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
Задний ход
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 |
Машина состоит из большого числа систем. Часть из них предназначается для того, чтобы обеспечивать работу электрической системы: это аккумуляторная батарея и генератор. Вторая часть - базовая. Она представлена всего тремя узлами: подвеска, двигатель и коробка передач. В этой статье мы обсудим, как происходит работа трансмиссии, какова схема ее работы и особенности, которыми она обладает.
Главные задачи
Коробка передач есть абсолютно на любом автомобиле, вне зависимости от его марки, модели и года выпуска. Это не удивительно, ведь роль недооценить действительно сложно, и без нее соединение привода колес и двигателя было бы весьма проблематичным делом.
Чтобы понять, для чего нужна трансмиссия, стоит вспомнить схему, по которой работает система , и на чем основывается принцип ее работы. Разумеется, основное звено, которое является источником механической энергии, - это двигатель, работа которого обычно основывается на горении определенного вида топлива.
Схема работы такова, что поступательное движение поршня преобразуется во вращательное, которое осуществляет . Этот вал при помощи коробки передач соединяется с редуктором колес, который вращает полуоси и заставляет автомобиль двигаться.
У многих на этом моменте возникает вполне логичный вопрос: к чему нужна такая сложная схема, которая основывается на подключении привода колес к валу двигателя посредством КПП? Нельзя ли произвести подсоединение напрямую?
Дело в том, что система, которая имеет принцип подключения колес через КПП, имеет несколько важных преимуществ, позволяющих двигателю и всем остальным узлам автомобиля работать более эффективно.
Так, стоит вспомнить, что такая система, как коробка передач, функционирует за счет перехода от двигателя к колесам. Если бы этот момент в системе передавался напрямую, то при таком принципе работы частота вращения коленчатого и карданного вала, который соединяет КПП с редуктором колес, должна быть одинаковой. Прямой переход крутящего момента приведет к тому, что частота вращения колес должна иметь постоянное соотношение с частотой вращения вала.
При таком принципе работы без коробки передач автомобиль будет весьма ограничен в своих характеристиках, поэтому необходимо изменение крутящего момента, в зависимости от скорости. Именно КПП осуществляет такую работу, и от нее зависит, с каким крутящим моментом будет передаваться энергия двигателя, и как она будет использоваться.
Главный принцип
Итак, главная задача коробки передач автомобиля - это соединение двигателя и колес таким образом, чтобы крутящий момент оставался оптимальным, и даже при экстремальных скоростях обороты ДВС всегда оставались в пределах нормы.
Для этого, во-первых, необходимо соединение коробки передач с двигателем и карданным валом, ведущим к колесам. В простейшем случае для этого служат два вала - первичный и промежуточный. соединяется с коленчатым валом двигателя, а промежуточный - с карданным валом автомобиля.
Эти валы на КПП имеют на себе наборы шестерен, обладающих разным размером и конфигурацией. Для того чтобы крутящий момент изменялся, используется рычаг с кулисой, при помощи которого валы можно смещать и соединять при помощи разных шестерен.
Чтобы валы, находящиеся в постоянном соприкосновении друг с другом, со временем не стачивались и не перегревались, они снабжаются смазкой, которая наполняет картер коробки передач и находится в нем на протяжении всего срока эксплуатации КПП.
В случае с автоматическими КПП все несколько сложнее: вместо шестерен в ней выступают фрикционы, которые при помощи давления масла могут соединяться друг с другом в пакеты и, таким образом, изменять передаваемый крутящий момент.
Передач имеют в своей конструкции два конуса, которые, по сути, представляют собой набор шестерен, имеющих между собой бесступенчатый переход. Как и автоматические трансмиссии, вариатор без помощи водителя подстраивает положения валов относительно друг друга. За счет этого крутящий момент можно подстраивать более точно и плавно, лишая водителя какого-либо дискомфорта при управлении.
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 .
