Рассмотрим, как устроена коробка передач, так же поподробнее узнаем про принцип ее работы. Двигатель самых первых машин напрямую соединялся с ведущими колесами, что упрощало уход за машиной и управление, но мощность оставляла желать лучшего. Современные же автомобили позволяют передавать энергию двигателя ведущим колесам через трансмиссию, что производится путем преобразования постоянного вращения вала двигателя коробкой передач, и водитель имеет возможность в зависимости от выбранной им скорости замедлять или ускорять движение автомобиля.
Кроме того, коробка передач позволяет изменять величину тягового усилия, которое передается к ведущим колесам машины, изменять направление их вращения и пускать двигатель неподвижного автомобиля при включенном сцеплении. Посмотреть как устроено сцепление автомобиля вы сможете на нашем сайте .
Но основное ее предназначение состоит в изменении крутящегося момента, передаваемого от коленчатого вала двигателя к ведущим колесам по величине и направлению путем зацепления шестерен различного диаметра, а также длительного отключения двигателя от трансмиссии. Проще говоря, коробка передач позволяет сочетать оптимальное число оборотов двигателя с разной скоростью движения. Число ступеней зависит от числа пар шестерен, вводимых в зацепление в определенных сочетаниях.
Количество передач напрямую связано со способностью машины приспосабливаться к различным условиям и преодолевать препятствия. Состав коробки передач включает набор зубчатых колес (шестерен), зацепляющихся между собой в различных сочетаниях и образующих тем самым несколько передач, а расположены шестерни и валы коробки передач внутри картера, из которого выходят два связанных между собой вала - ведомый и ведущий. На ведомом вале установлены шестерни, перемещающиеся по нему в результате перестановки рычага переключения передач водителем.
Основная часть современных автомобилей оснащена двухвальной трехходовой пятиступенчатой коробкой передач с шестернями постоянного зацепления. В картере коробки передач на подшипниках устанавливают первичный и вторичный валы с шестернями и синхронизаторами. Здесь же находится ось с промежуточной шестерней заднего хода. Шестерни передач переднего хода пребывают в постоянном зацеплении.
Одну из шестерен каждой передачи переднего хода устанавливают на валу на подшипниках, и крутящийся момент при включении передач передается через синхронизаторы, расположенные на валу на шлицах. Когда включены передачи переднего хода, первичный и вторичный валы вращаются в противоположных направлениях, а при включении передачи заднего хода они вращаются в одну сторону. Шестерни заднего хода (ведущая и ведомая) соединяются через промежуточную шестерню.
Она установлена на оси на подшипнике и вводится в зацепление при включении передачи заднего хода. В результате этих процессов промежуточная шестерня обеспечивает изменение направления вращения вторичного вала.
Водитель переключает передачи специальным механизмом, установленным на картере коробки передач. Включение передач он производит рычагом, перемещающим синхронизатор выбранной им передачи к соответствующей шестерне при помощи вилок. Так обеспечивается передача крутящегося момента от шестерни через синхронизатор на вторичный вал коробки передач.
Включение первой передачи происходит в результате перемещения коробки передач синхронизатора вправо по шлицам вторичного вала с помощью вилки и соединения его с ведомой шестерней первой передачи, которая установлена на валу, на подшипнике. Крутящийся момент от первичного вала передается через установленную на нем ведущую шестерню на ведомую шестерню первой передачи и дальше на вторичный вал коробки передач через синхронизатор. На первой передаче скорость автомобиля снижается, но возрастает крутящийся момент.
Вторая передача оказывается включенной, когда при помощи вилки синхронизатор перемещается влево и соединяется с ведомой шестерней второй передачи. Крутящийся момент от первичного вала на вторичный передается через ведущую и ведомую шестерни второй передачи и синхронизатор. При включении данной передачи скорость машины увеличивается, а крутящийся момент, напротив, замедляется.
