена на ступицу и имеет внутренние шлицы. На шлицах выполнена кольцевая проточка, в которой размещаются выступы сухарей. Снаружи муфта синхронизатора соединяется с вилкой коробки передач.
Блокирующее кольцо обеспечивает синхронизацию и препятствует замыканию муфты до момента выравнивания скоростей вала и шестерни. С внутренней стороны блокирующее кольцо имеет коническую поверхность, которая взаимодействует с фрикционным конусом шестерни. Снаружи блокирующее кольцо имеет шлицы, с помощью которых производится блокировка муфты включения.
На торцевой поверхности блокирующего кольца со стороны ступицы выполнено три паза, в которые входят сухари ступицы. Пазы препятствуют прокручиванию кольца при соприкосновении с фрикционным конусом (в них упираются сухари). Размер пазов в 1,5 раза превышает размер сухарей. В некоторых конструкциях синхронизаторов, наоборот, на блокирующем кольце выполнены выступы, а пазы — в ступице.
Для увеличения поверхности соприкосновения, снижения усилия при переключении передач применяются многоконусные синхронизаторы: двухконусный, трехконусный. Например, в трехконусном синхронизаторе помимо блокирующего (наружного) кольца устанавливается еще внутреннее и промежуточное кольца. Для предотвращения проворачивания на кольцах выполнены выступы, которые фиксируются в пазах шестерни и блокирующего кольца.
Таким образом, в трехконусном синхронизаторе созданы три поверхности трения: между конусом шестерни и внутренним кольцом, между внутренним и промежуточным кольцом, между промежуточным и блокирующим кольцом. В зависимости от конструкции в одной коробке передач могут устанавливаться синхронизаторы с различным числом конусов.
На картинках ниже: 1 — сухарь, 2 — включаемая шестерня, 3 — блокирующее кольцо, 4 — муфта синхронизатора, 5 — ступица, 6 — торец шлица муфты синхронизатора, 7 — торец шлица блокирующей муфты, 8 — паз в ступице, 9 — выступ блокирующего кольца, 10 — зубчатый венец шестерни.
В нейтральном положении рычага коробки передач муфты синхронизаторов находятся в среднем положении, шестерни на ведомом валу вращаются свободно, поток мощности не передается (исходное положение синхронизатора):
При включении передачи вилка перемещает муфту синхронизатора из среднего положения в направлении шестерни. Вместе с муфтой сдвигаются сухари, которые воздействуют на блокирующее кольцо. Кольцо прижимается к конусу шестерни. На поверхности возникает сила трения, которая поворачивает кольцо до упора сухарей в пазах кольца (кольцо стопорится от проворачивания). В этом положении блокирующее кольцо препятствует дальнейшему продвижению муфты синхронизатора по оси вала, так как торцы шлицев блокирующего кольца располагаются напротив торцов шлицев муфты:
Далее под действием сил трения происходит синхронизация скоростей шестерни и ведомого вала. Когда скорости выравнены, под нажимом шлицев муфты блокирующее кольцо поворачивается в противоположную сторону, блокировка муфты снимается, шлицы муфты свободно проходят для зацепления с венцом шестерни. Происходит жесткое соединение вторичного вала коробки передач и шестерни:
Несмотря на множество операций, весь процесс синхронизации и включения передачи занимает доли секунды.
МКПП
Механическая коробка передач изнутри.
Механи́ческая коро́бка переключе́ния переда́ч (далее по тексту - МКПП) - механизм, предназначенный для ступенчатого изменения передаточного отношения, в котором выбор передачи осуществляется оператором (водителем) вручную.
Назначение
Необходимость в наличии коробки передач проистекает из одного из главных недостатков двигателя внутреннего сгорания . ДВС в большинстве случаев работает в достаточно ограниченном диапазоне оборотов (обычно, от 700 до, как максимум, 12000 об./мин), который много уже, чем диапазон оборотов, с которыми на практике могут обращаться колёса автомобиля (обычно, от 0 до 1800 об./мин).
Кроме того, другая особенность ДВС в том, что максимальные значения крутящего момента достигаются в сравнительно небольшом интервале, расположенном приблизительно посередине между максимальными и минимальными оборотами. Максимальная же мощность развивается на максимальных оборотах.
Например, двигатель распространённого автомобиля ВАЗ-2106 имеет рабочие обороты от 800 до 5400 об./мин., при этом максимальное значение крутящего момента достигается при 3000 об./мин.
Трансмиссия, таким образом, служит для обеспечения оптимального режима работы двигателя в различных условиях движения. В механической трансмиссии это осуществляется за счёт того, что водитель вручную переключается между несколькими ступенями (передачами) МКПП, имеющими различное передаточное число . Выделяют высшие и низшие ступени (передачи) .
