Потребность в наличии коробки передач (КПП) вызвана фактом: любой современный двигатель имеет относительно неширокий диапазон оборотов коленвала, в котором и крутящий момент, и мощность имеют свои максимальные значения при заданной величине расхода топлива. Помимо того, любой двигатель нельзя раскручивать беспредельно – для любого мотора существует некая «красная зона», то есть такая частота вращения коленвала, которую превышать просто недопустимо, иначе не избежать серьезных поломок.
Что это — коробка передач?
Коробкой передач принято называть механизм, главным предназначением которого является передача движения вращательного характера с коленвала двигателя на кардан или передние полуоси (в задне- или переднеприводных моделях соответственно), тем самым управляя этим автомобилем посредством изменения таких параметров, как скорость вращения и крутящий момент, а также направление движения (вперед или назад).
Естественно, никакая коробка не способна увеличить мощность мотора, но зато она способна изменять то, что есть, для наилучшего его согласования с реальными условиями эксплуатации, изменяя для этого передаточное число между своими входом и выходом так, чтобы обеспечивались наивыгоднейшие топливо-экономические и тягово-скоростные свойства. Кроме того, к «обязанностям» коробки передач относится реализация холостого режима работы мотора и способности автомашины передвигаться задним ходом.
Как правильно управлять МКППНеобходимость применения коробок передач обусловлена различием угловых скоростей коленвала и ведущих колес, которое не позволяет осуществлять привод ведущих колес непосредственно от коленвала. Так, коленвал современного двигателя имеет, как правило, угловую скорость в диапазоне между 500 и 9000 об/мин, а угловая скорость ведущих колес может находиться в диапазоне между 0 и 1800 об/мин.
Из этого следует, что совместить одно с другим по этому параметру, не применяя коробку передач, никак не получится. Наконец, современные ДВС имеют довольно узкий диапазон, в котором они обладают выгодными характеристиками по крутящему моменту – от 3000 до 7000 об/мин, «привязать» который к реальным условиям эксплуатации никак не получается, если пытаться обойтись без устройств типа КПП.
Как обойти эти проблемы?
Проще всего — изменяя такие параметры, как частота вращения ведомой шестерни и крутящий момент на ее валу при помощи специально подобранных шестерен. Теперь, начиная движение, выбор первой передачи будет означать, что мы выбрали пару шестерен с тем значением передаточного числа, которое соответствует включенной первой передаче. Поскольку обычно передаточные числа уменьшаются с ростом номера передачи, то в данном случае будем иметь наибольшее значение передаточного числа, наименьшую частоту вращения ведущих колес, но зато максимально возможное значение крутящего момента.
В течение дальнейшего разгона одна за другой включаются следующие передачи, благодаря чему повышается частота вращения колес, но падает крутящий момент. Даже это краткое описание показывает — коробка передач выполняет важные функции, без которых ни о какой езде не было бы никакого разговора. Итак, коробка передач, по существу, является многоступенчатым редуктором, с помощью которого обеспечивается возможность преобразования вращательного движения коленвала в поступательное движение автомобиля.
Передаточное число – что за зверь?
Этим понятием обозначается отношение скоростей вращения двух взаимодействующих шестерен. Иначе говоря, отношение между количествами зубьев у ведущей и у ведомой шестерен – это и есть передаточное число. Различные передачи, естественно, требуют разных передаточных чисел — максимальное передаточное число применяется на самой низкой передаче (1-й), а минимальное — на высшей. «Прямая» передача соответствует передаточному числу, равному 1. При подборе передаточных чисел их стремятся выбрать такими, чтоб они не были целыми.
Можно привести такой пример: имеем две связанные друг с другом шестерни, на каждой из которых ставим маркером по отметке – друг против друга. Если данная пара шестерен имеет передаточное число, равное, к примеру, двум, то это означает, что ровно через два оборота от начала вращения нанесенные на шестерни метки опять совпадут. И каждые два оборота эта картина будет повторяться – совпадать будет одна и та же пара зубьев, то есть именно эта пара нагружена больше других, и по этой причине гораздо быстрее сломается или износится. По этой причине подбор передаточных чисел – довольно ответственная операция, а их значения выбираются дробными.
