В автомобиле тысячи запчастей и компонентов. Но , поэтому они играют более важную роль по сравнению с другими агрегатами автомобиля. К примеру, к очень важным частям любой машины относится коробка передач. Без нее крутящий момент от двигателя не смог бы достичь колес и ваш автомобиль не тронулся бы с места.
Да, мы не должны владеть углубленными знаниями об устройстве автомобиля. Но, что такое коробка передач обязан знать каждый водитель. Об этом сегодня и поговорим.
Есть два основных типа коробок передач, которые используются в большинстве автомобилей на мировом авторынке - ручная КПП и автоматическая. Сегодня мы остановимся на этих двух основных коробках передач, хотя стоит отметить, что в последние годы набирают популярность другие виды трансмиссий. К примеру, коробка передач с двойным сцеплением, которая работает по принципу механической трансмиссии, но с компьютерным управлением сцепления. Электроника сама автоматически выжимает сцепление, но скорости переключает водитель. Также получили распространение бесступенчатые автоматические коробки вариатор (CVT). Принцип действия подобной коробки основан на ременном приводе по аналогии с велосипедной цепной передачей. Также в последние годы на рынке стали появляться автомобили без коробок. Как правило, автомашины без трансмиссии используют только электрический двигатель.
Прежде чем углубиться в описание принципа работы коробки передач, давайте обозначим основные термины:
Передача: В данном понимании передача представляет в коробке набор определенных шестерёнок, которые работая синхронно вместе, регулируют соотношение между скоростью двигателя и скоростью колеса. Также этот термин используется для описания каждой скорости коробки передач. К примеру, в автоматической коробки электроника автоматически выбирает какой вал с шестернями использовать для оптимальной передачи крутящего момента. В механической трансмиссии водитель самостоятельно выбирает необходимую скорость.
Передаточное отношение: это отношение частоты вращения ведомого вала к частоте вращения ведущего.
Сцепление: Механизм подключения или отключения двигателя к (от) системы передачи (коробки).
Коробка передач: Механизм передачи крутящего момента от двигателя на колеса транспортного средства.
Рычаг переключения передач: Рычаг, который водитель использует для управления коробкой передач и выбора нужной скорости.
Теперь перейдем непосредственно к описанию, как работают две наиболее распространенные коробки передач.
Механическая коробка передач
Несомненно, во всем мире в настоящий момент автоматическая коробка передач стала самой популярной. Согласно статистике мировых продаж автомобилей, львиная доля всех проданных новых транспортных средств в 2014 года, были оснащены автоматической трансмиссией. Но тем не мене, . Как правило, механическая трансмиссия более проста по своей конструкции и по своему принципу работы. Именно с нее мы и начнем.
По своей основной конструкции механическая коробка представляет собой набор зубчатых шестерен и валов (входные и выходные валы). Шестерни одного вала взаимодействуют с шестернями другого вала. В результате соотношения между включенной передачей на входном валу и включенной передачи на выходном валу определяет общее передаточное число определенной передачи.
Водитель выбирает нужную передачу , перемещая . Рычаг управляет движением передач вдоль входного вала. Перемещая рычаг вперед или назад, выбирается нужный набор шестеренок для включения необходимой передачи. Как правило, при переключении рычага верх или вниз два набора шестерней находятся на одном валу. При переключении рычага влево или вправо выбор набора шестеренок происходит на разных валах.
Чтобы включить передачу в механической коробке передач водитель нажимает сначала на педаль сцепления, в результате чего крутящий момент двигателя при выжатом сцеплении не передается на коробку, поскольку двигатель отключается от входного вала КПП. Это позволяет с помощью рычага коробки выбрать нужную скорость, подключив нужный набор шестерен. После выбора необходимой передачи водитель отпускает педаль сцепления, и крутящий момент начинает передаваться на первичный вал и далее на выбранный вал, который в свою очередь передает крутящий момент на привода и колеса.
Автоматическая коробка передач
Одно из самых заметных различий между механической и автоматической коробкой, это то, что автоматическая трансмиссия не использует муфты. Как правило, автоматическая коробка использует гидротрансформаторы, которые и отключают двигатель от коробки (от вала с набором шестерен).
Функция гидротрансформаторов основана на принципах гидродинамики, которую в рамках этой статьи объяснить реально сложно. Для этого необходимо подключить математику и другие естественные науки. Но основной смысл прост. Когда двигатель работает на небольших оборотах, небольшой крутящий момент передается с помощью жидкости и различные каналы на набор шестеренок. Когда двигатель работает быстро, то крутящий момент передается на валы напрямую.
Благодаря преобразованию крутящего момента, шестерни в коробки могут свободно делать свою работу без участия водителя. Но как коробка автоматически выбирает необходимую скорость, которую в механической трансмиссии выбирает водитель вручную?
В отличие от механики где, как правило, конструкция коробки представляет два параллельных вала, использует планетарное расположение валов с шестернями. В отличие от механической коробки, в автоматической трансмиссии используется огромный выбор различных наборов шестерен, которые автоматически подключаются к передаче крутящего момента в зависимости от скорости.
Вместо ручного переключения скоростей используется гидравлическое автоматическое переключение скоростей, которое управляется электроникой. Коробка управляется специальным модулем, в который запрограммированы все соотношения передаточных чисел. В зависимости от подключаемого набора планетарного механизма, электронная программа определяет какую передачу включить с помощью гидравлического автоматического управления.
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.