- При трогании с места, разгоне, движении на небольшой скорости и по бездорожью - необходим высокий крутящий момент, который достигается при средне-высоких оборотах, но отсутствует необходимость развивать большую максимальную скорость. Поэтому для движения в этом режиме служат низшие ступени коробки передач, имеющие наибольшее передаточное отношение, при этом даже при больших оборотах двигателя автомобиль будет ехать медленно.
- С другой стороны, при равномерном движении на достаточно высокой скорости - необходимо обеспечить большую частоту обращения колёс, при этом удерживая обороты двигателя в приемлемых рамках. Для этого служат высшие передачи, имеющие значительно меньшие передаточные числа по сравнению с низшими, при этом автомобиль будет при тех же оборотах двигателя ехать достаточно быстро, пока не будут достигнуты максимальные рабочие обороты двигателя. Однако, при включённых высших передачах автомобиль не может двигаться с небольшой скоростью (конкретный минимум скорости для каждой ступени коробки передач зависит от особенностей конструкции трансмиссии и моментной характеристики конкретного двигателя), и, тем более, трогаться с места, так как двигатель не сможет развить крутящего момента, потребного для того, чтобы сдвинуть автомобиль с места, и остановится (заглохнет) .
Скорость автомобиля при движении на передаче с заданным передаточным числом i определяется по формуле:
, где :
Кроме того, коробка передач обеспечивает движение автомобиля задним ходом, накатом и длительное разобщение двигателя и трансмиссии автомобиля.
Основы устройства
Принцип работы
Кратко, принцип работы механической КПП традиционного типа заключается в том, что зубчатые шестерни в её корпусе могут поочерёдно зацепляться в различных комбинациях, образуя несколько передач с разным передаточным числом .
Сцепление
Педали автомобиля с МКПП: слева направо - сцепления, тормоза и акселератор. Левее педали сцепления - площадка для отдыха ноги.
МКПП обычно работает в паре со сцеплением . Оно служит для временного разобщения двигателя и трансмиссии. Это необходимо для переключения передачи в МКПП, так как, когда двигатель и валы КПП не разобщены, и двигатель работает, через коробку передач проходит большой крутящий момент, и переключать передачи невозможно.
В прошлом существовали МКПП, работающие в паре с гидромуфтой или гидротрансформатором , например, на автомобиле ГАЗ-12 «ЗиМ», «Крайслерах» 1940-х - 1950-х годов или некоторых моделях Mercedes-Benz 1950-х - 1960-х годов с трансмиссией Hydrac. При этом, сцепление обычно так же присутствовало (располагалось после гидромуфты и используя внешнюю поверхность его турбинного ротора вместо маховика), так как гидравлический привод не позволяет полностью разобщить двигатель и трансмиссию. С гидравлическим элементом в обычной механической трансмиссии, водитель может плавно трогаться и разгоняться, реже переключать передачи, останавливать машину, не выключая передачи, и после этого возобновить движение просто отпустив тормоз и нажав на акселератор.
Эта система давно вышла из употребления и, несмотря на большие преимущества, в настоящее время не используется. Причина в том, что современные двигатели, в отличие от моторов 40-х и 50-х годов, весьма высоокоборотные, и потери мощности в гидравлическом элементе были бы неоправданно велики.
Сцепление может иметь как обычный (механический тягами, гидравлический или тросиком), так и
Валы и шестерни
Любая коробка передач традиционного типа представляет собой набор расположенных в едином корпусе (называемом картером ) и вращающихся вокруг параллельных осей валов с расположенными на них шестернями. В большинстве механических КПП заднеприводных автомобилей присутствуют три вала: первичный, вторичный, промежуточный (далее, рассматривается именно трёхвальная схема в варианте заднеприводного автомобиля классической компоновки).
Обычно, первичный и вторичный валы расположены один за другим, вторичный опирается при этом на подшипник , установленный в хвостовике первичного. Жёсткой связи они не имеют и вращаются независимо друг от друга. Промежуточный вал расположен обычно под первичным и вторичным. На валах находятся блоки шестерён . Чтобы уменьшить шумность работы, шестерни обычно делают косозубыми .
На первичном валу находится одна шестерня, жёстко на нём закреплённая и служащая для передачи вращения промежуточному валу. На вторичном валу расположен блок шестерён , шестерни которого свободно вращаются на валу, но конструктивно их продольное перемещение исключено . Для включения передачи, они могут блокироваться на валу , начиная вращаться вместе с ним (см. ниже, раздел «Переключение передач» ).
Напротив каждой шестерни ведущего и ведомого валов расположены жёстко закреплённые на своём валу шестерни промежуточного вала , которые находятся с расположенными напротив шестернями ведущего и ведомого вала в постоянном зацеплении . Так как единственная шестерня первичного вала также жёстко закреплена на своём валу, вращение с первичного вала на промежуточный передаётся всегда . Включение же нужной передачи происходит за счёт задействования нужной шестерни, расположенной на вторичном валу.
Именно выбор нужной шестерни на вторичном валу и введение её в зацепление с этим валом и является, по сути, выбором нужной передачи.
