Типы механизмов переключения передач
По типу механизма выбора передач МКП подразделяются на селекторные, в которых передачи выбираются рычагом, перемещаемым по Н-алгоритму, как в большинстве автомобилей, и секвентальные, в которых передачи выбираются последовательно от низшей к высшей и обратно перемещаемым в одной плоскости рычагом - как в большинстве мотоциклов.
В классическом случае у автомобиля с МКП рычаг переключения передач, расположен на верхней или боковой крышке коробки передач. Поскольку компоновка автомобиля с передним расположением двигателя и задними ведущими колесами предполагает смещение КП ближе к подкапотному пространству, конструкторам приходится либо удлинять рычаг переключения, либо использовать промежуточные рычаги-удлинители. К достоинствам такой МКП с расположением рычага переключения непосредственно в крышке картера можно отнести четкость срабатывания, хорошую обратную связь, благодаря которой водитель тактильно ощущает, какая передача включена в данный момент и сработал ли механизм переключения, невысокий уровень вибраций на рычаге. Недостатком такого расположения рычага является нерациональное использование пространства кузова - конструкторам приходится выстраивать напольную нишу на полу кабины и выделять часть пространства под перемещения рычага КП.
В автомобилях вагонной компоновки (минивэны, микроавтобусы, автобусы), длиннобазных, специального назначения, с заднемоторной и среднемоторной компоновкой, переднеприводных используют дистанционное управление МКП. Рычаг переключения при этом располагается на полу, на панели приборов или под рулем. Во всех случаях рычаг соединен с ползунами, перемещающими муфты КП, тягами или «кулисами». Применение тяг облегчает планирование внутреннего пространства кузова автомобиля, но усложняет механическую часть автомобиля. Недостатки таких механизмов: увеличенное усилие на рычаге переключения из-за сил трения в тягах, разбалтывание шарниров «кулис», в результате чего снижается четкость переключения передач, а также необходимость смазки и обслуживания дистанционного привода ползунов.
В автомобилях с заднемоторной и среднемоторной компоновкой (в частности, в спорт-карах и автобусах) иногда применяют электромеханический или пневматический привод механизма переключения КП. В этих случаях механизм переключения оснащают дополнительными механизмами полуавтоматического управления сцеплением.
Секвентальные МКП наибольшее распространение получили на мотоциклах, где передачи переключаются движением ножного рычага вниз и вверх. Иногда такими механизмами оснащаются переднеприводные автомобили. Рычаг коробки передач у таких машин перемещается вперед и назад, Н-образный селектор отсутствует. Главным недостатком секвентального механизма является невозможность быстрого выбора нейтральной передачи - для этого приходится переключать МКП последовательно на две-три ступени «сверху вниз». Для облегчения выбора нейтрали в секвентальных мотоциклетных МКП предусмотрены промежуточные ступени. Основное нейтральное положение секвентального рычага находится между первой и второй передачами, дополнительное - между второй и третьей (реже между третьей и четвертой передачами).
Селекторные механизмы переключения МКП
Какое бы устройство ни имел селекторный механизм переключения - с рычагом, встроенным непосредственно в крышку картера КП, или с дистанционным управлением тягами - принцип действия остается единым. Рычаг переключения передач перемещается в двух плоскостях. Поперечным перемещением рычага водитель выбирает вилку ползуна, воздействующего на муфту переключения, продольным перемещением - перемещает муфту и блокирует выбранную шестерню вторичного вала, то есть «переключает передачу».
Обычно центральное положение рычага МКП фиксируется пружинами. Это положение соответствует нейтральной передаче, то есть вторичный вал КП отключен от ведущего, первичного вала. Автомобиль либо стоит на месте, либо движется за счет сил инерции, накатом.