Третья и четвертая передачи включаются одновременно с помощью вилки при перемещении синхронизатора по шлицам вторичного вала в противоположных направлениях, в результате чего он соединяется с ведомой шестерней третьей или четвертой передачи. Крутящийся момент от первичного вала на вторичный передается через шестерни третьей или четвертой передач. В результате включения этих скоростей скорость автомобиля значительно возрастает, а крутящийся момент не меняется.
Устройство коробки передач так же наглядно можно посмотреть на следующем видео .
Автомобилю необходима коробка передач, из-за физических свойств двигателя внутреннего сгорания. У двигателя есть определенный максимум оборотов, за которые заходить нельзя. К тому же у двигателя есть диапазон оборотов, достаточно узкий, где крутящий момент и мощность на максимальном уровне.
Коробка передач работает таким образом, что позволяет менять передаточные числа между двигателем и ведущими колесами при ускорении или замедлении машины. При переключении передач двигатель должен находиться в районе диапазона оборотов своей эффективной работы.
Устройство коробки передач, если это , таково, что соединяется с двигателем через . Входной вал трансмиссии вращается со скоростью вращения двигателя. Устройство коробки передач имеет в себе столько передаточных чисел для того, чтобы изменить скорость выходного вала. Первичный вал соединяется с двигателем через сцепление – устройство, позволяющее соединять и отсоединять двигатель от трансмиссии. Первичный вал и шестерня вращаются со скоростью вращения двигателя при работающем сцеплении.
Промежуточный вал совместно вращает все шестерни. Первичный и промежуточный валы соединены между собой и вращаются совместно. Следующий вал именуется выходным и напрямую соединяется с карданным валом, а затем через дифференциалы с колесами автомобиля. Выходной вал вращается при вращении колес. Пазы в выходном валу предназначены для фиксации шестерни определенной передачи, и далее соединяются от двигателя к ведущим колесам.
И если выключен и машина едет свободным ходом, то выходной вал вращается внутри шестерен соответствующих передач, когда шестерни находятся без движения, потому как они держатся на подшипниках и могут свободно вращаться вокруг выходного вала, даже если не включена ни одна передача.
Коробка изготовлена таким образом, что для соединения шестерни передачи с выходным валом созданы муфты, которые соединяются через шлицы напрямую с выходным валом и вращаются с ним вместе. Муфта способна скользить по сторонам вдоль вала для того, чтобы вводить зацепление с выходным валом – включая одну из шестерен. Муфта входит в зацепление с ведомой шестерней.
Промежуточный вал поворачивает первичный вал от двигателя и промежуточный вал вращает включенную шестерню выбранной передачи. Затем энергия вращения передается через муфту к ведущему валу и вместе с этим шестерня второй передачи вращается свободно на подшипнике без зацепления с выходным валом.
19 апреля 2017Чтобы сдвинуть автомобиль с места и разогнать его, нужно мощность двигателя (крутящий момент) преобразовать и передать на ведущие колеса. Но как это реализовать, когда мотор уже работает на холостом ходу и его коленчатый вал вращается, а машина стоит на месте? Задачу способен решить простейший трансмиссионный агрегат из ныне существующих – механическая коробка передач (МКПП).
Помимо нее, в современных авто используются автоматические и вариативные виды трансмиссии, но это более сложные и дорогие устройства.
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:
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.
Понять принцип работы узла сцепления поможет такой пример: представьте вращающийся металлический стержень с диском на конце, символизирующий коленвал с маховиком. Если к плоскости диска подвести другой диск, то после соприкосновения он тоже станет крутиться. Так в общих чертах и действует автомобильное сцепление, только второй диск насажен на вал, идущий дальше, к шестеренчатой передаче.
Система действует за счет силы трения, поэтому соприкасающиеся поверхности имеют специальное антифрикционное покрытие . Диск сцепления в механической трансмиссии двигается рычагом в виде вилки. Механически рычаг не связан с педалью сцепления, он перемещается гидроцилиндром. Нажатие на педаль сжимает жидкость в этом цилиндре, поршень выдвигается и перемещает рычаг.