Большинство современных транспортных средств комплектуются следующими типами коробок переключения передач:
- механическая;
Каждый тип КПП имеет свою, отличную от других конструкцию, свои достоинства и недостатки, исходя из которых, автолюбитель во время покупки автомобиля может отдавать предпочтение тому или иному устройству. Устройство механической коробки передач (МКПП), которое будет детально рассмотрено в данной статье, отличается своей простотой, поэтому понять принцип ее действия достаточно легко.
Механизм
Перед тем как приступить к изучению устройства механической коробки передач (МКПП) и принципов ее работы, следует подробно описать данный механизм. Механическая коробка передач – это неотъемлемая часть любого транспортного средства, оборудованного двигателем внутреннего сгорания. Ее обязательное наличие обусловлено спецификой работы современных моторов, имеющих достаточно небольшой диапазон оборотов, в пределах которого достигаются максимальные значения мощности и крутящего момента. Помимо этого любой двигатель имеет критическую величину частоты оборотов, превышение которой неизменно приводит к преждевременному износу агрегата, вплоть до выхода его из строя. Перед передачей крутящего момента на вторичный вал и на колесный привод транспортного средства МКПП меняет направление данной векторной физической величины и преобразовывает ее. Переход на каждую новую ступень в МКПП осуществляется посредством механического передвижения рычага в ту или иную позицию.
Непосредственно механизм КПП находится в металлическом корпусе, внутрь которого заливаются смазочные материалы, обеспечивающие стабильную работу механизма. Рычаг переключения скоростей может располагаться как в самой коробке переключения передач, так и за ее пределами (в кузове автомобиля). В случае дистанционного процесса переключения передач применяется тяга привода управления (кулиса).
Составные части МКПП:
- первичный вал;
- промежуточный вал;
- вторичный вал;
- дополнительный вал;
- картер;
- синхронизаторы;
- устройство переключения передач, в комплектацию которого входят замки и блокировочные механизмы;
- рукоятка переключения передач.
Принцип действия
Подшипники, находящиеся в картере, способствуют вращению валов устройства. Каждый вал имеет в своем оснащении наборы шестерен, на которых в различном количестве расположены специальные зубья.
Функция синхронизаторов заключается в уравновешивании угловых скоростей шестерен, возникающих в процессе их вращения. Благодаря их работе передачи переключаются плавно без постороннего шума.
Блокировочные механизмы предотвращают возможность самопроизвольного выключения передач, в то время как замки препятствуют одновременному включению нескольких передач.
Количество ступеней и валов
Сегодня наибольшей популярностью пользуется пятиступенчатая КПП, однако, нередко можно встретить четырехступенчатые и шестиступенчатые механизмы.
В комплектацию МКПП могут входить два или три вала. Трехвальными механизмами оснащаются переднеприводные и заднеприводные транспортные средства (в т.ч. грузовые автомобили).
Двухвальными коробками чаще всего комплектуют переднеприводные легковые машины.
Основные различия КПП с разным количеством валов:
- Местонахождение валов. В двухвальной КПП валы располагаются параллельно друг другу;
- Процесс осуществления передачи. В КПП с тремя валами передача создается за счет работы одной пары шестерен, в трехвальной – за счет взаимодействия двух пар;
- Прямая передача. Двухвальная КПП не имеет прямой передачи.
В остальном устройство МКПП существенных отличий в конструкции и в принципе работы не имеет.
Видео
Принцип работы МКПП наглядно показан в следующем видеоматериале:
Механическая коробка передач – это устройство для поступенчатой перемены передаточного отношения скорости вращения от двигателя к ведущим колёсам. Выбор и включение нужной передачи при использовании механической КПП водитель осуществляет вручную (в отличие от коробки передач автоматической). Название данного устройства отражает ещё и тот факт, что весь его функционал реализуется за счёт только механических элементов, без привлечения гидравлики или электроники (в отличие от трансмиссий гидравлических или электрических). Популярно, но технически достоверно принцип работы МКПП освещён в данной публикации.