Н-образный селектор МКП, являющийся общепринятым стандартом, работает следующим образом. Для включения первой передачи в 4-ступенчатой коробке водитель перемещает рычаг влево и вперед - выбирая вилку и через нее ползун включения первой передачи и потом сдвигая муфту включения к шестерне первой передачи вторичного вала КП. Зубчатые венцы муфты и шестерни входят в зацепление (через синхронизатор КП), шестерня блокируется на валу. Плавно отпустив педаль сцепления и прибавив обороты двигателя педалью акселератора, водитель трогает машину с места.
Набрав скорость, водитель выжимает педаль сцепления и переводит рычаг МКП из верхнего левого положения в нижнее левое - включается вторая передача. В продольной плоскости нейтрали находятся две следующие высшие передачи - вверху третья, внизу четвертая.
Задняя передача включается переводом рычага в крайнее правое положение через преодоление сопротивления блокирующей пружины (она предотвращает случайное включение заднего хода во время движения автомобиля вперед), затем сдвигает рычаг вперед, перемещая шестерню заднего хода, которая входит в зацепление с соответствующими шестернями промежуточного и вторичного валов.
Если принцип работы селектора принят всеми автопроизводителями за основу, то расположение передач на Н-образном селекторе не стандартизировано. Передачи могут включаться в другом порядке - первая влево вниз, вторая влево вверх, третья влево вниз, четвертая влево вверх.
В пятиступенчатых МКП разнообразие расположения передач на селекторе еще больше. Первая скорость может располагаться в одной плоскости селектора с включением заднего хода. Либо там же может располагаться пятая передача. Селектор заднего хода может иметь угловое, а не линейное перемещение. И так далее - решений достаточно много, но все они укладываются в общепринятую реализацию Н-образного селектора.
Следует заметить, что помимо Н-селектора в автомобилях применяются и другие схемы управления МКП. В автоматизированных МКП с традиционным селектором рычаг переключения может перемещаться только вперед и назад, как в секвентальных механизмах. Пример такой машины - автомобиль Bugatti Veyron .
Подрулевые механизмы переключения КП
В автомобилях с МКП и подрулевым расположением рычага переключения применяются те же схемы переключения с Н-образным селекторным механизма выбора передач. Но иногда в нейтральном положении рычаг переключения не располагается напротив селектора высших передач. В этом случае для включения первой-второй передач рычаг выдвигают на себя, для включения третьей-четвертой - отжимают от себя. Так переключались передачи на довоенных и послевоенных американских легковых автомобилях.
В отечественном автомобиле ГАЗ-21 нейтральное положение рычага находилось напротив селектора высших передач. Скорости переключались: на себя вверх - задний ход, на себя вниз - первая передача, от себя вверх - вторая передача, от себя вниз - третья, прямая передача.
В наш дни подрулевое расположение рычага переключение передач МКП вышло из употребления. Подобное решение применяется лишь в редких моделях минивэнов для американского и японского рынков. В то же время подрулевое расположение селектора автоматической КП популярно в Америке и в Японии. В автомобилях для европейского рынка чаще применяют напольное расположение рычага селектора АКП.
Механическая коробка передач (сокращенное название МКПП) пока остается самым распространенным устройством, изменяющим крутящий момент двигателя. Свое название коробка получила от механического (ручного) способа переключения передач.
Механическая коробка передач относится к ступенчатым коробкам, т.е. крутящий момент в ней изменяются ступенями. Ступенью (или передачей) называется пара взаимодействующих шестерен. Каждая из ступеней обеспечивает вращение с определенной угловой скоростью или, другими словами, имеет свое передаточное число .
Передаточным числом называется отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей шестерни. Разные ступени коробки передач имеют разные передаточные числа. Низшая ступень имеет наибольшее передаточное число, высшая ступень – наименьшее.
В зависимости от числа ступеней различают четырехступенчатые, пятиступенчатые, шестиступенчатые коробки передач и выше. Наибольшее распространение на современных автомобилях получила пятиступенчатая коробка передач.