Алгоритм работы сцепления при движении с места следующий:
Разрывать механическую связь с помощью сцепления нужно и дальше, при переходе на другую скорость. Чтобы разобраться в данном процессе, нужно понять, как работает сама коробка скоростей.
Агрегат состоит из таких основных элементов:
С помощью рукоятки водитель меняет пары шестерен, входящие в зацепление с приводами от двигателя и колес. Шестерни подобраны таким образом, чтобы обеспечить нужный крутящий момент на колесном приводе при разных режимах движения . На первых ступенях выходного вала задействованы шестеренки большего диаметра, чтобы главная передача вращалась медленнее, но с большим усилием. На III, IV и V скорости размер шестерен уменьшается и в итоге при движении на высокой скорости число оборотов привода и коленвала совпадает.
Зубья шестерней выполнены под углом с целью снижения шума трансмиссии. Чтобы при вхождении в зацепление на ходу зубья не переломались и не возникло удара, синхронизатор уравнивает скорости вращения соседних шестеренок. Это происходит в момент, когда водитель выжимает сцепление и переводит рукоять на другую позицию.
Механическая КПП является наиболее простой и надежной трансмиссией, устанавливаемой на автомобили с различной грузоподъемностью. Чем она отличается от автоматической и вариативной, – так это низкой стоимостью при высокой ремонтопригодности, а это влияет и на общую цену авто. Неудобство одно: водителю нужно постоянно манипулировать педалями акселератора и сцепления, чтобы своевременно переключаться на другую скорость при изменении режима движения.
На пути перехода от экипажей на конной тяге к автомобилю с двигателем внутреннего сгорания конструкторы сталкивались со множеством проблем, которые требовали решения. Одной из них стала необходимость совместить диапазоны оборотов мотора и колес. Интервал рабочих оборотов двигателя от 800 до примерно 8000 об/мин. Частота вращения колес до 1500 об/мин. Без введения промежуточного звена такую задачу не решить. В результате работы над решением вопроса совместимости частоты вращения появилась механическая КПП (коробка перемены передач). В России ее впервые применил И.П. Кулибин на своей «самокатной тележке» в конце XVIII в. Несмотря на появление впоследствии более удобных автоматических КПП, механическая коробка передач используется в автомобилях и поныне.
Коробки передач подразделяются виды: ступенчатые и бесступенчатые. Механическая относится к первому виду. По сравнению с остальными старая добрая «механика» обладает рядом достоинств:
Благодаря этим качествам механическая КПП остается до сих пор в строю. К недостаткам можно отнести:
Механизм сцепления обязательно входит в устройство всех МКПП. Служит он для прерывания потока мощности от двигателя к коробке передач. Это необходимо сделать для того, чтобы скорости вращения шестерен можно было уравнять при переключении.
В большинстве автомобилей используется сухое однодисковое фрикционное сцепление. Его составные части:
Принцип работы сцепления: в обычном состоянии оно замкнуто, ведущий и ведомый диски плотно прилегают друг к другу. Размыкает его водитель, нажимая соответствующую педаль. Далее посредством гидравлического или тросового привода воздействие передается на вилку выключения сцепления, которая через выжимной подшипник отодвигает ведомый диск от ведущего, и двигатель с МКПП оказываются разобщенными.
Величина крутящего момента, передаваемого от двигателя приводному валу, должна соответствовать условиям движения. Для ее изменения и служит механическая коробка передач, внутри корпуса которой находятся валы с шестернями. Принцип работы коробки передач прост: изменение величины передаваемого крутящего момента происходит ступенчато посредством перемены пар шестерен, находящихся в зацеплении.
