Blog › Коробка передач. Виды КПП и принцип действия. Как заставить колеса вращаться: механическая коробка передач

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.

Преимущества и недостатки механической КПП

Коробки передач подразделяются виды: ступенчатые и бесступенчатые. Механическая относится к первому виду. По сравнению с остальными старая добрая «механика» обладает рядом достоинств:

• простота конструкции;
• надежность;
• ремонтопригодность;
• самая маленькая потеря мощности при передаче от двигателя к колесам;
• высокая скорость переключения;
• невысокая стоимость изготовления.

Благодаря этим качествам механическая КПП остается до сих пор в строю. К недостаткам можно отнести:

• необходимость обладания специфическим навыком управления (плавный выжим сцепления);
• высокая утомляемость водителя при большом количестве циклов трогание-остановка.

Сцепление

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.

Принцип действия

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.

Управление

Для в механической КПП водитель должен проделать следующую последовательность действий:

• выжать педаль сцепления;
• перевести рычаг КПП в нейтральное положение;
• не опуская педали перевести рычаг в положение, соответствующее выбранной передаче;
• плавно отпустить педаль сцепления.

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».

Пик развития - роботы

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.

Будущее МКПП

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.

Трансмиссия служит для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса, а также для изменения величины крутящего момента и его направления.
При движении автомобиля коленчатый вал двигателя развивает до 5000-6000 об/мин, а ведущие колеса при этом вращаются со скоростью не более 1300 об/мин. Следовательно, даже при благоприятных дорожных условиях колеса автомобиля вращаются в четыре с лишним раза медленнее коленчатого вала. А при неблагоприятных дорожных условиях, когда возрастает сопротивление движению машины и приходится двигаться с невысокой скоростью, это отношение возрастает. При эксплуатации автомобиля возникает необходимость изменять не только скорость движения и величину подводимого к колесам момента, но также маневрировать, останавливаться, двигаться задним ходом. Выполнение всех этих действий становится возможным благодаря тому, что развиваемый двигателем крутящий момент подводится к ведущим колесам через механизмы, составляющие трансмиссию автомобиля.
Существуют три основные компоновки трансмиссии:

▪ заднеприводная (или классическая),
▪ переднеприводная
▪ полноприводная.

Трансмиссия заднеприводного автомобиля включает в себя:

▪ сцепление,
▪ коробку передач,
▪ карданную передачу,
▪ главную передачу,
▪ дифференциал,
▪ полуоси.

В автомобиле с приводом на передние колеса все агрегаты трансмиссии расположены под капотом машины и объединены в один большой узел агрегатов. Коробка передач содержит в себе еще и главную передачу с дифференциалом. Поэтому валы привода передних колес выходят непосредственно из картера коробки передач.

Трансмиссия переднеприводного автомобиля включает в себя:

▪ сцепление,
▪ коробку передач,
▪ главную передачу,
▪ дифференциал,
▪ валы привода передних колес.

Сцепление позволяет на непродолжительное время отсоединить трансмиссию от двигателя и обеспечивает плавное включение трансмиссии при трогании автомобиля с места или при переключении передач.

Коробка передач служит для получения различных тяговых усилий на ведущих колесах путем изменения крутящего момента, передаваемого от двигателя к карданному валу, а также для изменения направления вращения ведущих колес при движении задним ходом и для отключения трансмиссии от двигателя на длительное время.

Карданная передача позволяет передавать крутящий момент от выходного вала коробки передач к заднему мосту при изменяющемся (при движении автомобиля) угле между осями вала коробки передач и ведущего вала главной передачи.

Главная передача служит для того, чтобы передать крутящий момент под углом 90 градусов от карданного вала к полуосям, а также для уменьшения числа оборотов ведущих колес по отношению к числу оборотов карданного вала. Уменьшение частоты вращения механизмов трансмиссии после главной передачи приводит к увеличению крутящего момента и, соответственно, увеличивает силу тяги на колесах.