Из всего многообразия конструкций МКПП можно выделить коробки двух основных видов: трехвальные и двухвальные. Трехвальная коробка передач устанавливается, как правило, на заднеприводные автомобили. Двухвальная механическая коробка передач применяется на переднеприводных легковых автомобилях. Устройство и принцип работы данных коробок передач имеют существенные различия, поэтому они рассмотрены отдельно.
Устройство трехвальной механической коробка передач
Трехвальная коробка передач состоит из ведущего (первичного), промежуточного, ведомого (вторичного) валов, на которых размещены шестерни с синхронизаторами. В конструкцию коробки также входит механизм переключения передач. Все элементы размещены в картере (корпусе) коробки передач.
Ведущий вал обеспечивает соединение со сцеплением. На валу имеются шлицы для ведомого диска сцепления. Крутящий момент от ведущего вала передается через соответствующую шестерню, находящуюся с ним в жестком зацеплении.
Промежуточный вал расположен параллельно первичному валу. На валу располагается блок шестерен, находящийся с ним в жестком зацеплении.
Ведомый вал расположен на одной оси с ведущим. Технически это осуществляется за счет торцевого подшипника на ведущем валу, в который входит ведомый вал. Блок шестерен ведомого вала не имеет закрепления с валом и поэтому свободно вращается на нем. Блок шестерен промежуточного и ведомого вала, а также шестерня ведущего вала находятся в постоянном зацеплении.
Между шестернями ведомого вала располагаются синронизаторы (другое название - муфты синхронизаторов). Работа синхронизаторов основана на выравнивании (синхронизации) угловых скоростей шестерен ведомого вала с угловой скоростью самого вала за счет сил трения. Синхронизаторы имеют жесткое зацепление с ведомым валом и могут двигаться по нему в продольном направлении за счет шлицевого соединения. На современных коробках передач синхронизаторы устанавливаются на всех передачах.
Механизм переключения трехвальной коробки передач обычно располагается непосредственно на корпусе коробки. Конструктивно он состоит из рычага управления и ползунов с вилками. Для предотвращения одновременного включения двух передач механизм оснащен блокирующим устройством. Механизм переключения передач может также иметь дистанционное управление.
Картер коробки передач служит для размещения конструктивных частей и механизмов, а также для хранения масла. Картер изготавливается из алюминиевого или магниевого сплава.
Принцип работы трехвальной МКПП
При нейтральном положении рычага управления крутящий момент от двигателя на ведущие колеса не передается. При перемещении рычага управления, соответствующая вилка перемещает муфту синхронизатора. Муфта обеспечивает синхронизацию угловых скоростей соответствующей шестерни и ведомого вала. После этого, зубчаты венец муфты заходит в зацепление с зубчатым венцом шестерни и обеспечивается блокировка шестерни на ведомом валу. Коробка передач осуществляет передачу крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.
Движение задним ходом обеспечивается соответствующей передачей коробки. Изменение направления вращения осуществляется за счет промежуточной шестерни заднего хода, устанавливаемой на отдельной оси.
Устройство двухвальной механической коробки передач
Двухвальная коробка передач состоит из ведущего (первичного) и ведомого (вторичного) валов с блоками шестерен и синхронизаторами. Помимо этого в картере коробки передач размещены главная передача и дифференциал.
Ведущий вал , также как и в трехвальной коробке, обеспечивает соединение со сцеплением. На валу жестко закреплен блок шестерен.
Параллельно ведущему валу расположен ведомый вал с блоком шестерен. Шестерни ведомого вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями ведущего вала и свободно вращаются на валу. На ведомом валу жестко закреплена ведущая шестерня главной передачи. Между шестернями ведомого вала установлены муфты синхронизаторов.
С целью уменьшения линейных размеров, увеличения числа ступеней в ряде конструкций коробок передач вместо одного ведомого вала устанавливаются два и даже три ведомых вала. На каждом из валов жестко закреплена шестерня главной передачи, которая находится в зацеплении с одной ведомой шестерней - по сути три главных передачи.