Устройство механической коробки
Схема трёхвальной коробки передач заднего привода автомобиля
Устройство механической коробки передач трехвального исполнения (об отличиях двухвального исполнения упомянем далее) предусматривает размещение в картере коробки трех валов — первичного, вторичного и промежуточного. Первичный вал (или ведущий) благодаря механизму сцепления может сочленяться с маховиком и вращаться вместе с ним. Вторичный вал (или ведомый) имеет постоянное соединение с карданным валом. Вращение первичного вала с помощью вала промежуточного может передаваться вторичному.
Расположены первичный и вторичный валы последовательно, а опорой вторичного вала является подшипник, запрессованный в хвостовик первичного вала. Таким образом, жесткой связи между собой два этих вала не имеют, а их вращение происходит независимо. Промежуточный вал смонтирован параллельно названным валам.
На всех валах установлены шестерни. Первичный вал несет на себе ведущую шестерню, вращающую промежуточный вал. Последний несет на себе блок шестерен, жестко с ним соединенный и часто выполняемый с ним как единое целое. Вторичный вал несет на себе ведомые шестерни – эти шестерни имеют возможность перемещения по шлицам вдоль вала.
На последнем валу располагаются также муфты, включающие те или иные передачи. В зависимости от числа муфт коробки передач бывают двухходовые, трёхходовые и т.д. Современная четырёхходовая коробка, например, может иметь 6 или 7 прямых передач плюс задний ход.
В ручной коробке переход от одной передачи к другой осуществляет водитель с помощью специального рычага, находящегося внутри салона автомашины. Дабы избежать включения двух передач одновременно (чревато поломкой коробки), в ней установлен специальный замок, а во избежание самопроизвольного выключения передач имеется специальный блокирующий механизм.
Принципы функционирования
Допустим, скорость вращения коленвала составляет 1000 об/мин, и благодаря механизму сцепления соответствующий крутящий момент получает первичный вал коробки передач. Если теперь включить первую передачу, то жесткозакрепленная на этом валу шестерня войдет в зацепление с другой шестерней, которая крупнее по размеру и имеет в четыре раза, например, больше зубьев.
Следовательно, вал, на котором установлена вторая шестерня, будет вращаться со скоростью в четыре раза меньше скорости коленвала, то есть 250 об/мин. Скорость вращения уменьшилась в четыре раза согласно соотношению зубьев шестерен, а крутящий момент в такое же число раз увеличится на второй шестерне.
Применение различных передаточных чисел пар шестерен позволяет получать от двигателя и передавать далее на ведущие колеса автомобиля разные крутящие моменты. Иначе говоря, вращение коленвала двигателя в 1000 об/мин можно преобразовать, при выборе соответствующих передач, во вращение ведущих колес автомобиля со скоростью, например, в 333 или 250 об/мин и т.д.
Задняя передача
Реализация возможности передвижения автомобиля задним ходом обеспечивается наличием в коробке передач соответствующего механизма, состоящего из дополнительного вала и установленной на нем шестерни заднего хода. Если выбрать задний ход, то между вторичным и промежуточным валами будет дополнительно включена эта шестерня, благодаря которой вторичный вал коробки передач будет вращаться в противоположную, по сравнению с обычным направлением, сторону за счет нечетного количества сцепленных друг с другом шестерен.