Механическая коробка передач состоит из следующих частей:
Устройство агрегатов для переднеприводных и заднеприводных машин различно. Это связано с расположением двигателя. Мотор в переднеприводных автомобилях расположен поперек продольной оси. Такое положение требует от КПП компактности. Достигается это использованием конструкции с двумя валами. Задне- и полноприводные автомобили имеют продольно расположенный силовой агрегат, что позволяет использовать в конструкции коробки три вала.
Шестерни, расположенные на валах механической КПП, имеют разный диаметр и число зубьев. За счет этого меняется передаваемый крутящий момент. Если диаметр и число зубьев ведущей шестерни меньше, чем у ведомой, то момент увеличивается, если наоборот - то уменьшается. Соотношение количества зубьев ведомой и ведущей шестерни называется передаточным числом. Чем оно больше, тем с меньшей скоростью вращается ведомая шестерня. В трехвальных МКПП одна из передач имеет соотношение 1:1. В этом случае момент, передаваемый от двигателя, не изменяется. Как правило, такое передаточное число соответствует четвертой передаче.
Для получения заднего хода в зацепление входят три шестерни. Нечетное количество шестерен заставляет вторичный вал изменить направление вращение на противоположное.
Современные МКПП легкового автомобиля могут иметь от четырех до семи передач. В коробках грузовых автомобилей применяются дополнительные устройства: делители и демультипликаторы, которые позволяют добиться количества передач, выражаемого двузначными числами.
Для того, чтобы водитель мог включить необходимую передачу, необходимо временно разъединить двигатель и первичный вал МКПП. В коробках с механическим управлением для этой цели служит сцепление. В автомобилях используют дисковые сцепления, использующие силу трения между рабочими поверхностями двух дисков - ведущего и ведомого.
Выжимая педаль сцепления, водитель разобщает двигатель и коробку, получая возможность с помощью управляющего рычага поменять пары шестерен, находящиеся в зацеплении. Но валы коробки, даже и отсоединенной от двигателя с помощью сцепления, продолжают вращаться. Скорость вращения при этом у них разная. Поэтому зубья шестерен, входящих в зацепление, не совмещены между собой и с силой соударяются друг об друга. Нагрузка, возникающая при этом, весьма велика и сокращает срок службы деталей. Чтобы снизить отрицательный эффект соударения, конструкторы ввели в устройство механической КПП синхронизаторы.
Синхронизатор представляет собой муфту с внутренними зубьями и конусными зубчатыми кольцами. Шестерни синхронизированной коробки передач имеют конические поверхности, соответствующие поверхностям колец. Принцип работы: выравнивание скоростей вращения происходит за счет сил трения, возникающих между шестернями и кольцами муфты синхронизатора.
Для в механической КПП водитель должен проделать следующую последовательность действий:
Схема расположения передач для удобства наносится на рукоятку рычага переключения коробки. Каждая передача имеет свой номер, от единицы и далее. Чем он больше, тем меньше передаточное число. Начиная с пятой передаточные числа меньше единицы. Такие передачи называют повышающими, так как ведомая шестерня в этом случае вращается быстрее ведущей. Их используют для движения с высокой скоростью, позволяя двигателю работать с меньшей нагрузкой. Передача заднего хода маркируется латинской буквой R.
Опытному водителю схема переключения не нужна. Достаточно один раз ее запомнить, и сверяться с ней уже нет необходимости. Гораздо сложнее научиться переключать передачи без рывков и пробуксовки сцепления. Навык плавного переключения передач требует длительной тренировки, и не всем дается сразу. Поэтому конструкторы искали и продолжают искать способы упростить водителю процесс управления классической «механикой».
На помощь в нелегком деле совершенствования конструкции механической коробки передач пришла электроника. С ее помощью реализовали управление переключением передач без участия водителя. Такие КПП называют роботизированными. Оставаясь конструктивно механическими, и имея в своем устройстве такую часть, как фрикционное сцепление, процесс выжима и переключения они берут на себя.