Главная передача и дифференциал передают крутящий момент от вторичного вала коробки к ведущим колесам автомобиля. Дифференциал при необходимости обеспечивает вращение колес с разной угловой скоростью.
Механизм переключения передач двухвальной коробки, как правило, дистанционного действия, т.е. расположен отдельно от корпуса коробки. Связь между коробкой и механизмом может осуществляться с помощью тяг или тросов. Наиболее простым является тросовое соединение, поэтому оно чаще используется в механизмах переключения.
Механизм переключения передач двухвальной коробки состоит из рычага управления, соединенного тросами с рычагами выбора и включения передач. Рычаги в свою очередь соединены с центральным штоком переключения передач с вилками.
Под выбором передачи понимается поперечное движение рычага управления относительно оси автомобиля (движение к паре передач), под включением передачи – продольное движение рычага (движение к конкретной передаче).
Принцип работы двухвальной механической коробки передач
Принцип работы аналогичен трехвальной коробке. Основное отличие заключается в особенностях работы механизма переключения передач.
Движение рычага управления при включении конкретной передачи разделяется на поперечное и продольное. При поперечном движении рычага управления усилие передается на трос выбора передач. Тот, в свою очередь, воздействует на рычаг выбора передач. Рычаг осуществляет поворот центрального штока вокруг оси и, тем самым, обеспечивает выбор передач.
При дальнейшем продольном движении рычага усилие передается на трос переключения передач и далее на рычаг переключения передач. Рычаг производит горизонтальное перемещение штока с вилками. Соответствующая вилка на штоке перемещает муфту синхронизатора и осуществляет блокирование шестерни ведомого вала. Крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса.
Одним из ключевых агрегатов любого автомобиля является коробка переключения передач (КПП). Выбор типа КПП зависит от многих факторов. Различные виды коробок передач имеют как свои достоинства, таки и недостатки. На автомобилях используют четыре основных вида КПП. Это механика, классический автомат, роботизированная коробка или робот, а также вариатор.
Основное предназначение любой автомобильной коробки переключения передач является изменение крутящего момента, передаваемого от двигателя к колесам, изменение скорости движения и изменение направления движения (вперед/назад). Некоторые типы коробок предусматривают также отключение двигателя от колес, в других КПП эту роль выполняет дополнительный узел, называемый «сцепление».
Механические КПП предназначены для ручного переключения передач. По принципу действия это многоступенчатый цилиндрический редуктор. В новых легковых автомобилях чаще всего используют 5 и 6 ступенчатую коробку, а в автоклассике применялись 4-ступенчатые.
Ступенчатая система переключения передач подразумевает конкретный коэффициент передачи для каждой пары шестеренок. Вычисляется передаточное число как соотношение количества зубьев на ведущей и ведомой шестеренке. Для первой передачи это соотношение самое большое. Это означает, что ведущая шестеренка самая маленькая, а ведомая – самая большая.
Механические коробки бывают двух вальные и трех вальные. Трех вальные используются, как правило, на более мощных легковых автомобилях, грузовиках и спецтехнике. Двух вальные часто устанавливают на автомобили с передним приводом.
Многим автомобилистам знаком особый звук, который издает автомобиль при движении на задней передаче. Его не спутаешь ни с чем и он похож практически у всех автомобилей. Происходит это потому, что зубья на передних и задней передаче разные. На задней передаче используются шестеренки с прямыми зубьями. Это дает возможность передавать больший крутящий момент, но расплачиваться приходится повышенным шумом. На передних передачах используются косозубые шестеренки – они работают более тихо, так как сцепление зубьев происходит постепенно, однако их КПД меньше.
Коробка автомат
Автоматическая коробка, в ее классическом понимании, имеет большую популярность среди автолюбителей. Её бесспорное преимущество является в том, что водителю не требуется отвлекаться на переключение передач. Для начала движения не нужно иметь особых навыков – просто поставил «D» и отпустил тормоз. А еще, в салоне на одну педаль меньше. За такой комфорт приходиться расплачиваться более высоким, по сравнению с механикой коробкой, расходом топлива.