Почему у автопроизводителей возникла необходимость во внедрении коробки переключения передач? Потому, что любой двигатель внутреннего сгорания любого автомобиля способен работать только в каком-то ограниченном, и довольно небольшом, диапазоне оборотов. А частота обращения колёс – от трогания с места до езды на больших скоростях – происходит в гораздо более обширном диапазоне. И не представляется возможным выбрать какое-то одно универсальное передаточное число, которое бы обеспечило весь этот диапазон, с одновременным разумным использованием диапазона оборотов двигателя.
Для трогания с места и поступательного разгона автомобиля, а также при его движении по бездорожью,требуется затратить более значительную работу в физическом смысле, то есть подать на его колёса большую мощность. То есть, при небольшой скорости нужны высокие обороты двигателя.
Наоборот, при равномерном движении разогнавшегося автомобиля по ровной дороге его скорость высока, а большой мощности и высоких оборотов двигателя уже не требуется – чтобы поддерживать нужную скорость, достаточно и малой мощности, и низких оборотов. При повышении скорости растёт и аэродинамическое сопротивление движению двигателя, что требует высоких оборотов и более значительных затрат мощности. То же самое – при движении в гору, требуется увеличить силу тяги.
Отсюда возникает необходимость в передаче вращения с двигателя на колёса с определённым передаточным числом, которое можно было бы изменять в зависимости от условий езды. В этом один из пионеров мирового автопрома – немецкий инженер Карл Бенц убедился в первой же длительной (на 80 км) поездке на автомашине собственной конструкции.
Это автопутешествие состоялось в 1887 году. Карл Бенц и его супруга Берта с сыновьями ехали к тёще изобретателя. 80-километровое путешествие оказалось очень сложным из-за несовершенства конструкции первого автомобиля. На некоторые, с виду небольшие, подъёмы его приходилось заталкивать вручную: не хватало силы тяги. После этой поездки Бенц усовершенствовал автомобиль, снабдив его дополнительной вспомогательной передачей – «понижайкой», для увеличения силы тяги.
Эта идея используется в КПП и по сей день: передаточное число должно быть переменным, позволяющим использовать разные соотношения между скоростями вращения коленвала мотора и ведущих колёс.
Разумеется, первая механическая коробка передач Карла Бенца была сначала очень примитивным устройством. Это были шкивы разного диаметра, прикреплённые к ведущей оси. С мотором они соединялись ремнём, и при помощи рычагов ремень можно было перекидывать с одного шкива на другой. Впоследствии на смену кожаному ремню и шкиву пришла металлическая цепь и звёздочка, как на современных «продвинутых» велосипедах.
Зубчатую передачу и коробку передач на шестерёнках впервые поставил на автомобиль Вильгельм Майбах. Параллельно с немецкими автоинженерами, примерно в те же годы, похожими изысканиями занимались и французские. В созданной Эмилем Левассором и Луи Панаром механической коробке переключения передач уже применялся целый набор зубчатых колёс с разными передаточными числами для движения вперёд и одна шестерня – для движения назад. Как и в наше время, шестерни передних передач, были укреплены на вторичном валу, который двигался вдоль своей оси. Это позволяло разным по своему диаметру зубчатым колёсам входить в зацепление с неподвижной шестернёй на первичном валу.
Официально изобретателем механической коробки переключения передач, похожей на современную, стал Луи Рено: в 1899 году этот молодой начинающий автопромышленник запатентовал первую в мире КПП, основанную на системе подвижных зубчатых колёс и валов. Она была трёхскоростной.
Первый запатентовавший МКПП человек – Луи Рено – в своей «лаборатории».
Заокеанский пионер автопрома – Генри Форд – не копировал достижения немецких и французских инженеров, а шёл своим путём. Его механическая коробка передач состояла из нескольких планетарных шестерён (сателлитов), которые вращались вокруг центральной («солнечной») шестерни и фиксировались при помощи водила. Именно такой – планетарной КПП оснащались первые массовые серийные автомобили «Форд А».
Не менее важным техническим решением, чем изобретение коробки на зубчатых шестернях различного диаметра, стало изобретение синхронизатора, которое сделал в 1928 году Шарль Кетеринг из «Дженерал Моторс». Оно сделало механические коробки передач более лёгкими в управлении, придало им новый импульс развития и «техническое долголетие».