Переключение передач
Между шестернями ведомого вала расположены муфты включения передач (или шлицевые муфты ). В отличие от шестерней передач, они закреплены на своём валу и вращаются вместе с ним , но могут двигаться в продольном направлении (вперёд-назад).
На сторонах шестерён вторичного вала, обращённых к муфтам включения передач, имеются зубчатые венцы . Также, зубчатый венец имеет и задний торец ведущего вала. Ответные зубчатые венцы находятся на муфтах включения.
При движении рычага переключения передач, при помощи специального привода через ползуны приводятся в движении вилки переключения передач , которые могут передвигать муфты включения в продольном направлении. Специальный блокирующий механизм (замок ) при этом не допускает одновременное включение двух передач, что могло бы произойти, если бы рычаг переключения передач зацепил бы сразу два ползуна. Замок фиксирует два ползуна в нейтральном положении при движении третьего, чем и исключается одновременное включение двух передач.
Когда муфта включения движется в направлении шестерни нужной передачи, их зубчатые венцы встречаются, и муфта включения, которая вращается вместе с валом, соединяется с шестернёй передачи, блокируя её. После этого они вращаются вместе и коробка передач начинает передавать вращение от двигателя на карданный вал и далее - на колёса.
Соответственно, когда ни одна муфта включения не блокирует ни одной шестерни, коробка передач находится в нейтрали , или на нейтральной передаче, и двигатель с трансмиссией разобщены.
Синхронизаторы
Основная статья : Синхронизатор (автомобиль)
Однако, при описанном выше простейшем устройстве коробки, передачи будут включаться с сильным шумом и чувствительным ударом, кроме того, водителю необходимо будет угадывать момент, когда обороты муфты включения и шестерни на валу будут примерно одинаковыми, иначе зубчатые венцы муфты и шестерни нужной передачи не войдут в зацепление и очень быстро износятся.
Пример
Ниже схематично рассмотрена работа трёхвальной четырёхступенчатой МКПП заднеприводного легкового автомобиля с синхронизированными передачами переднего хода. 1, 2, 3, 4, R - шестерни соответствующих передач.
Цвета:
Ведущий вал - оранжевый; Ведомый вал - жёлтый; Промежуточный вал - серый; Вал заднего хода и соответствующий ползун - зелёный; Ползун включения III-IV передач - фиолетовый; Ползун включения I-II передач - голубой;
N - нейтральная передача: ни один синхронизатор не зацеплен ни с одной шестернёй, первичный и промежуточные валы вращаются, вторичный в покое.
I передача: синхронизатор первой-второй передач (ярко-голубой на илл.) 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.
II передача: тот же синхронизатор перемещается и блокирует шестерню второй передачи;
III передача: синхронизатор первой-второй передач в нейтральном положении; синхронизатор третьей-четвёртой (фиолетовый на илл.) блокирует шестерню третьей передачи на ведомом валу, вращение передаётся с первичного вала на промежуточный, а с него через шестерню третьей передачи - на вторичный.
IV передача: синхронизатор первой-второй передач в нейтральном положении; синхронизатор четвёртой передачи блокирует венец первичного вала, благодаря чему первичный и вторичный валы вращаются как единое целое. Промежуточный вал не задействован (но продолжает обращаться, так как простоянно зацеплен с первичным).
Такая передача, при которой вращение передаётся непосредственно с первичного вала на вторичный в обход шестерён промежуточного вала, всегда имеет одно передаточное отношение - 1:1, и называется прямой передачей , так как крутящий момент передается напрямую от первичного вала на вторичный. Этот режим работы КПП является выгодным, так как уменьшаются потери и износ.
R - задний ход: синхронизаторы в нейтральном положении; шестерня заднего хода, вращающаяся на своём собственном валу, входит в зацепление с соответствующими шестернями промежуточного и вторичного валов, благодаря чему вторичный вал крутится в направлении, противоположном направлению вращения первичного вала.
Двухвальные коробки передач
Двухвальная четырёхступенчатая несинхронизированная коробка передач. 1911 год, Германия.
В настоящее время нередко используются двухвальные МКПП, в них отсутствует промежуточный вал, ведущий и ведомый валы вращаются вокруг параллельных осей (а не находятся на одной друг за другом), синхронизаторы непосредственно входят в зацепление с шестернями вторичного вала и прямая передача технически невозможна. В остальном, их принцип действия аналогичен работе трёхвальной МКПП.
Преимущества таких КПП - компактность и несколько бо́льший КПД . Главный недостаток - отсутствие прямой передачи, кроме того, такая КПП пригодна только для легкового автомобиля: в ней конструктивно сложно получить большие значения передаточного числа.
Таковы коробки передач переднеприводных автомобилей, таких, как ВАЗ-2108 и Москвич-2141 . Часто такие КПП имеют больше четырёх передач переднего хода.
Синхронизированные и несинхронизированные МКПП
Основная статья : Синхронизатор (автомобиль)
Существуют синхронизированные и несинхронизированные механические коробки передач.