Рабочим элементом в АКПП является три набора шестеренок планетарной передачи. Название «планетарная передача» означает, что меньшие шестеренки вращаются вокруг большей центральной шестерни. Первый набор шестеренок называется «главной передачей». Он согласует скорость двигателя и скорость езды. Другие два набора называются «входным редуктором» и «обратным редуктором». Далее следует набор муфт и рычагов, блокирующих различные части автоматической коробки, что дает возможность изменять скорость движения автомобиля или включать реверс.
Переключение передач происходит благодаря компьютеру, который включает нужные гидравлические клапаны, что приводит в движение соответствующие муфты планетарных шестеренок.
Автоматическая КПП позволяет двигателю работать в наиболее эффективном диапазоне мощности. Благодаря различным датчикам, компьютер определяет, когда необходимо включить ту или иную передачу или остановить автомобиль. Так что водителю не стоит беспокоиться об оптимальном режиме работы двигателя, а можно сосредоточиться исключительно на вождении.
Раз компьютер выбирает оптимальный режим работы мотора, и на его работу не влияет настроение или навыки водителя, то возникает закономерный вопрос: почему тогда расход топлива увеличивается? Ответ на этот вопрос кроется в гидротрансформаторе – устройстве, которое передает мощность от двигателя на автоматическую трансмиссию. В автоматической коробке передач он играет роль сцепления. Большое преимущество такой системы в плавности передачи усилия. Однако КПД гидротрансформатора значительно ниже, чем у зубчатых передач, что и вызывает дополнительный расход топлива.
Роботизированная КПП
, или «роботы», как их иногда называют, объединяют два предыдущих вида коробок. По своей сути, это механическая коробка переключения передач с двумя валами и сцеплением, которыми управляет компьютер. Таким образом, КПД такой коробки выше, двигатель всегда работает в оптимальном режиме, что позволяет получать максимум комфорта от езды.
Недостатком такой коробки может являться то, что к ней нужно привыкнуть. При классическом ручном переключении передач водитель сам может сглаживать плавность хода автомобиля благодаря плавному выжиманию сцепления, и добавлению оборотов. При езде с роботизированной коробкой в момент включения передачи может ощущаться небольшой рывок. Чтоб его компенсировать, производители придумали РКПП с двумя сцеплениями. Его суть такова: в момент переключения передач, компьютер одновременно готов подключить передачу на одну больше и на одну меньше. Благодаря этому переключение происходит практически мгновенно без рывков.
Необходимость в механической коробке передач возникает из-за основного недостатка ДВС - агрегат работает при ограниченном диапазоне оборотов. МКПП обеспечивает оптимальный режим работы двигателя.
Рисунок 1. Две шестерни с различным числом зубьев в зацеплении.
Механическая коробка работает в паре со сцеплением. Принцип ее работы, если кратко, заключается в том, что шестерни зубчатого типа находящееся в корпусе коробки входят в поочередное зацепление в различных комбинациях. Таким образом, образовываются различные передачи, отличающиеся передаточным числом.
Сцепление обеспечивает временный разрыв передачи потока крутящего момента от двигателя к трансмиссии - это нужно для переключения передач.
Традиционная МКПП состоит из корпуса, который называется картером, валов, расположенных параллельно и шестерней, синхронизаторов.
Изменение числа оборотов при различных передачах можно объяснить на примере двух шестерней с различным числом зубьев (смотрите рисунок 1).Если поставить две шестерни в зацепление: у первой зубьев 20, а у второй 40, то при двух оборотах первой шестерни, вторая выполнит только один оборот. При такой ситуации передаточное число равно двум. Для чего оно нужно? От величины значения указанного числа зависит скорость раскручивания нужных оборотов мотором. ПЧ влияет на ускорение. Чем больше передаточное число, тем «мощнее» и «короче» будет передача. При этом максимальная скорость станет меньше, возникнет частая необходимость в смене передачи. Производители трансмиссий придерживаются средних значений ПЧ, создают многоступенчатые конструкции с определенной схемой переключения.