С момента изобретения Луи Рено прошло уже более 120 лет но главный принцип ступенчатой шестерёнчатой коробки передач остался тем же. Современные МКПП, разумеется, гораздо более совершенны: в них стоят шестерни не с прямым, а косозубым зацеплением, и они более удобные, бесшумные и долговечные. В целом, автомобили с «механикой» экономичнее, чем машины с автоматической коробкой передач.
Состоит механическая КПП из набора косозубых шестерён разного размера, которые вводятся в зацепление для создания различных передаточных чисел между коленчатым валом мотора и ведущими колёсами. Передаточное число становится другим путём перемещения как самих шестерён, так и специального устройства – синхронизатора. Его задача – уравнивать (синхронизировать) окружные скорости включаемых в зацепление шестерён.
Принцип таков, что, чем выше передаточное число, тем ниже передача. Первая передача называется низшей, а передаточное число у неё наибольшее. На ней передача вращения осуществляется от малой шестерни к большой и, при высокой частоте вращения коленвала, скорость движения автомобиля остается низкой, а сила тяги – высокой. На высшей передаче, соответственно, – наоборот. В нейтральном положении крутящий момент от мотора на ведущие колёса не передается, и машина катится по инерции либо стоит.
Большинство серийных современных автомашин, оснащённых механической коробкой переключения передач, имеют 5 «скоростей», или скоростей движения вперед. Несколько десятков лет назад большинство автомобильных МКПП были четырёхскоростными. Механическими коробками с шестью и более скоростями, как правило, комплектуются «заряженные» спортивные машины или джипы.
С технической точки зрения, механическая коробка передач представляет собой закрытый ступенчатый редуктор. Рабочими элементами его конструкции являются зубчатые колёса – шестерни, которые поочерёдно приходят в зацепление, изменяя обороты входного и выходного вала, а также их частоту. Переключение соединений и комбинаций шестерён происходит вручную.
Механическая коробка переключения передач способна функционировать только в паре со сцеплением. Данный узел предназначен для временного разъединения мотора и трансмиссии. Эта операция нужна для безболезненного и безопасного перехода зацепления с одной шестерни на другую,без выключения оборотов двигателя, и при их полном сохранении.
Получившими повсеместное распространение компоновками механических коробок переключения передач стали двух- и трёхвальные. Они называются так по количеству параллельно расположенных валов, на которых и расположены косозубые шестерни.
В трёхвальной МКПП находятся три вала: ведущий, промежуточный и ведомый. Первый соединён со сцеплением, на его поверхности имеются шлицы. По ним передвигается ведомый диск сцепления. С данного вала энергия вращения передаётся на жестко соединённый с ним шестернёй промежуточный вал.
Ведомый вал является соосным с валом ведущим, соединённым с ним через подшипник, который находится внутри первого вала. Поэтому данным осям обеспечено независимое вращение. Блоки «разнокалиберных»шестерней ведомого вала не имеют жёсткой фиксации с ним, а также разграничены специальными муфтами-синхронизаторами. Вот они жёстко закреплены на ведомом валу, но могут перемещаться вдоль вала по шлицам.
На торцах муфт нанесены зубчатые венцы, которые могут соединяться с аналогичными венцами на торцах шестерён ведомого вала. Современные стандарты производства коробок передач предполагают наличие таких синхронизаторов на всех передачах для движения вперёд.
В двухвальной механической КПП также обеспечено соединение ведущего вала с блоком сцепления. В отличие от трёхосной конструкции, на ведущей оси находится набор шестерёнок, а не одна. Промежуточный вал отсутствует, а с ведущем запараллелен ведомый вал. Шестерни обоих валов свободно вращаются и всё время находятся в зацеплении.
На ведомом валу имеется жёстко закреплённая ведущая шестерня главной передачи. Между остальными шестернями находятся синхронизационные муфты. Подобная схема механической коробки передач в смысле работы синхронизаторов похожа на трёхвальную компоновку. Разница же в том, что прямая передача отсутствует, а каждая ступень имеет только одну пару соединённых шестерёнок, а не две пары.