- В несинхронизированной МКПП, включение передач осуществляется полностью водителем вручную. Так как при переключении передачи скорость шестерён различна, муфта переключения не может просто перейти с одной из них на другую.
- В синхронизированной МКПП, включение всех передач (или некоторых) частично автоматизировано. Специальные устройства - синхронизаторы - не дают включающей муфте перейти с одной шестерни на другую, пока их скорость не выравняется (что так же выполняется синхронизатором).
Количество ступеней
Число ступеней считают по номеру передачи переднего хода с наименьшим передаточным отношением .
- Двухступенчатые : на первых автомобилях коробки передач имели две ступени переднего хода и одну - заднего;
- Трёхступенчатые : в 1920-х распространились коробки передач с тремя ступенями переднего хода, которые были широко распространены в Европе - до конца 1960-х годов, а в Северной Америке - до второй половины 1970-х;
- Четырёхступенчатые : в конце 1950-х годов на массовых моделях стали появляться коробки передач «со сближенными передаточными числами» и четырьмя ступенями, что обеспечивало более интенсивный и плавный разгон. В США они долго рассматривались как спортивная опция, а в Европе в конце 1950-х - начале 1960-х стали устанавливаться на большинство автомобилей;
- Пятиступенчатые : в 1970-е годы появились, а в 1980-е получили массовое распространение МКПП с четырьмя основными передачами переднего хода, в которых имелась пятая передача, она представляла собой встроенную в саму коробку повышающую передачу (см. ниже) ;
- Шестиступенчатые : в 1990-е годы появились шестиступенчатые коробки передач. Они могли представлять собой как МКПП с четырьмя базовыми ступенями и двумя - повышающими (для ещё большей экономии топлива), так и МКПП с пятью базовыми и одной повышающей ступенью (для ещё более динамичного разгона);
- Семиступенчатые и далее : в 2000-е годы появляются механические коробки передач с пятью базовыми ступенями и двумя повышающими (например, Bugatti Veyron или BMW M5.).
Повышающие передачи
Повышающая передача , или овердрайв (англ. Overdrive ) - имеет передаточное число менее единицы . Повышающей она называется, так как при таком передаточном числе ведомый вал обращается быстрее ведущего.
До 1970-х годов, овердрайв на легковых автомобилях обычно оформляли в виде отдельного от КПП агрегата. Например, на Volvo 240 с четырёхступенчатой трансмиссией можно было заказать дополнительный овердрайв с различными вариантами передаточных чисел. Такой овердрайв мог включаться как водителем (на илл. слева) , так и автоматически, по достижению определённой скорости при движении на прямой передаче.
Например, на автомобилях Ford 1950-х - 1960-х годов, овердрайв автоматически включался при превышении при движении на прямой передаче скорости в 27 миль в час (около 45 км/ч), а отключался при её снижении ниже 21 мили в час (около 35 км/ч) или при резком нажатии на педаль акселератора (так называемый кик-даун, режим включения пониженной передачи для обгона) .
С конца 1970-х годов, овердрайв стали встраивать в четырёхступенчатые МКПП как пятую передачу, что стало обычной практикой в 1980-е. В наши дни в КПП может быть более одной повышающей передачи.
Вопреки распространённому мнению, в большинстве случаев, повышающая передача существенно не увеличивает максимальной скорости автомобиля. Максимальная скорость достигается уже на прямой передаче (с передаточным отношением 1:1), но на повышающей передаче при прочих равных уменьшаются обороты коленчатого вала, следовательно - расход топлива и износ двигателя.
Планетарные коробки передач
Некоторые автомобили использовали планетарные механические коробки передач, например, Ford T . Шестерни в планетарном механизме совершают помимо вращательного еще и поступательное движение.
Особенность этих коробок в том, что все шестерни в них находятся в постоянном зацеплении, а изменение передаточного числа происходит за счет торможения и блокирования отдельных вращающихся элементов.
Так как при переключении передач в планетарной коробке не происходит зацепления между двумя зубчатыми венцами, нет необходимости и в разобщении двигателя и трансмиссии для переключения передач. Кроме того, такая трансмиссия получается гораздо компактнее обычной.
Однако, управление автомобилем с такой коробкой передач очень специфично, а сама она весьма дорога в производстве. Поэтому механические планетарные КПП получили малое распространение на автомобилях (зато нередко применяются на велосипедах, а так же танках и иных гусеничных машинах).
Кроме того, практически все гидромеханические автоматические трансмиссии используют планетарную механическую часть, которая достаточно легко поддается автоматизации и может работать в паре с гидротрансформатором без сцепления .
Механизмы переключения
В классической МКПП для выбора нужной передачи служит специальный рычаг, называемый рычагом переключения передач, или селектором. С его помощью в любой момент можно задействовать любую из имеющихся в коробке передач ступень (кроме ступени заднего хода, включать которую допустимо лишь после полной остановки автомобиля во избежание серьёзных поломок).
