Как работает механическая коробка передач
Если Вы водите машину с механикой, то у Вас, возможно, всплывали следующие вопросы в голове:
Что означает забавный значок \»H\» на ручке механики и как он связан с шестернями внутри трансмиссии? Что двигается внутри механической трансмиссии, когда я передвигаю рычаг КПП?
Когда я путаю передачи и слышу ужасный скрежет, что именно хрустит внутри?
Чтобы произошло, если я случайно выбрал бы заднюю передачу во время скоростной езды по трассе? Может быть, механика просто взорвется?
Данная статья ответит на все эти вопросы, потому что проникнет внутрь механической трансмиссии.
Машинам нужна коробка передач из-за физических свойств двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, у любого двигателя есть красная зона – максимум оборотов, за которые нельзя заходить без повреждения. Во-вторых, у двигателя узкий диапазон оборотов, где мощность и крутящий момент на максимальном уровне. Например, двигатель может производить максимальную мощность при 5,500 об/мин. Трансмиссия позволяет менять передаточные числа между двигателем и колесами при ускорении и замедлении автомобиля. Вы переключаете передачи, чтобы двигатель оставался ниже красной зоны и около диапазон своей эффективной работы.
В идеале трансмиссия должна быть настолько гибкой в подборе передаточных чисел, что двигатель постоянно находится на определенных оптимальных с точки зрения тяги оборотах. Эта идея лежит в основе постоянно изменяющейся трансмиссии (CVT) или вариатора.
Вариатор CVT имеет бесконечное число передач. В недалеком прошлом вариаторы CVT не могли конкурировать с 4-х и 5-ступенчатой механикой по стоимости, размеру и надежности. Сегодня более совершенные решения позволили вариаторам CVT стать довольно распространенными. В гибридной Toyota Prius используется вариатор CVT.
Трансмиссия соединяется с двигателем через сцепление. Входной вал трансмиссии вращается со скоростью вращения двигателя.
5-ступенчатая трансмиссия реализует 5 разных передаточных чисел, чтобы изменить скорость выходного вала. Вот пример типичных передаточных чисел:
| Передача | Передаточное число | Обороты выходного вала при вращении входного 3,000 об/мин |
| 1-я | 2.315:1 | 1,295 |
| 2-я | 1.568:1 | 1,913 |
| 3-я | 1.195:1 | 2,510 |
| 4-я | 1.000:1 | 3,000 |
| 5-я | 0.915:1 | 3,278 |
Механическая КПП: виды, конструкция, принцип работы
Название «механическая коробка передач» было дано агрегату из-за использования данного способа переключения. Новичкам часто достаточно сложно научиться быстро управлять автомобилем с МКПП в отличие от «автомата». Однако трансмиссии этого типа отличаются надежностью. «Механика» имеет довольно простую конструкцию, также можно выделить ее ремонтопригодность. При этом в автомобилестроении механическая коробка передач сегодня утратила лидирующие позиции.
Принцип работы
Используемый в работе МКПП принцип заключается в передаче на первичный вал крутящего момента. Передача осуществляется от двигателя через сцепление. В конструкции механической коробки передач есть пары шестерен, которые между собой взаимодействуют. С помощью этих пар (ступеней) крутящий момент преобразуется для последующей передачи на колеса. Ступени имеют свое передаточное число. Так происходит преобразование скорости вращения и крутящего момента коленчатого вала ДВС. Различают понижающие и повышающие передачи. Первые крутящий момент увеличивают, при этом происходит уменьшение скорости вращения. Включение повышающей передачи, наоборот, уменьшает крутящий момент.
Пары состоят из двух шестерен, входной и выходной. Передаточное число зависит от количества зубьев. Понятно, что у шестерни большего диаметра и количество зубьев будет больше, здесь существует прямая зависимость. В качестве примера можно привести первую передачу с самым большим передаточным числом. У этой пары шестерен минимальный размер имеет входная, расположенная на первичном валу. Максимальный размер имеет выходная шестерня первой передачи. Поток мощности, который передается от мотора, при переключении скоростей МКПП нужно прервать. Для этого водитель нажимает педаль сцепления. Автомобиль с механической коробкой передач начинает движение с включения первой передачи.
Примечание: некоторые модели тяжелых грузовых автомобилей могут начинать движение со второй передачи.
Водитель рукой устанавливает селектор рычага переключения передач в нужное положение. Дальнейшее переключение на повышенные передачи выполняется водителем последовательно. Необходимо учитывать скорость автомобиля и показания тахометра. Это связано с тем, что каждому диапазону оборотов двигатель соответствует определенная передача.
Разновидности МКПП
Механические КПП различают по количеству передач. К числу основных относятся коробки с 4, 5 и 6 ступенями. Большинство автомобилей с механикой в мире выпускается с трансмиссией 5МТ, другими словами, с 5-ступенчатой МКПП.
Выпускаются механические коробки передач с двухвальной и трехвальной конструкцией. Первые предназначены для легковых автомобилей с передним приводом. Вторые устанавливают на грузовики и легковые автомобили с задним приводом.