С одного конца ведомого вала в жёстком зацеплении находится главная передача. В корпусе главной передачи работает дифференциал.
Двухвальная компоновка механической коробки передач имеет больший КПД, чем у трёхвальной, однако она имеет ограничения по повышению передаточного числа. За счёт данной особенности, двухвальная конструкция МКПП применяется исключительно в легковых автомобилях.
В редких случаях на современных автомобилях могут также использоваться четырёхвальные коробки передач. Но по принципу своей работы они тоже соответствуют двухвальным– без промежуточного вала, с передачей вращения с первичного вала сразу на вторичные. Чаще всего, это механические КПП с 6-ю передачами переднего хода. В них крутящий момент передаётся с первичного вала на главную передачу через первый, второй и третий вторичные валы, концевые шестерни которых постоянно зацеплены с шестернёй главной передачи.
Обеспечение заднего хода автомобиля возложено на дополнительный вал со своей специальной шестернёй. При переходе её в зацепление начинается вращение ведомого вала в обратную сторону. На задней передаче синхронизатора нет, поскольку задний ход задействуется только при полной остановке автомобиля. Во всяком случае, так нужно делать. Поэтому на МКПП автомашин многих производителей имеется защита от случайного включения заднего хода на ходу (нужно поднять специальное кольцо на рычаге для переведения его в положение заднего хода).
Когда включен нейтральный режим, то вращение шестерён происходит свободно, а все муфты-синхронизаторы расположены в разомкнутом положении. Когда водитель выжимает сцепление и переключает рычаг на одну из ступеней, специальная вилка в КПП перемещает муфту в зацепление с соответствующей парой на торце шестерни. И шестерня жёстким образом фиксируется с валом и не прокручивается на нём, а обеспечивает передачу вращения и энергии усилия.
Во время движения механизм переключения передач приводится в действие с места водителя автомобиля с помощью рычага переключения передач. Этот рычаг перемещает ползуны с вилками, которые, в свою очередь, передвигают синхронизаторы и задействуют нужную скорость.
Пары шестерён двух низших передач имеют самые большие передаточные числа (на легковых машинах – обычно от 5:1 до 3,5:1), и применяются для трогания с места и поступательного разгона, а также при необходимости постоянного движения с невысокой скоростью, либо по бездорожью. При движении на низших передачах даже при больших оборотах двигателя автомобиль будет ехать довольно медленно, но при этом в полной мере будут использоваться его мощность и крутящий момент. Наоборот, чем выше передача, тем выше скорость автомобиля на том же уровне оборотов двигателя, а его сила тяги меньше. На высших передачах автомобиль не сможет тронуться с места или ехать на низких скоростях. Зато он может передвигаться на больших, вплоть до максимально предусмотренной, скоростях, при средних оборотах двигателя.
В абсолютном большинстве современных МКПП расположены шестерни с косым зубом, которые способны выдерживать большие усилия, чем прямозубые, к тому же они менее шумные в работе. Изготавливаются косозубые шестерни из высоколегированной стали, и на финальном этапе производства выполняется закалка на ТВЧ и нормализация для снятия напряжений, обеспечивающие долговечность деталей.
До появления синхронизаторов для безударного включения более высокой передачи водителям нужно было производить двойной выжим, с обязательной работой в течение нескольких секунд на нейтральной передаче, для равнения окружных скоростей шестерней. А для перехода на более низкую передачу надо было сделать перегазовку, чтобы выровнять обороты ведущего и ведомого валов. После введения синхронизаторов необходимость в этих манипуляциях отпала. И шестерни стали защищёнными от ударных нагрузок и преждевременного износа.
Впрочем, и современной легковой автомашине эти «навыки из прошлого» также могут пригодиться. К примеру, они помогут переключить-таки передачу в случае выхода из строя сцепления, или если возникнет необходимость в резком торможении двигателем, при отказавшей рабочей тормозной системе.