Дифференциал обеспечивает возможность вращения правого и левого ведущих колес с разными скоростями на поворотах и неровной дороге. Две полуоси, связанные с дифференциалом через полуосевые шестерни, передают крутящий момент от дифференциала к правому и левому ведущим колесам. Дифференциалы, устанавливаемые между приводами колес ведущей оси, называют межколесными, между разными осями - межосевыми (в полноприводных трансмиссиях).

Полноприводные автомобили имеют большое разнообразие схем трансмиссий. Их можно условно разделить на три группы.

a. Полный привод, подключаемый водителем. В такой схеме трансмиссии обязательно есть раздаточная коробка, при этом на большинстве моделей нет межосевого дифференциала. Раздаточная коробка распределяет крутящий момент между передней и задней осями (мостами).

б. Полный привод, подключаемый автоматически. В большинстве таких трансмиссий постоянно ведущими являются передние колеса, а между осями вместо дифференциала установлена фрикционная муфта с электронным управлением или вискомуфта. Вискомуфта (вязкостная муфта) - передает крутящий момент при разных скоростях вращения частей ее корпуса за счет трения кремнийорганической жидкости между дисками. Вискомуфта может устанавливаться между осями или встраиваться в корпус дифференциала для его автоматической блокировки. Фрикционные муфты передают крутящий момент за счет трения при сжатии пакета дисков.

в. Постоянный полный привод. Автомобили с такой трансмиссией обязательно имеют межосевой дифференциал.
Передачу мощности к четырем колесам используют не только для повышения проходимости (у вседорожников), но и для лучшей реализации разгонных свойств автомобиля. Оба эффекта достигаются за счет перераспределения силы тяги - на каждом колесе она получается меньше, соответственно ниже вероятность их пробуксовки.

Что лучше -- высокая мощность или высокий крутящий момент (и что это вообще такое)?

С ростом оборотов растет как мощность, так и потери на трение в двигателе. При каких-то оборотах потери на трение начинают превышать рост мощности, и он прекращается (а затем и начинает убывать). При этих-то оборотах и получается максимальная мощность, которую обычно приводят в характеристиках двигателя.

Максимальная мощность определяет максимальную скорость равномерного движения (при прочих равных условиях - коэффициент аэродинамического сопротивления и сопротивления качения колес, передаточные числа трансмиссии; разница в весе автомобилей, наоборот, большого значения не имеет).

На динамику автомобиля больше влияет крутящий момент - прямо пропорциональный силе, развиваемой в точке касания ведущих колес и дороги. Соответственно, ускорение автомобиля зависит от этой силы и веса машины (по второму закону Ньютона).

Значение крутящего момента также зависит от оборотов двигателя; обычно приводится максимальное значение момента, которому соответствуют вполне определенные обороты. Это означает, что на данных оборотах можно добиться максимального ускорения автомобиля, после чего ускорение снижается. Другое дело, что обычно характеристика изменения крутящего момента делается достаточно плоской, чтобы снижение крутящего момента было незначительным.

Как пользоваться крутящим моментом: для максимально быстрого разгона его следует начинать, раскрутив двигатель до оборотов чуть ниже максимального крутящего момента, затем разгоняться на выбранной передаче до тех пор, пока потенциальные обороты при переключении на повышенную передачу также не приблизятся к оборотам максимального крутящего момента, после чего переключать передачу и продолжать разгон в том же духе. Доведение оборотов до максимальных здесь не имеет смысла, если они не соответствуют оборотам максимального момента на повышенной передаче. Хотя на практике примерно так и бывает (грамотный подбор коробки передач).

Например, на Кадете 1.3НБ максимум крутящего момента приходится примерно на 3600 об., а максимум мощности -- примерно на 5800 об. (не ошибаюсь?), т.е. разница примерно в 1.6 раз. Разницу между передачами точно не помню, но тоже что-то около того. То есть на практике наилучший разгон получается при раскрутке до 5800 оборотов и затем переключении на повышенную передачу.

