Устройство и работа механической коробки передач

То, что любому автомобилю необходима коробка передач не вызывает сомнений ни у кого. Ее необходимость обусловлена физическими свойствами двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, у любого двигателя есть так называемая красная зона – максимум оборотов, за которые нельзя заходить без последствий для двигателя. Во-вторых, у любого двигателя диапазон оборотов, где мощность и крутящий момент на максимальном уровне достаточно узок. Например, двигатель может производить максимальную мощность при 5,500 об/мин. Трансмиссия позволяет менять передаточные числа между двигателем и ведущими колесами при ускорении и замедлении автомобиля. Наиболее оптимальным режимом будет естественно тот, при котором Вы, переключая передачи, добиваетесь того, чтобы двигатель находился в районе диапазона оборотов своей эффективной работы.

В идеале трансмиссия должна быть настолько гибкой в подборе передаточных чисел, что двигатель постоянно находится на определенных оптимальных с точки зрения тяги оборотах.

Эта идея лежит в основе постоянно изменяющейся трансмиссии (CVT) или вариатора рис. 1 (об этом мы с Вами уже говорили: /instructions/70-materials/109-variators.html).

Ну а теперь непосредственно о механической трансмиссии.

Трансмиссия соединяется с двигателем через сцепление. Входной вал трансмиссии вращается со скоростью вращения двигателя. Любая коробка передач реализует в себе столько передаточных чисел, для того, чтобы изменить скорость выходного вала, сколько передач она имеет. В частности пример типичных передаточных чисел для 5-ти ступенчатой МКПП приведен в таблице:

Передача	Передаточное число	Обороты выходного вала при вращении входного 3,000 об/мин
1-я	2.315:1	1,295
2-я	1.568:1	1,913
3-я	1.195:1	2,510
4-я	1.000:1	3,000
5-я	0.915:1	3,278

Для того, чтобы понять принцип работы МКПП, рассмотрим диаграмму, демонстрирующую работу простейшей 2-скоростной коробки передач (рис.2).

Вал зеленого цвета (он называется первичным) соединяется с двигателем через сцепление. Напомним, что сцепление – это устройство, которое позволяет соединять и отсоединять двигатель от трансмиссии. Таким образом, при включенном сцеплении первичный вал и шестерня вращаются со скоростью вращения двигателя.

Вал с шестернями красного цвета называется промежуточным валом. Он также выполнен единым целым, то есть все шестерни и вал вращаются совместно. Первичный и промежуточный валы напрямую соединены друг с другом, то есть при вращении первичного вала всегда вращается и вторичный. Таким образом, промежуточный вал всегда получает крутящий момент от двигателя при включенном сцеплении.

Вал желтого цвета (выходной вал) – это вал с пазами, который напрямую соединяется с карданным валом (приводными валами), а далее через дифференциалы с колесами автомобиля. Таким образом, если колеса крутятся, то выходной вал также вращается.

Пазы в выходном валу служат для фиксации шестерни определенной передачи (они обозначены на рисунке синим цветом) и передачи через это соединение крутящего момента от двигателя к ведущим колесам. Данные шестерни покоятся на подшипниках, поэтому они могут свободно вращаться вокруг выходного вала МКПП в случае, если не включена ни одна передача. Таким образом, если двигатель выключен (или двигатель включен, но ни одна из передач не включена), а машина едет свободным ходом, то выходной вал может вращаться внутри шестерен соответствующих передач в то время, когда сами эти шестерни и промежуточный вал остаются без движения.

Для соединения выбранной шестерни передачи с выходным валом предназначены так называемые муфты. Муфта соединяется через шлицы напрямую с выходным валом и вращается вместе с ним. Сама муфта может скользить влево и вправо вдоль вала. Это необходимо для того, чтобы вводить в зацепление с выходным валом (включать) одну из шестерен. Муфта при этом сама входит в зацепление с ведомой шестерней

Включение и работа на выбранной передаче

Для включения первой передачи муфта включает шестерню справа (рис.3):

На этом рисунке первичный вал от двигателя проворачивает промежуточный вал, который вращает включенную шестерню выбранной передачи. Эта шестерня передает энергию вращения двигателя через муфту к ведущему валу. Одновременно с этим шестерня второй передачи (слева) вращается свободно на подшипнике без зацепления с выходным валом.

Когда муфта находится между двумя шестернями (см. рис.2), трансмиссия работает на нейтральной передаче.

Для включения второй передачи необходимо вывести муфту из зацепления с правой шестерней и ввести в зацепление с левой.

Вы, наверное, понимаете, что ввести в зацепление две вращающиеся с разными скоростями детали достаточно сложно. К тому же в рассмотренной выше трансмиссии нет достаточно важных элементов МКПП – синхронизаторов. Поэтому при использовании такой трансмиссии Вам приходилось бы дважды выжимать сцепление. Первое нажатие на педаль сцепления (выключение) позволяет нам отсоединить двигатель от трансмиссии, ослабить (снять) давление со шлицев муфты, вывести муфту из зацепления и перевести ее в нейтральное положение. Двигатель при этом уменьшает обороты, и при отпуская педаль сцепления Вы тем самым снижаете и скорость вращения ведущего и промежуточного валов коробки передач (выравниваете скорости на уровне включаемой передачи). В этом случае очередная шестерня (шестерня следующей передачи) и муфта вращаются с одинаковой скоростью, и мы можем ввести в зацепление с шестерней шлицы муфты. После этого мы снова выключаем сцепление и перемещаем муфту до зацепления с шестерней следующей передачи. Сложно? Медленно? Тем не менее всего лишь лет 30 назад это широко использовалось.

Механические трансмиссии современных автомобилей используют синхронизаторы для того, чтобы не выжимать сцепление дважды при каждом переключении передачи. Задача синхронизатора – обеспечить между муфтой и шестерней передачи фрикционный контакт до того, как шлицы начнут входить в зацепление. Это позволяет муфте и шестерне передачи синхронизировать их скорости перед зацеплением. Процесс зацепления показан на рисунке 4.

Конусный выступ синей шестерни входит в конусное углубление в муфте. В результате трение между муфтой и конусом шестерни синхронизуют их скорости. Внешняя часть муфты затем легко входит в шлицы шестерни передачи.

Представленная ниже анимация показывает работу реальной 4-ступенчатой механической коробки передач с передачей заднего хода. Для просмотра активируйте этот элемент и выбирайте мышкой требуемую Вам передачу. Ну а дальше всё увидите сами

5-ступенчатая механика довольно распространена в сегодняшних машинах. Внутри она выглядит следующим образом (рис.5):

Три вилки управляются тремя стержнями, которые приводятся в движение рычагом КПП. Посмотрим на вид стержня КПП сверху (рис.6):

Обратите внимание, что стержень КПП вращается относительно своей средней точки. Когда Вы толкаете рычаг КПП вперед для включения 1-й передачи, на самом деле стержень и вилка КПП перемещаются назад.

Вы видите, что перемещение ручки КПП влево или вправо задействует разные вилки (и, соответственно, разные муфты). Движение ручки КПП вперед или назад зацепляет одну муфту с одной из двух шестерней передач.

Задняя передача реализуется за счет маленькой холостой шестеренки (фиолетового цвета) (рис.7). Все время синяя шестерня задней передачи вращается в направлении, противоположном всем другим синим шестерням. Именно поэтому невозможно перевести трансмиссию в положение задней передачи в то время, как машина движется вперед – шлицы никогда не состыкуются. Однако, шум Вам будет обеспечен!