Особенности конструкции
Конструктивно отличаются друг от друга двухвальная и трехвальная коробки передач. Есть различия и в принципе работы. Двухвальная трансмиссия состоит из первичного и вторичного валов. Эти валы также называют ведущим и ведомым. Отличием конструкции трехвальной МКПП является промежуточный вал. В агрегате также есть шестерни первичного и вторичного валов. Остальные детали конструкции коробки передач: картер, главная передача, синхронизаторы, механизм выбора передач, дифференциал.
Особенности конструкции двухвальной МКПП
В двухвальных коробках передач, которые относятся к самым распространенным, на первичный вал агрегата крутящий момент поступает от мотора через муфту сцепления. В разных конструкциях механических КПП некоторые из шестерней жестко закрепляются на двух валах. Остальные шестерни свободно вращаются.
Важно: по меньшей мере один синхронизатор устанавливается как на первичном, так и вторичном валах.
Постоянным является зацепление шестерен двух валов. Для понимания, находится ли шестерня в зафиксированном положении, надо просто посмотреть на них ― свободно вращаются шестерни, находящиеся около синхронизаторов.
Особенность конструкции ― жесткое закрепление шестерни главной передачи на вторичном валу. Задача главной передачи и дифференциала состоит в передаче крутящего момента к колесам автомобиля. При этом дифференциал придает колесам разную угловую скорость.
В корпусе МКПП находится механизм выбора передачи. Перемещение синхронизатора выполняется с помощью штоков и вилок. Предусмотрена защита от попытки включения двух передач одновременно.
При рычаге переключения передач в нейтральном положении не происходит передачи крутящего момента на ведущие колеса. Это означает, что шестерни на валах не зафиксированы.
Включая передачу, водитель переводит синхронизатор с помощью нужной вилки. Перемещение осуществляется через систему тяг или тросиков.
Функция муфты заключается в синхронизации угловых скоростей определенной шестерни и вала, на котором муфта установлена.
Передача крутящего момента с ведущего на ведомый вал происходит при зацеплении синхронизатора с шестерней.
Важно: крутящий момент передается от силового агрегата на ведущие колеса с заданным передаточным числом.
Автомобиль может двигаться задним ходом, для этого задействуется дополнительный вал, на котором установлена промежуточная шестерня заднего хода.
Особенности конструкции трехвальной МКПП
Отличительная особенность трехвальной трансмиссии ― наличие в конструкции дополнительного промежуточного вала. Передача крутящего момента происходит с первичного вала, который соединен со сцеплением, на третий вал. Для передачи задействована нужная шестерня.
Важно: зацепление валов не прерывается, оно постоянно. Это обеспечивается жесткой фиксацией шестерен на промежуточном валу, параллельном ведущему валу.
В установленный на первичном валу упорный подшипник входит ведомый вал. Получается, что оба вала, первичный и вторичный, находятся на одной оси. Особенность вторичного вала в том, что его шестерни имеют свободный ход, отсутствует жесткая фиксация с валом. Между шестернями промежуточного и ведомого валов есть постоянное зацепление. При нахождении селектора рычага переключения передач в нейтральном положении происходит передача крутящего момента от ведущего вала на промежуточный. Затем крутящий момент передается на шестерни ведомого вала. Однако свободное вращение этих шестерен не может заставить автомобиль начать движение.
Функция синхронизаторов, жестко закрепленных на валу между шестернями и имеющих возможность зубчатому соединению перемещаться в осевом направлении, состоит в том, чтобы выравнивать угловые скорости шестерен с угловой скоростью ведомого вала. Выравнивание угловых скоростей происходит за счет использования силы трения.
В трехвальной трансмиссии механизм переключения установлен в корпусе КПП. В состав механизма входят штоки с вилками, рычаг управления и устройство, позволяющее блокировать возможность включения сразу двух передач.
Выпускаются механизмы с дистанционным управлением с помощью кулисы или шарнирных тросов.
В двухвальной и трехвальной трансмиссиях используется аналогичный принцип включения передач.
Роль синхронизаторов
Задача синхронизатора заключается в обеспечении безударного включения передач. Это достигается путем выравнивания угловых скоростей вала и шестерни. Элементы синхронизатора: муфта, кольца блокировочные и проволочные (по два), три сухаря.
При включении передачи перемещение муфты к соответствующей шестерне выполняется с помощью вилки. Сначала туда передвигается блокировочное кольцо. Появляется сила трения, благодаря которой происходит поворот блокировочного кольца из-за разности угловых скоростей элементов. Кольцо поворачивается до упора. Затем должны выровняться угловые скорости, после этого муфта двигается дальше и происходит зацепление.
Достоинства и недостатки механической КПП
Среди достоинств МКПП надо назвать:
- меньшую, по сравнению с другими видами трансмиссий, стоимость;
- меньшую массу КПП;
- высокий КПД;
- высокую динамику разгона автомобиля;
- топливную экономичность;
- простоту и ценовую доступность обслуживания.
Важные достоинства механической КПП ― возможность буксировки автомобиля и достаточно эффективное движение в условиях бездорожья.