А вот, например, на Святогоре с движком Рено - коробка заметно хуже подобрана. Почему? Смотрим: максимум крутящего момента 4250 об., максимум мощности 5400 об. = отношение 1.27. А передачи в стандартной коробке разнесены примерно на те же самые полтора раза. (То есть совершенно объяснимый выигрыш в динамике получается у тех, кто устанавливает на Святогор коробку с более короткими передаточными числами - см. конфу Москвич).

Хочется еще больше динамики - просто выкиньте из машины весь ненужный вес (ускорение растет пропорционально соотношению первоначального и "облегченного" веса машины. Если поставить колеса меньшего диаметра (достаточно только ведущие) - ускорение возрастает обратно пропорционально диаметру.

Это все -- применительно к использованию мощности и момента с точки зрения водителя. Есть еще понятия о влиянии конструкции двигателя на момент и мощность - но это для разработчиков и другая история.

Благодаря моим партнерам наконец появилась возможность продолжить перевод книги. В пятой главе рассказывается о том, что должен знать гонщик о моторе своей машины, и об ошибках, связанных с переключением передач.

Глава 5. Разгон и переключение передач

Как уже было указано в главе, посвященной торможению, обгоны в наше время возможны за счет лучшего ускорения и переключения передач. Инженеры всегда в поиске дополнительной мощности, но если пилот не извлекает максимум из того, что позволяет мотор автомобиля, их работа пропадает зря.

Гонщик, даже не будучи инженером, должен знать основные параметры, которыми обладает двигатель: мощность, крутящий момент и обороты. Эти параметры можно свести на графике, который поможет понять характеристики используемого двигателя. Максимальная мощность - это показатель «силы» двигателя; она достигается при определенных оборотах, и они обычно немного меньше максимальных, которые может выдать двигатель. Тут мы сталкиваемся с первой проблемой: нужно ли раскручивать мотор до максимальных оборотов, или стоит ограничиться теми, на которых достигается максимальная мощность?

Старомодный моторист ответил бы так: «разгоняйтесь до тех пор, пока тянет мотор». Как только мы достигаем потолка мощности, мы могли бы переключиться на передачу вверх; однако обороты двигателя - это скорость нашего автомобиля. Лучшим решением, как обычно, будет компромисс, особенно в том случае, когда максимальные обороты и обороты при максимальной мощности не очень сильно отличаются; возможность получить дополнительную сотню оборотов всегда полезна.

Кривые крутящего момента и мощности современного двигателя Формулы-1. Пилоту необходимо знать вид этих графиков, если он хочет извлечь из мотора максимум.

Если вы хотите правильно использовать двигатель, важно знать, как выглядит кривая его крутящего момента. Мотор всегда должен работать в определенном промежутке оборотов: от тех, при которых максимален крутящий момент, до тех, которые (как мы только что описали) лежат между точкой максимальной мощности и наивысшими возможными оборотами. В этом промежутке двигатель работает наилучшим образом. Если такой промежуток достаточно широк (2000-3000 оборотов), то говорят, что двигатель обладает хорошей эластичностью. В большей части случаев ширина промежутка меньше: порядка 1000 оборотов. Стоит подчеркнуть, что если вы позволили оборотам упасть ниже тех, при которых максимален крутящий момент, то вы сильно проиграли.

Зная эти параметры и соотношение между ними, пилот может добиться максимума от мотора на разгоне, поскольку знает, когда следует переключаться. Переключение передачи - процедура, которую каждый повторяет ежедневно по многу раз, что заставляет новичков думать, что главное - попасть в передачу, в то время как быстрое переключение может дать очень заметное преимущество. Опытный пилот всегда отыграет некоторое время за счет переключения; это время (несколько тысячных секунды) может показаться ничтожным, но когда оно складывается из многих и многих переключений - на секундомере появляется заметная цифра. Важна не только непосредственная потеря времени при переключениях, но и время, в течение которого двигатель не может эффективно разгонять машину. Эта потеря более ощутима на высоких скоростях.

