Практически любой современный автомобиль (кроме электрокаров) обязательно оснащается коробкой передач. Наиболее популярными являются следующие виды коробок передач:
- Механическая коробка передач;
- Автоматическая коробка передач;
- Вариатор;
- Роботизированная коробка передач.
Наиболее распространённой в России является механическая коробка передач. Коробками данного типа оснащены практически все отечественные автомобили и большая часть иномарок.
Назначение и устройство механической коробки передач
Механическая коробка переключения передач нужна в автомобиле для изменения передаточного отношения от мотора к колёсам. Переключение скоростей происходит за счёт мускульной силы водителя, его механических усилий по отношению к МКПП. Именно поэтому такая КПП и называется ручная коробка передач. Водитель сам контролирует, когда следует переключать селектор МКПП на более высокую или низкую передачу. Современные МКПП бывают 5, 6 и даже 7-ми ступенчатыми. Наиболее часто в современных автомобилях используется 6-ти ступенчатая коробка передач.
Кроме этого, каждая МКПП коробка имеет заднюю и нейтральную передачу. Задняя позволяет машине двигаться назад, нейтральная передача – это когда отсутствует вращение от мотора к приводу ведущих колёс.
Зачем нужна МКПП?
Первая причина ясна – надо как-то подключить вращающийся вал двигателя к приводам колес, чтобы тронуться с места. Есть и вторая: силовой агрегат развивает рабочую мощность (иначе – максимальный крутящий момент) при достижении определенного числа оборотов коленчатого вала. Для большинства бензиновых двигателей этот порог составляет 3000 об/мин, для дизельных – 2000 об/мин.
Пока число оборотов коленчатого вала не достигнет нижнего порога, мотор не сможет развить нужную мощность и создать усилие, достаточное для движения.
Для чайников, то бишь, новичков, желающих разобраться в работе автомобильных узлов, предлагается такое пояснение:
- Во время работы на месте (холостой ход) количество оборотов коленвала составляет 800-900 об/мин. Чтобы начать движение, развиваемой мощности недостаточно и нужно поднять ее за счет нажатия на газ и повышения оборотов до 2-3 тыс. в минуту. В этот момент и нужно подключить привод колес, что выполняется с помощью коробки передач.
- Без МКПП разгон автомобиля выйдет плавным и невероятно долгим, а если попадется подъем, то машина не разгонится никогда. Причина та же – нехватка мощности. Для повышения динамики нужен преобразователь усилия, способный замедлить вращение, но увеличить крутящий момент.
- Для разворота и парковки машине нужен задний ход, его также обеспечивает механическая коробка передач.
Если между колесным приводом и коленчатым валом поставить зубчатую передачу с шестеренками разного размера, то колеса станут вращаться медленнее. Но при этом на каждом колесе возрастет усилие (на жаргоне – тяга) и разгон автомобиля ускорится. А плавное подключение вращающихся элементов обеспечит другой узел МКПП – сцепление.
Принцип работы механической коробки передач
Устройство механической коробки передач включает в себя:
- Саму коробку, которая представляет собой многоступенчатый редуктор;
- Сцепление;
- Различные валы и шестерни.
Если объяснять принцип работы МКПП для чайников, то можно сформировать его так:
- Шестерни меняют частоту оборотов между валами. Путём замены размеров шестерен, происходит переключение на повышенную или пониженную передачу;
- Без сцепления переключение передач на ходу невозможно. Его работа состоит в разъединении мотора и трансмиссии. Данная процедура помогает переключать передачи, не разбивая шестерни и вал.
Каждая МКПП (если это не инновационная модель) устроена по схожей конструкции. На валах (на их осях) располагаются зубчатые шестерни. МКПП бывают с двумя или тремя валами, а корпус называется картером.
Синхронизаторы
Это важная составляющая любой механической трансмиссии. Служат синхронизаторы для сглаживания скорости вращения шестерни и вала. Переключение передач благодаря синхронизаторам происходит быстро и мягко. В устройство входит:
- Блокировочное кольцо.
- Ступица.
- Шестерня, имеющая фрикционный конус.
- Муфта включения.
Ступица – это главный элемент узла. Она имеет два шлица (наружные и внутренние). За счет них механизм соединяется с валом трансмиссии, двигаясь по нему в разную сторону. Благодаря наружному шлицу элемент соединяется с муфтой включения. Также устройство ступицы предполагает наличие трёх пазов. Каждый установлен под углом в 1200 относительно друг друга. Данные пазы служат для установки «сухарей». Что это такое? Это подпружиненные элементы, фиксирующие муфту в положении «нейтраль». При такой установке муфты синхронизатор коробки не работает. Маховик свободно вращается, не передавая момент на коробку. Сама муфта соединяет шестерни с валом коробки. Деталь устанавливается на ступице. С внешней стороны она соединяется с вилкой КПП.
Изображение взято с сайта carnovato.ru
Для выравнивания угловых скоростей используется блокировочное кольцо. Сглаживание вращения происходит за счёт трения. Кольцо не дает муфте замкнуться, пока шестерня и вал не будут иметь равные обороты вращения. Внутренняя часть блокировочного кольца обладает конусной формой.
Как работает синхронизатор в МКПП:
- Муфта при нерабочем состоянии находится в среднем положении. Шестерни на валах трансмиссии свободно вращаются.
- При выборе водителем передачи, муфта двигается к шестерне посредством вилки. При этом муфта двигает блокировочное кольцо. Последнее прижимается к конусу шестерни.
- Кольцо прокручивается и блокирует последующее движение муфты.
- За счет трения, обороты вала и шестерни выравниваются.
- Муфта зацепляет вал и шестерню КПП.
- Передается крутящий момент от маховика ДВС.