Виды трансмиссии
Корпус механической трансмиссии выполняется из легкого, но очень прочного сплава, он герметичен и наполнен специальным маслом, которое позволяет поддерживать рабочие элементы агрегата в хорошем состоянии, даже при больших нагрузках.
Трехвальная механическая коробка передач
Трехвальные механические коробки состоят из таких валов:
- Первичного (ведущего), соединенного посредством сцепления с маховиком мотора.
- Вторичного (ведомого), имеющего жесткое соединение с карданным валом.
- Промежуточного. Его предназначение - передача вращения от первого вала ко второму.
Ведомый вал опирается на подшипник, находящийся в хвостовике первичного вала. Между ними нет жесткой связи, они выполняют вращение независимо друг от друга. На ведомом валу размещен блок шестерен. На первичном - расположена шестерня, находящаяся с ним в жестком закреплении. Промежуточный вал размещен параллельно первому валу, имеет блок шестерней жестко закрепленных на нем. Шестерни всех валов пребывают в постоянном зацеплении.
На ведомом валу между шестернями размещены синхронизаторы, предназначенные для бесшумного переключения передач, они выравнивают угловую скорость шестерни и вала. Синхронизатор позволяет поочередно включать две шестерни вторичного вала.
На корпусе коробки размещается механизм для переключения скоростей, он представлен в виде рычага управления и ползунов с вилками. Чтоб не произошло одновременное включение нескольких передач, этот механизм оборудован блокировкой. Если рычаг для переключения скорости размещен в кузове автомобиля, то используется механизм для дистанционного управления, он называется «кулисой».
Принцип работы указанной коробки состоит в том, что при переведении рычага управления определенная вилка выполняет перемещение муфты синхронизатора, который совмещает угловую скорость вала и шестерни, обеспечивая передачу крутящего момента от шестерни через синхронизатор на вторичный вал коробки. Задняя передача достигается при вращении вторичного вала в противоположную сторону. Достигается она при помощи дополнительной шестерни заднего хода. Она позволяет получить нечетное число пар шестерен: крутящий момент изменяет направление. Для лучшего понимания схемы переключения передач смотрите рисунок 2.
Рисунок 2. Переключение передач МКПП.
Устройство двухвальных коробок имеет ведущий и ведомый валы, расположенные параллельно. При помощи шестерни, размещенной на первичном валу, передается крутящий момент на шестерню вторичного, зафиксированную синхронизатором. Остальные процессы выполняются аналогично трехвальной МКПП. Достоинством двухвальных коробок есть компактность трансмиссии. Плюс они имеют лучший КПД из-за небольшого количества деталей. В указанной коробке отсутствует прямая передача, поэтому ее применяют для легких транспортных средств.
Преимущества и недостатки
Принцип действия и устройство механической коробки несложные, но при езде на оснащенном МКПП автомобилем водителю необходимы определенные навыки для правильного и плавного переключения скоростей. Этот факт является основным недостатком механики. Работать без рывков и провалов механическая коробка будет, если водитель выполняет своевременное переключение передач.
К преимуществам указанной трансмиссии относят:
- Небольшая стоимость и высокая надежность агрегата.
- Высокий КПД.
- Простота обслуживания и ремонта.
- Хорошая управляемость при экстремальных ситуациях.
- Минимальный расход горючего.
- Высокая динамика разгона.
Большинство неисправностей механических коробок переключения передач возникают при использовании водителем неправильной схемы переключения скоростей. Рычаг переключения передач необходимо переключать плавно, с выдержкой пауз в нейтральной позиции - это обеспечит своевременное срабатывание синхронизаторов, которые защищают шестерни от износа.