Умение быстро переключаться не является врожденным: к счастью, этому можно научиться с опытом. Ясно также, что при использовании полуавтоматических коробок это умение уходит на второй план, поскольку в этом случае время, за которое происходит переключение, одинаково для всех (конечно, при том условии, что все используют одну и ту же систему. Это переносит все в технологическую сферу). Полуавтоматические коробки имеют два преимущества: позволяют делать переключение быстрее, чем вручную, и пилоту не нужно снимать руку с руля при переключении, что повышает безопасность и степень контроля автомобиля.

Из-за жесткой подвески машины Формулы-1 шасси испытывает значительные деформации в быстрых поворотах и при разгоне, как на фотографии. Внутреннее переднее колесо поднимается над землей и больше не имеет сцепления с дорогой, так как вес полностью перераспределяется на внешние колеса. Пилот должен иметь это в виду.

Самая опасная ошибка - перекрутить мотор. Двигатель Формулы-1 можно прикончить, превысив обороты на 100 единиц. Есть четыре ситуации, в которых происходит превышение оборотов. Первая имеет место, когда на прямой в момент переключения пилот слишком долго оставляет ногу на педали газа и переходит предел максимальных оборотов. Чтобы оградить пилота от этой простой ошибки (простой, но в то же время - когда вы в стартовой толчее, разве есть время смотреть на приборную панель?), инженеры используют ограничители оборотов, которые выключают электрическую цепь когда обороты достигают максимума.

Вторая ситуация - при переключении вниз перед поворотом. Оно включает в себя двойной выжим сцепления и перегазовку пяткой, так что менее опытные гонщики могут оказаться слишком заняты этим процессом, отвлекаясь от собственно торможения. В результате, когда пилот отпускает сцепление, двигатель еще потерял столько оборотов, сколько нужно, и машина резко замедляется (если ошибка серьезная, это может закончиться и разворотом); при этом ведущий вал испытывает избыточные нагрузки. Это самый распространенный и опасный способ перекрутить мотор, поскольку ограничитель оборотов в этом случае бессилен: двигатель раскручивается за счет инерции вращающихся колес.

Конечно, перекрут двигателя не всегда является ошибкой пилота. Это может произойти из-за отказа тормозов, или в том случае, если пилот ощущает, что тормоза постепенно «уходят» круг за кругом, и вынужден использовать торможение двигателем все больше и больше. Это экстренная мера, которая может быть использована, если скорость не слишком велика, но двигатель почти всегда получает повреждения.

Можно перекрутить мотор и на выходе из поворота. Пилот, стремящийся использовать каждый сантиметр поребрика, или - на первых кругах гонки - неотрывно следящий за машиной соперника впереди, может не заметить, что достиг максимальных оборотов и все еще держит ногу на педали газа. Это тоже случается довольно часто, но в этом случае хотя бы ограничитель оборотов может спасти ситуацию.

Наиболее жесткий и нелепый способ перекрутить двигатель - ошибиться с передачей на прямой. Вот как это может произойти. Вы поднимаете ногу с педали газа, выжимаете сцепление, правая рука нерешительно ищет передачу, а правая нога - выжимает газ, поднимая обороты выше максимума, поскольку двигатель не связан с коробкой. Обычно пилот исправляется через какое-то время, но иногда слишком поздно. Похожая ошибка - включить более низкую передачу, чем нужно. Если это происходит и переключение завершается, то серьезные повреждения двигателя и трансмиссии неизбежны и велик риск 360-градусного разворота. Обычно, тем не менее, обладая некоторой чувствительностью, которую можно развить с годами, пилот осознает, что он совершает ошибку, не закончив переключение. Даже если он оставил ногу на педали сцепления, машина «икнет», и пилот должен осознать, что ошибся, и принять необходимые меры.