Устройство трёхвальной системы
Трёхвальная система оборудована тремя валами:
- Ведущим валом;
- Промежуточным валом;
- Ведомым валом.
Принцип работы механики заключается в том, что на ведущем валу имеются шлицы, а сам вал соединяется со сцеплением. На шлицах перемещается диск сцепления, а сама ось передаёт свою энергию промежуточному валу, который соединяется с шестерней ведущего.
Ведомый вал механической коробки передач с помощью подшипника внутри первого вала соединяется с ведущим и располагается таким образом, что оси ведомого и ведущего соотносятся между собой. В свою очередь такое строение позволяет им вращаться независимо друг от друга. Шестеренки ведомой оси жестко не зафиксированы по отношению к ведомому валу, а сами шестерни имеют специальные разграничители – синхронизатор-муфту. Такие разграничители, в отличие от блоков шестеренок, крепко прикреплены к ведомому валу. Однако это не мешает им перемещаться по шпицам вдоль оси.
Торцы муфты-синхронизатора имеют форму зубчатых венцов, что позволяет им соприкасаться с венцами на торцах шестеренок ведомого вала. В настоящее время устройство передач оснащается такими синхронизаторами на всех передних передачах.
Разграничители-муфты при нейтральном режиме, который характеризуется плавным вращением шестерен, разымаются. В момент переключения рычага на одну из возможных ступеней при полном выжимании сцепления, вилка в коробке передач направляет муфту-синхронизатор на соприкосновение со своей парой на торце шестеренки. Такое зацепление дает жесткую фиксацию шестерни с валом и, как следствие, передачу усилия и вращения.
При заднеприводном типе авто передача крутящего момента и оборотов на ведущие колеса происходит через карданный вал, а при переднеприводном – с помощью ШРУСов и редуктора. В случае, если отсутствует шестерня, и муфта цепляет напрямую ведомый и ведущий валы, коробка переключения передач дает максимально возможный коэффициент полезного действия. Для задней передачи устройство коробки оснащается шестерней, позволяющей менять направление вращения в обратном порядке.
В последнее время производители механических коробок передач отдают предпочтение шестеренкам с косым зубом. В отличие от прямозубых, такие шестерни производят минимум шума при работе и отличаются большей износостойкостью. Срок годности таких шестерен обусловлен материалом, из которого они изготавливаются: сталь высоколегированная, закаленная током высокой частоты и нормализированная для снятия напряжения.
Коробки передач с конструктивной спецификой
Помимо известных трансмиссий в транспортных средствах также могут применяться и уникальные модификации. Такие типы коробок имеют специфическую конструкцию, а вместе с ней и свой принцип работы.
Безвальная КП
Трансмиссии, в которых не используются валы с набранным комплектом шестерен, называются безвальными. В своей конструкции они имеют несколько рядов шестерен, расположенных в двух параллельных осях. Соединение шестерен осуществляется благодаря блокировке муфт.
Шестерни расположены на двух валах. Две из них закреплены намертво: на ведущем она установлена в первом ряду, а на ведомом – в последнем. Промежуточные шестерни, расположенные на них, могут играть роль ведущей или же ведомой в зависимости от сформированного передаточного числа.
Такая модификация позволяет увеличить передаточное отношение в обоих направлениях. Еще одно достоинство подобной трансмиссии – увеличенный силовой диапазон коробки. Одним из самых серьезных недостатков является обязательное наличие вспомогательной автоматической системы, с помощью которой осуществляется переключение скоростей.
Несинхронизированная КП
К еще одной разновидности специфических коробок относится несинхронизированная или та, в конструкции которой не предусмотрено наличие синхронизаторов. Это может быть тип с постоянным зацеплением шестерен или со скользящими шестернями.
Чтобы переключить передачу в такой коробке, водитель должен обладать определенным навыком. Он должен уметь самостоятельно синхронизировать вращение шестерен и муфт, определяя время перехода от передачи к передаче, а также выравнивая скорость вращения коленвала акселератором. Профессионалы называют эту процедуру перегазовкой или двойным выжимом сцепления.
Для выполнения плавного переключения водитель должен иметь опыт в управлении такими механизмами. Подобный тип трансмиссии устанавливается в американских тягачах, мотоциклах, иногда в тракторах и спортивных автомобилях. В современных несинхронизированных трансмиссиях можно не использовать сцепление.
Кулачковая КП
Кулачковые коробки это разновидность несинхронизированной модели. Отличием является форма зацепляемых зубьев. Для повышения кпд коробки передач используется прямоугольная форма или кулачковый профиль зубьев.
Такие коробки очень шумные, поэтому в легковом транспорте используются в основном на гоночных авто. Во время соревнований на этот фактор не обращается внимание, но в обычном автомобиле такая трансмиссия не даст возможности получить наслаждение от поездки.
Секвентальная КП
Под секвентальной коробкой подразумевается тип трансмиссии, в котором переход на пониженную или повышенную передачу осуществляется исключительно на одну ступень. Для этого используется ручка или ножной переключатель (на мотоциклах), который позволяет переместить шестерню в корзине исключительно на одну позицию за одно нажатие.
Похожий принцип работы имеет автоматическая коробка типа Типтроник, но она лишь имитирует действие данной трансмиссии. Классическая секвентальная коробка устанавливается в болидах F-1. Переключение скорости в них осуществляется при помощи подрулевых лепестков.
Преселективная КП
В классическом исполнении преселективная КП требовала предварительного выбора следующей передачи до того, как коробка на нее переключится. Часто это выглядело так. Во время движения авто водитель выставлял на селекторе следующую передачу. Механизм подготавливался к переключению, но выполнял это по команде, например, после нажатия на сцепление.