Как устроена механическая коробка передач?
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 .
Коробка передач, или по-другому трансмиссия, передает силу вращения - так называемый вращательный момент - от двигателя автомобиля на колеса. При этом в зависимости от условий движения автомобиля она может передавать вращательный момент полностью либо частично.
Машина, идущая в гору, должна пользоваться более низкой передачей по сравнению с машиной, мчащейся по ровному скоростному шоссе. При более низкой передаче на колеса передается больший крутящий момент. А это требуется тогда, когда машина двигается медленно, потому что ей тяжело. Более высокие передачи подходят для более быстрого движения автомобиля.
Бывают коробки передач с ручным управлением, но бывают и автоматические. Чтобы сменить передачу в ручной трансмиссии, водитель вначале нажимает педаль сцепления (рисунок слева). При этом двигатель отсоединяется от коробки передач. Потом водитель переводит рычаг управления на другую передачу и отпускает педаль сцепления. Двигатель снова соединяется с коробкой передач и может вновь передавать свою энергию колесам. В автоматической коробке передач положение педали газа (акселератора) соотносится со скоростью движения автомобиля, и автоматически меняется передача, если это необходимо.
Ручное управление передачей
Приводимые рядом диаграммы показывают, как с помощью рычага управления можно перейти с одной передачи на другую. В зависимости от установленной передачи разные доли крутящего момента, проходя через коробку передач (красные линии со стрелками), попадают на колеса.Нейтральная передача. Энергия двигателя не передается колесам.
Нейтральная передача. Энергия двигателя не передается колесам.
Первая передача. Самая большая шестеренка ведущего вала соединяется со своей парой на ведомом валу. Машина движется медленно, но может преодолевать тяжелые участки пути.
Вторая передача. Вторая пара шестеренок работает вместе с механизмом сцепления. При этом скорость движения автомобиля обычно от 15 до 25 миль в час.
Третья передача. Работает третья пара шестеренок вместе с механизмом сцепления. Скорость автомобиля еще больше, а крутящий момент на колесах меньше.
Четвертая передача. Входной и выходной валы соединяются напрямую (прямая передача) - скорость движения автомобиля максимальная, а крутящий момент самый низкий.
Реверс.(5-я передача на картинке) При включении передачи заднего хода его ведущая шестерня"вращает выходной (ведущий) вал в противоположную сторону.
Работа акселератора
Число оборотов двигателя в минуту зависит от того, сколько топлива поступает из карбюратора в цилиндры. Движение топлива регулируется дроссельной заслонкой карбюратора, а работой заслонки управляют с помощью педали акселератора, которая находится на полу перед водителем.
Когда водитель нажимает ногой на педаль акселератора, дроссельная заслонка открывается и в двигатель поступает больше топлива. Если водитель отпускает педаль акселератора, заслонка прикрывается и количество поступающего топлива уменьшается. При этом уменьшаются и обороты двигателя и скорость автомобиля.
Автоматическая коробка передач
Когда применяется автоматическая трансмиссия, у водителя нет под ногой педали сцепления. Вместо нее преобразователь крутящего момента в паре с планетарной передачей (рисунок справа и снизу) автоматически отключают двигатель от ведущего вала, когда по условиям движения следует перейти на другую передачу.
А после того как передача сменилась, снова подключают ведущий вал. Стоит водителю поставить рычаг управления в рабочее положение, и механизм автоматической коробки передач сам выберет нужную передачу в соответствии с условиями движения автомобиля в данный момент.
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.
Как работает коробка передач?
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.
Из чего состоит коробка передач?
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.
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 коробки передач
Механическая коробка передачПринцип 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.
Виды механических КПП
По количеству ступеней механическая коробка передач в основном подразделяется на:
- 4-х ступенчатую;
- 5-и ступенчатую;
- 6-и ступенчатую.
Наиболее распространенной механикой считается трансмиссия 5МТ, т.е. пятиступенчатая коробка передач.
В зависимости от количества валов различают следующие виды КПП:
- двухвальные механические трансмиссии, устанавливаемые на легковые переднеприводные автомобили;
- трехвальные МКПП, которые применяются в основном на заднеприводных автомобилях, а также на грузовых машинах.
Устройство механической коробки передач
Устройство механической КПП Конструктивно механическая коробка передач состоит из следующих элементов:
- ведущий или первичный вал;
- ведомый или вторичный вал;
- промежуточный вал (для 3-х вальной МКПП);
- шестерни первичного и вторичного валов;
- механизм выбора передач;
- муфты синхронизаторов (синхронизаторы);
- картер;
- главная передача;
- дифференциал.
При этом устройство и принцип работы двухвальной и трехвальной трансмиссии отличаются друг от друга.
Двухвальная коробка передач: устройство и принцип работы
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:
- В нейтральном положении рычага переключения передач крутящий момента от двигателя не передается на ведущие колеса, шестерни на валах свободно прокручиваются.
- При перемещении рычага водитель перемещает муфту синхронизатора соответствующей вилкой через систему тросиков или тяг.
- Муфта синхронизирует угловые скорости соответствующей шестерни и вала, на котором расположен синхронизатор.
- Муфта синхронизатора входит в зацепление с шестерней и крутящий момент начинает передаваться с первичного вала на вторичныый.
- Происходит передача крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.
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
Трехвальная КПП: устройство и принцип работы
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.
Немного о синхронизаторе МКПП
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 .
Преимущества и недостатки МКПП
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 |