Такое устройство позволяет сохранить относительную простоту самой коробки и приблизиться к комфорту управления автоматических трансмиссий. Но избавившись от ряда недостатков МКПП, новые агрегаты приобрели собственные, присущие только им.
Поскольку механизм сцепления никуда не делся, возникла проблема: при трогании на подъеме машина откатывается назад. Связано это с тем, что при размыкании ведомого и ведущего дисков автомобиль ничто не удерживает - водитель в этот момент переносит ногу с педали тормоза на акселератор. Решают возникшее затруднение двумя путями - внося коррективы в алгоритм управления, заставляя автомобиль сбрасывать давление в тормозной системе с задержкой, или вводя в конструкцию второе сцепление. Тогда при переключении одно из них остается замкнутым.
В итоге автопроизводители продолжают использовать механическую коробку передач в конструкции своих машин. Благодаря сочетанию простоты и невысокой стоимости ей практически нет альтернативы в сегменте доступных по цене авто. Уважают ее и любители спортивной езды за возможность быстрого переключения, надежность и неприхотливость. Несмотря на почтенный возраст конструкции, принцип действия которой за долгое существование практически не изменился, старая добрая «механика» остается самым распространенным вариантом трансмиссии в автостроении.
Механическая коробка передач уже не является наиболее распространенным типом КПП из применяемых на автомобилях сегодня. Однако она все еще остается достаточно востребованной благодаря своей надежности, простоте конструкции и ремонтопригодности. МКПП получила свое название от «ручного» (или механического) способа переключения передач. Трансмиссия относится к ступенчатым коробкам, в которых крутящий момент изменяется ступенями (передачами). Механическая КПП считается самой надежной, но и самой сложной в управлении, особенно для начинающего водителя.
Принцип работы механической КПП следующий: крутящий момент от двигателя через сцепление передается на первичный вал коробки передач, далее преобразуется при помощи пар взаимодействующих между собой шестерен и затем передается на колеса. Каждая пара шестерен (ступень) имеет определенное передаточное число, которое преобразует скорость вращения и крутящий момент коленвала двигателя. Причем если передача увеличивает крутящий момент, то скорость вращения уменьшается и наоборот. В первом случае передача будет называться понижающей, а во втором — повышающая.
Передаточное число определяется отношением количества зубьев у выходной и входной шестерен в паре. В свою очередь, количество зубьев напрямую зависит от размера самой шестерни: чем больше зубьев — тем больше диаметр шестерни. Например, у первой передачи самое большое передаточное число, и, следовательно, входная шестерня (на первичном валу) имеет минимальный размер, а выходная — максимальный. Переключение скоростей в механической КПП происходит только при нажатии на педаль сцепления, поскольку необходимо прервать поток мощности, передающийся от двигателя.
Движение автомобиля, оснащенного МКПП, всегда начинается с первой передачи. Исключение составляют тяжелые грузовики — там это можно делать со второй передачи. Для этого необходимо вручную перевести селектор рычага в соответствующее положение. Переход на повышенные передачи осуществляется последовательным переключением передач друг за другом. Сам момент переключения скорости зависит от показаний спидометра и тахометра, поскольку каждая передача рассчитана на работу в определенном диапазоне оборотов двигателя.
По количеству ступеней механическая коробка передач в основном подразделяется на:
Наиболее распространенной механикой считается трансмиссия 5МТ, т.е. пятиступенчатая коробка передач.
В зависимости от количества валов различают следующие виды КПП:
Устройство механической КПП Конструктивно механическая коробка передач состоит из следующих элементов:
При этом устройство и принцип работы двухвальной и трехвальной трансмиссии отличаются друг от друга.