Расположение рычага и система привода могут в значительной степени варьироваться в зависимости от модели автомобиля.
- Рычаг может располагаться непосредственно на корпусе коробки передач (обычно сверху или сбоку), либо на специальном удлинителе. В этом случае все механизмы переключения расположены внутри корпуса коробки и рычаг непосредственно воздействует на ползуны с вилками переключения передач. Плюсы такой схемы - более чёткое переключение передач, меньший износ в процессе эксплуатации. Недостаток - из-за особенностей компоновки рычаг, расположенный на корпусе коробки, обычно оказывается сильно вынесен вперёд, что снижает удобство пользования им. Кроме того, такой привод непригоден для использования на большей части переднеприводных и всех заднемоторных автомобилях.
На спортивных автомобилях и автомобилях со спортивным имиджем почти всегда устанавливаются МКПП.
Грузовые автомобили и «жёсткие» внедорожники также, как правило, имеют механические коробки передач.
Полуавтоматические КПП
На протяжении истории автостроения создавалось немалое число конструкций трансмиссий, которые можно описать под общим термином «полуавтоматические». Общим у них является то, что водитель избавлен от части операций, которые он должен был бы выполнять при управлении автомобилем с чисто-механической трансмиссией.
Здесь не будут упоминаться трансмиссии начального периода автомобилестроения (до двадцатых годов XX века), так как в те годы ещё не было устоявшегося, общепринятого устройства МКПП, которое можно взять за «отправную точку» (например, на Ford T не было сцепления, коробка передач была планетарной и управлялась двумя педалями и рычагом).
Гидроэлектромеханические трансмиссии с ручным переключением
Первый массово использовавшийся тип полуавтоматической трансмиссии был создан фирмой Chrysler в 1930-х годах и широко использовалась на её автомобилях вплоть до 1950-х годов.
Он нёс обозначение М4 (на довоенных моделях, коммерческие обозначения - Vacamatic или Simplimatic) и M6 (с 1946 года, коммерческие обозначения - Presto-Matic, Fluidmatic, Tip-Toe Shift, Gyro-Matic и Gyro-Torque) и изначально представлял собой комбинацию трёх агрегатов - гидромуфты, традиционной механической коробки передач с двумя ступенями переднего хода, и автоматически (на М4 вакуумным, на М6 электрическим приводом) включаещегося овердрайва. Каждый блок этой трансмиссии имел своё назначение:
- Гидромуфта делала трогание автомобиля с места плавнее, позволяла «бросать сцепление» и останавливаться, не выключая передачи или сцепления. Позднее она была заменена гидротрансформатором, который увеличивал крутящий момент и значительно улучшал динамику автомобиля по сравнению с гидромуфтой (которая несколько ухудшала динамику разгона).
- Механическая коробка передач служила для выбора рабочего диапазона трансмиссии в целом. Существовало три рабочих диапазона - нижний (Low), верхний (High) и заднего хода (Reverse). В каждом диапазоне было две передачи.
- Овердрайв автоматически включался в работу при превышении автомобилем определённой скорости, таким образом, переключая передачи внутри текущего диапазона.
Переключение передач производилось обычным рычагом, расположенным на рулевой колонке. Поздние варианты переключаетля имитировали автоматические трансмиссии и имели указатель-квадрант диапазона над рычагом, как у АКПП - хотя сам процесс выбора передач не претерпел изменений. Педаль сцепления имелась, но использовалась только для выбора диапазона и была окрашена в красный цвет.
Трогаться в обычных дорожных условиях рекомендовалось в диапазоне «High», то есть, на второй передачи двухступенчатой МКПП и третьей передачи трансмиссии в целом - высокий крутящий момент шести- и восьмицилиндровых двигателей «Крайслеров» это вполне позволял.
На подъёме и при движении по грязи необходимо было начинать движение с диапазона «Low», то есть, с первой передачи. После превышения определённой скорости (варьировалась в зависимости от конкрентной модели трансмиссии) происходило переключение на вторую передачу за счёт происходящего автоматически включения овердрайва (сама МКПП оставалась при этом на первой передачи).
При необходимости водитель переключался на верхний диапазон, при этом включалась в большинстве случаев сразу четвёртая передача (так как овердрайв уже был включён для получения второй передачи) - она имела общее передаточное отношение 1:1.
Перебрать все имеющиеся четыре передачи при практическом вождении было почти невозможно, хотя трансмиссия формально считалась четырёхступенчатой.
Диапазон задних передач так же включал две передачи и включался, как обычно, после полной остановки автомобиля.
Таким образом, для водителя езда на автомобиле с такой трансмиссией очень напоминала езду на машине с двухступенчатой АКПП, с той разницей, что переключение между диапазонами происходило с нажатием сцепления.