Классификации современных ручных коробок
По числу передач
Все коробки условно делятся на виды в зависимости от количества реализуемых ими ступеней передач. Различают 4-, 5-, 6-, и даже 7-ступенчатые коробки. Увеличение числа передач зиждется на необходимости передавать крутящий момент в наиболее эффективных пределах. Так, если двигатель имеет наибольшее значение крутящего момента на сравнительно невысоких оборотах, то разгонять его до более высоких оборотов нет смысла – развиваемая им мощность будет лишь падать при повышении частоты вращения. В таких ситуациях гораздо более эффективным решением будет применение соответствующей коробки;
По числу валов
Коробки передач бывают 3- и 2-вальными в зависимости от того, сколько валов они содержат. 3-вальными коробками (описаны выше) оборудуются автомашины как с передним, так и с задним приводом, а 2-вальными коробками оборудуются, в основном, переднеприводные легковые автомобили. 2-вальная коробка, как следует из названия, содержит в себе лишь два вала, хотя в целом их расположение и назначение аналогичны 3-вальной коробке. Отличия заключаются в расположении валов относительно друг друга – оно параллельное в 2-вальной коробке. Второе отличие состоит в схеме создания передач – в 3-вальной коробке одна передача реализуется двумя парами шестерен, а в 2-вальной – лишь одной парой. 2-вальные коробки не имеют прямой передачи, зато могут иметь не один, а сразу несколько ведомых валов.
Достоинства механических коробок:
- стоимость и масса «механики» относительно ниже, чем те же параметры у других типов коробок;
- КПД «механики» выше, нежели у коробок других типов;
- благодаря своей высокой надежности, «механика» имеет большой срок службы;
- механическая коробка предоставляет большой выбор стилей езды в различных условиях эксплуатации автомобиля, например, бездорожье, грязь, гололед;
- машину с «механикой» при необходимости можно буксировать куда угодно, не опасаясь неприятных последствий со стороны коробки;
- наличие именно ручной коробки обеспечивает возможность запуска автомобиля с «толкача» и допускает отсоединение трансмиссии от двигателя.
Недостатки механических коробок:
- в условиях длительной езды по городу или в пробках значительно больше утомляет водителя;
нуждается в наличии у водителя определенных навыков управления автомобилем типа плавного перехода между передачами; - сравнительно большое время смены передач, поскольку оно нуждается во временном отключении коробки от двигателя (выключении сцепления);
- относительно небольшой ресурс механизма сцепления.
Новые разработки в мире КПП
Нынешнее разнообразие коробок передач – это не застывший металлосборник, а впитывающий в себя все новое — мир коробок передач. Тем не менее, обычные коробки, появившиеся одновременно с появлением автомобиля, имеют наименьшие темпы развития, а роботизированные – наивысшие, при этом последние перестают быть обычными модернизированными коробками, все далее уходя от них – сказывается полное управление электроникой и приводами, а их проектирование идет уже по своей особой технологии. То есть эти коробки, фактически, все больше удаляются от механики, их породившей.
Это видно и по результатам — лучшие коробки-роботы от Ferrari обеспечивают переключение передач за время не более 60 мс, а коробки передач типа DSG (Volkswagen) способны включать отдельные передачи за 8 мс! Благодаря этому Volkswagen Golf, например, оснащенный 7-ступенчатой коробкой этого типа, примерно на 20% экономичнее, нежели такой же автомобиль, но оборудованный традиционной «механикой».
В последние годы резко улучшились характеристики систем смазки – ныне выпускаемые коробки передач нередко оснащены системой смазки под давлением, а иногда – еще и совместного использования с двигателем. Такое решение дает возможность резко увеличить ресурс работы коробки передач относительно привычной всем системы смазки за счёт присутствующего в картере двигателя масла, а также обеспечить необходимое охлаждение коробки передач благодаря постоянной циркуляции масла. Сегодня существует уже довольно большое число механических коробок, но использующих для своей смазки масло ATF, то есть масло для коробок-автомат.
В заключение стоит сказать, что тенденцией нашего времени является и то, что устройство механической коробки передач все больше усложняется в погоне за динамикой, скоростью, экономичностью… Какой она будет в будущем, трудно сказать, наверное, никто и не скажет.