Схема двухвальной МКПП Этот тип коробки является наиболее распространенным. Крутящий момент от двигателя через муфту сцепления передается на первичный вал. В зависимости от конструкции конкретной коробки передач часть шестерней на первичном и вторичном валах жестко закреплены на них, а часть свободно вращаются. Также на каждом валу расположен минимум один синхронизатор. Шестерни первичного и вторичного валов находятся в постоянном зацеплении друг с другом. Понять, какие из них зафиксированы, а какие вращаются, очень просто: шестерни возле синхронизаторов всегда вращаются на валу.
Шестерня главной передачи жестко закреплена на ведомом валу. Крутящий момент от вторичного вала к колесам транспортного средства передают главная передача и дифференциал. Последний обеспечивает вращение колес с разной угловой скоростью.
Механизм выбора передач в двухвальной КПП расположен в корпусе коробки и состоит из вилок и штоков, перемещающих муфты синхронизаторов. Механизм оснащен защитой от одновременного включения двух передач.
Принцип работы двухвальной трансмиссии следующий:
Для движения задним ходом используется дополнительный вал с промежуточной шестерней заднего хода.
Схемы передачи крутящего момента на каждой из передач:
Нейтральное положение
1-я передача
2-я передача
3-я передача
4-я передача
5-я передача
Отличие трехвальной механики от двухвальной в том, что здесь используются три вида валов. Помимо ведомого и ведущего также применяется промежуточный вал.
Первичный вал, соединенный со сцеплением, передает крутящий момент на промежуточный. Передача происходит через соответствующую шестерню — таким образом, валы находятся в постоянном зацеплении.
Устройство трехвальной МКПП Промежуточный вал расположен параллельно первичному, все шестерни на нем жестко зафиксированы.
На одной оси с первичным расположен вторичный вал. За это отвечает упорный подшипник на ведущем валу, в который входит вторичный вал. При этом шестерни ведомого вала могут свободно вращаться и не имеют жесткой фиксации с валом. Шестерни вторичного вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями промежуточного вала. Следовательно, в нейтральном положении КПП крутящий момент от первичного вала передается на промежуточный и далее на шестерни вторичного вала. Но поскольку они свободно вращаются на валу, автомобиль не двигается.
Между шестернями вторичного вала находятся синхронизаторы, работа которых заключается в выравнивании угловых скоростей шестерен вторичного вала с угловой скоростью самого вала за счет сил трения.
Синхронизаторы жестко закреплены на вале и за счет шлицевого соединения могут двигаться по нему в осевом направлении.
В отличие от двухвальной КПП, механизм переключения в трехвальной трансмиссии располагается на корпусе коробки и состоит из рычага управления и штоков с вилками. Механизм также оснащен блокирующим устройством для предотвращения одновременного включения двух передач.
Он может также иметь и дистанционное управление. При этом дистанционный механизм переключения обеспечивает кулиса или шарнирные тросы.
Принцип включения передач в трехвальной КПП аналогичен принципу работы двухвальной трансмиссии.
Синхронизатор служит для безударного включения передач за счет выравнивания угловых скоростей вала и шестерни. Конструктивно синхронизатор состоит из муфты, двух блокировочных колец, трех сухарей и двух проволочных колец.
В процессе включения передачи вилка передвигает муфту к нужной шестерне, куда вначале перемещается блокировочное кольцо. Возникающая сила трения за счет разности угловых скоростей элементов поворачивает блокировочное кольцо до упора. Дальнейшее движение муфты синхронизатора и зацепление происходит только после выравнивания угловых скоростей. Более подробно почитать про синхронизатор можно в нашей статье .
Для наглядности положительные и отрицательные стороны механической коробки передач представим в виде сравнительной таблицы.
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Стоимость и масса коробки ниже в сравнении с другими типами КПП | Меньший уровень комфорта для водителя в сравнении с другими КПП |
| Высокие динамика разгона, топливная экономичность и КПД | Утомляющий для водителя процесс переключения передач |
| Высокая надежность за счет простоты конструкции | Необходимость периодической замены сцепления |