Эта трансмиссия ставилась с завода или была доступна как опция на автомобилях всех подразделений корпорации «Крайслер» 1940-х - начала 1950-х годов. После появления настоящей автоматической двухступенчатой трансмиссии PowerFlite, позднее трёхступеначтой TorqueFlite, полуавтоматические трансмиссии семейства Fluid-Drive были сняты с производства, так как мешали продажам полностью автомтаических трансмиссий. Последним годом их установки стал 1954, в этом году они был доступны на самой дешёвой марке корпорации - «Плимуте».
Фактически, такая трансмиссия стала переходным звеном от МКПП к гидродинамическим АКПП и служила для «обкатки» технических решений, позднее использовавшихся на них.
Также в начале 1940-х годов существовала трёхступенчатая трансмиссия, обозначавшаяся Slushomatic, у которой первая передача была обычной, а вторая - объединена в единый диапазон с автоматически включающейся третьей.
Механические трансмиссии с автоматическим сцеплением
Источники
Литература
Шестопалов, К.С. Легковой автомобиль: Учеб. пособие для подготовки водителей ТС категории "В". - 2-е, испр. и доп.. - М.: Издательство ДОСААФ, 1980. - 240 с.
- МКП МКПП механическая коробка переключения передач авто МКПП Московская конфедерация промышленников и предпринимателей Москва, организация МКПП морской контрольно пропускной пункт морск … Словарь сокращений и аббревиатурМКПП - машинно конно прокатный пункт … Словарь сокращений русского языка
- (Московская Конфедерация промышленников и предпринимателей (работодателей)) Региональное объединение работодателей «Московская Конфедерация промышленников и предпринимателей (работодателей)» является общественным объединением физических и… … Википедия
Четырёхступенчатая МКПП TopLoader автомобиля фирмы Ford … Википедия
Mini Clubman … Википедия
Второе поколение Audi A6 Модельный ряд Audi A6 с 1997 по 2004 гг. Audi A6 … Википедия
Ford Torino … Википедия
Porsche 991 … Википедия
Chevrolet Chevelle … Википедия
Nissan Gloria японский автомобиль, выпускаемый с 1959 года Prince Motor Company, затем Nissan Motors. Изначально автомобиль строился на уникальной платформе, однако, начиная с третьего поколения, под названием Gloria выпускался несколько… … Википедия
Каждый автолюбитель видел или даже управлял автомобилем с МКПП, ведь обучение в большинстве автошкол проходит, как правило, на «механике». Но не каждый знает историю происхождения этого агрегата, принцип его работы, преимущества и недостатки. Именно об этом мы и поговорим в данной статье.
Автоледи и механическая коробка передач - понятия несовместимые. Поверьте, управлять автомобилем, красить губы, разговаривать по телефону и переключать передачи - реально сложно.
Для начала давайте разберемся какая расшифровка у абревиатуры МКПП и что это вообще значит. МКПП расшифровывается как механическая коробка переключения передач и означает это то, что переключение передач осуществляется механическим путем, то есть вручную.
Если попытаться провести краткое описание механической коробки, то можно сказать, что она представляет собой блок со множеством шестерен внутри, который вплотную прилегает к двигателю и передает его энергию на колеса. Взаимодествие с МКПП происходит с помощью рычага переключения передач и педали сцепления.
Появлению механической коробки передач мы обязаны женщине. Да-да, вы не ослышались и этой женщиной была никто иная, как супруга Карла Бенца Берта Бенц. Именно она, после завершения своего знаменитого «турне» на автомобиле «Motorwagen», высказала мужу свое недовольство по поводу того, что тяги двигателя не хватало, чтобы преодолеть даже небольшой пригорок. Это произошло 5 августа 1888 года. Не отважившись спорить с женщиной, Карл Бенц в 1893 году выпускает автомобиль «Benz Velo», на котором крутящий момент от двигателя к колесам передавала 2-ступенчатая планетарная механическая коробка передач.
Берта Бенц - супруга Карла Бенца, первый автомобиль Бенца «Motorwagen» и знаменитое турне из Мангейма в Пфорцгейм и обратно, которое совершила Берта Бенц в 1888 году.
Дальше ручная трансмиссия или МТ (механическая трансмиссия) эволюционировала только за счет увеличения количества передач и процесс этот был довольно быстрым. Первые двухступенчатые коробки с задней передачей ставились еще на самые первые серийные автомобили марки Ford уже в самом начале 20 века. Трехступенчатые коробки также не заставили себя долго ждать и появились уже в 1910 году. Они применялись на европейских автомобилях, а в последствии и на американских. Трехступенчатые МКПП имели большое распространение вплоть до начала 1960-х годов.
Далее в свет выходят четырехступенчатые коробки, которые, кстати, появились очень давно, но в силу того, что первые образцы были без синхронизаторов, они не пользовались популярностью. Когда же в 1960-х годах 4-ступенчатая коробка передач обзавелась синхронизаторами, тогда она и получила свое широкое применение. В США «четырехступки» еще долго использовались только на спортивных автомобилях, а в Европе сразу стали устанавливаться практически везде.
Первая 5-ступенчатая коробка появилась тоже в 1960-х, но массовое применение она получила только через 20 лет. В таких коробках было четыре основных передних передачи, а пятая, повышающая была встроена в саму коробку. До этого повышающая передача (она же «овердрайв») представляла из себя отдельный агрегат.
В 1990-х появляются шестиступенчатые МКПП. Они тоже имели четыре основные скорости, но повышающих у них уже было две. Еще через 10 лет появляется 7-ступенчатая «коробка», которая обладает пятью базовыми и двумя повышающими передачами.
Механические семиступенчатые коробки передач устанавливались на спортивные автомобили Porsche 911 и Chevrolet Corvette Stingray, с целью более эффективного использования крутящего момента мощного двигателя.
На этом развитие МКПП пока что закончилось - конструкторская мысль ушла в развитие автоматических коробок передач. На данный момент потомками «механики» являются роботизированные коробки передач. Они имеют такое же устройство и технические характеристики, что и МТ, но переключают скорости и управляют сцеплением самостоятельно.
Устройство
Механическая коробка передач представляет из себя набор валов с шестернями. Все эти детали располагаются в одном корпусе. «Механика» бывает трехвальной и двухвальной.
Первый вариант устанавливается на автомобилях с классической компоновкой - переднемоторная заднеприводная. Это наши горячо любимые «копейки» и «шестерки». В такие МКПП входят первичный, вторичный и промежуточный валы.
Рисунок механической коробки передач, на котором видно, что конструкция «механики» довольно проста - набор шестерен, ведущий и ведомый валы, муфты переключения.
Первичный вал (он же ведущий) обеспечивает соединение коробки с маховиком двигателя через сцепление. Вторичный (ведомый) соединяется с карданным валом, а промежуточный служит для передачи вращения от первичного вала ко вторичному.
На первичном валу находится ведущая шестерня, которая приводит в движение промежуточный вал, а на нем, в свою очередь, расположен свой блок шестерен. Они жестко соединены с валом и, зачастую, являются с ним одним целым. На вторичном валу располагается набор ведомых шестерен, которые находятся в шлицах вала и перемещаются по ним. Также они могут вращаться в ступицах.
Трехвальные МКПП имеют большие габариты и вес, нежели двухвальные, но в них может быть реализована прямая передача крутящего момента от первичного вала сразу на выходной. Также трехвальные МКПП обладают возможностью достижения больших передаточных чисел и более широким силовым диапазоном, нежели их двухвальный конкурент.
Трехвальные «коробки» в данный момент устанавливаются на все автомобили с классической компоновкой, а также на грузовики и внедорожники.
На этой простой схеме указаны основные узлы трехвальной механической коробки передач.
На большинстве современных переднеприводных автомобилях устанавливаются двухвальные МКПП. В них крутящий момент передается от шестерен первичного вала на шестерни вторичного вала. Первичный вал, также как и у трехвальных МКПП, соединяется с двигателем, а вторичный передает крутящий момент на колеса. Располагаются валы параллельно друг другу.
Из-за отсутствия промежуточного вала такие коробки более компакты и имеют меньший вес, но из-за большого количества дополнительных шестерен КПД у этого типа МКПП ниже. Преимущество двухвальных МКПП заключается в возможности компоновочного объединения двигателя и трансмиссии в единый силовой агрегат относительно небольшого размера. Такие характеристики позволяют использовать этот тип МКПП в автомобилях с задним мотором и передним приводом, а также на тяжелых мотоциклах.
Принцип переключения передач
У МКПП между шестернями вторичного вала располагаются муфты включения передач. В зависимости от числа муфт коробки делятся на несколько типов – двухходовые, трехходовые, четырехходовые и так далее. Например, трехходовые МКПП имеют три муфты включения, каждая из которых может блокировать по две шестерни на каждом валу. Отсюда следует, что у трехходовой МКПП может быть 4 или 5 передач переднего хода. Четырехходовые могут иметь уже 6, 7 или 8 передач. Идем дальше.
На шестернях вторичного вала имеются зубчатые венцы. Они соединяются с задними торцами ведущего вала, а ответные венцы находятся на муфтах включения. Когда вы переключаете скорости, передвигая рычаг переключения передач, то за счет специального привода через ползуны приходят в движение вилки переключения передач, которые и перемещают вышеуказанные муфты. В МКПП есть специальный блокирующий механизм, который не допускает включения нескольких передач сразу.
Когда включающая муфта подходит к необходимой шестерни, их венцы соединяются и муфта блокирует шестерню передачи. Тогда они начинают совместное вращение, и таким образом крутящий момент направляется к колесам.
Анимированная схема переключения 4-ступенчатой коробки передач. Первый шток включает первую и вторую передачи, второй шток - третью и четвертую, а третий шток для задней передачи.
Чтобы переключения передач проходили без ударов и толчков, в МКПП предусмотрены синхронизаторы. Они выравнивают скорости вращения шестерни и муфты и не дают муфте произвести свою работу, пока указанные скорости не сравняются.
Управление «механикой»
Классический способ переключения передач в МКПП осуществляется с помощью специального рычага. Он располагается прямо на крышке коробки, либо соединяется с ней через удлинитель. Он-то и воздействует на вилки переключения передач, а управление самим рычагом осуществляете вы сами.
При такой схеме управления скорости включаются наиболее четко. Также эта схема отличается долгим сроком эксплуатации, но она обладает и недостатками. Классическая схема управления МКПП сильно зависит от компоновки автомобиля. Во многих случаях рычаг может быть вынесен вперед либо назад относительно водителя, создавая неудобные условия для переключения. Вдобавок, из-за того, что рычаг имеет непосредственный контакт с коробкой, на него передается вибрация от двигателя.
Вторая схема управления МКПП – когда рычаг располагается на расстоянии от коробки и соединяется с ней с помощью тяг. Такое решение позволяет устанавливать рычаг в удобном для водителя месте вне зависимости от компоновки автомобиля. Вдобавок, при такой схеме на рычаг не передается вибрация. Но у таких коробок есть свои особенности. Во-первых, тяги со временем разбалтываются, вследствие чего их необходимо регулировать или даже менять, а во-вторых наблюдается пониженная четкость переключения передач.
Рычаг переключения передач и педаль сцепления - обязательные атрибуты для управления механической коробкой. Если с педалью сцепления еще как-то можно смириться, то рычаг переключения доставляет трудности в управлении автомобилем, особенно у новичков и женщин.
Две вышеуказанные схемы являются основными. Но существуют также и другие. Например, переключение с помощью пневматических или электромеханических приводов. Такие схемы используются в основном на грузовиках, автобусах и сельскохозяйственной технике, поэтому мы не будем их подробно рассматривать. Также существует секвентальное управление «механикой». В нем скорости переключаются последовательно с помощью рычага-качалки, джойстика или «лепестков». Секвентальное переключение применяется в основном на спортивных автомобилях и мотоциклах. На таких МКПП, как правило, сцепление автоматизировано.
Преимущества и недостатки
И напоследок, давайте рассмотрим, в чем плюсы и минусы механических коробок передач. Начнем с приятного.
Стоимость МКПП ниже, чем у любых других коробок. Также дешевле их ремонт и стоимость обслуживания, да и требуются они реже, чем на автоматических коробках. Вдобавок механическая коробка передач имеет более долгий срок службы и при эксплуатации ее труднее сломать. В среднем в зависимости от модели механическая коробка «ходит» 200-300 тысяч километров, что в некоторых случаях сопоставимо со срок службы автомобиля. Особенности же автоматических коробок передач в том, что они имеют кучу всяких правил, которые осознанно или неосознанно автомобилисты часто нарушают, сокращая тем самым срок службы коробки.
Механическая коробка передач увеличивает динамические качества автомобиля, поскольку имеет более высокий КПД и технические характеристики, которые благоприятно влияют на разгон автомобиля. К тому же, учитывая сколько весит МКПП (25-30 кг), по сравнению с «автоматами», вес которых как минимум 50 кг, также ведет к снижению общей массы автомобиля.
К плюсам можно отнести также и большой набор техник вождения на «механике». Водитель вправе сам определять, как ему ехать. Особенно это актуально во время езды по бездорожью или по скользкой дороге.
Хороша МКПП и в «сломанных» ситуациях. Если у вас «механика», то вы сможете завести автомобиль «с толкача», а также буксировать его на любое расстояние и на любой скорости без ущерба для коробки, чего категорически нельзя делать на «автомате».
Такие особенности, как отсутствие необходимости в отдельной системе охлаждения и низкий расход топлива, также характеризуют «механику», как более выйгрышный вариант.
Пожалуй, единственным недостатком механической коробки передач является сам факт взаимодействия с ней - водителю постоянно нужно переключать скорости, синхронно манипулировать педалями газа и тормоза и следить за оборотами двигателя. Особенно это мешает в пробках и создает неудобства для начинающих водителей и для представительниц прекрасного пола.
Кто-то привыкает к этой необходимости, а кто-то так и не может смириться, но как бы то ни было механические коробки передач постепенно отживают свой век и по мнению экспертов скоро наступит время, когда новые автомобили вообще не будут комплектоваться механической трансмиссией. Технический прогресс неумолим и чем быстрее будут совершенстоваться автоматические коробки передач, тем быстрее люди будут отказываться от механических, но фанаты, для которых ощущение полного контроля над автомобилем ценее, чем комфорт, будут всегда.
На видео продемонстрировано как сделать механическую коробку передач своими руками… из 116 деталей Lego. Минус этой коробки в том, что вы не сможете на ней ездить, плюс - ей не нужно трансмиссионное масло.