Однако у МКПП есть и ряд недостатков:
- механические КПП не могут обеспечить такой же уровень комфорта, как другие трансмиссии;
- более сложный и требующий внимания процесс переключения передач;
- плавность хода автомобиля с МКПП хуже, чем у других трансмиссий;
- сцепление требуется периодически менять.
Выводы
Механическая КПП надежна и экономична. Такая трансмиссия отлично подойдет любителям быстрой езды и поездок по бездорожью. Для водителей, готовых «обменять» эти достоинства на меньший в сравнении с другими КПП комфорт, покупка автомобиля с МКПП ― очевидное решение.
Механическая коробка передач: устройство, эксплуатация, неисправности
Механическая коробка передач — это важный компонент автомобиля, который отвечает за передачу мощности от двигателя к колесам. Она состоит из сцепления, системы передач и подшипников. Механическая коробка передач позволяет выбрать оптимальную скорость и обеспечивает плавную передачу мощности на колеса. Avto.pro решил разобраться в устройстве механической коробки передач, ключевых особенностях ее обслуживания и эксплуатации, а также в неисправностях, с которыми может столкнуться автолюбитель.
Устройство механической коробки передач
Механическая КП конструктивно состоит из картера, валов с шестернями, механизма переключения передач, синхронизаторов и рычага. Типы валов: первичный, вторичный, промежуточный и дополнительный (в трехвальных КП). Связь первичного вала с коленвалом мотора осуществляется через комплект сцепления – пару дисков, маховик и выжимной подшипник.
Механическая коробка передач относится к т.н. ступенчатым коробкам – крутящий момент в ней меняется по ступеням (передачам). Для изменения ступени необходимо взаимодействие пары шестерен. Благодаря такому взаимодействию на ступенях изменяется передаточное число, т.е. обеспечивается изменение угловой скорости и крутящего числа.
Передаточное число – это отношение числа зубьев, находящихся на ведомой шестерне, к числу зубьев на шестерне ведущей. Если передаточное число будет больше единицы, передача является повышающей, а вот если меньше – то понижающей. В случае коробки передач чем больше передаточное число, тем ниже ступень. Если ступень является высшей, то передаточное число будет минимально возможным для данного агрегата. Сегодня наибольшее распространение имеют такие коробки передач:
- Пятиступенчатые (самые распространенные);
- Шестиступенчатые;
- Семиступенчатые.
Существует и агрегаты с меньшим или большим числом ступеней, однако их распространенность невелика. Другое дело – конструкции. Выделяют двух- и трехвальные коробки передач. Двухвальными МКПП оснащают переднеприводный легковой транспорт , тем временем как трехвальными – заднеприводный . К этому мы еще вернемся, а пока предлагаем в подробностях изучить устройство механической коробки передач.
Основные элементы агрегата
Как уже было сказано, механическая коробка передач преобразует крутящий момент. Этот момент передается к колесам. В том, чтобы снимать момент с коленчатого вала и сразу подавать его к колесам нет смысла – скорость вращения вала слишком велика. Для того чтобы автомобиль мог нормально двигаться как на низких, так и на высоких скоростях, нужен агрегат трансмиссии, который возьмет на себя задачу преобразования крутящего момента. В случае механической коробки передач изменение момента происходит наиболее простым способом – посредством взаимодействия шестерен разных конфигураций . К основным элементам такого агрегата относят:
- Картер;
- Первичный и вторичный вал, в тандеме с которыми работает и промежуточный вал с шестернями;
- Дополнительный вал с шестерней заднего хода (часто его называют четвертым валом);
- Несколько синхронизаторов;
- Механизм переключения скоростей с блокировочным и замковым устройствами;
- Рычаг переключения скоростей.
Разберем каждый из элементов подробнее. Картер включает в себя основные элементы трансмиссии . Он имеет связь с картером сцепления, который, в свою очередь, закреплен на двигателе. В силу того, что сцепленные шестерни испытывают значительные нагрузки, их необходимо смазывать – это предотвращает сухое трение и позволяет отвести излишки теплоты. Картер частично заполнен трансмиссионным маслом, которое и выступает в роли смазочного материала. Валы механической коробки передач фиксируются подшипниками, которые установлены в картере. Здесь же находятся шестерни с различным числом зубьев . В тандеме с ними работают синхронизаторы, которые позволяют плавно, быстро и без риска возникновения ударов включать передачу. Это становится возможным благодаря уравниванию скоростей вращающихся шестерен.
Крайне важным является механизм переключения. Именно он меняет передачи, однако управление осуществляется водителем при помощи рычага переключения скоростей , находящемся в салоне автомобиля. Замковое устройство предотвращает одновременное включение сразу двух передач, тем временем как блокировочное устройства не дает передачам выключаться самопроизвольно.
Подробнее о трехвальной коробке передач
Теперь вернемся к вопросу числа валов, который мы затронули в одном из разделов выше. МКПП бывают двух- и трехвальными. Для начала разберем трехвальную «механику», а затем вернемся к двухвальной. К основным элементам агрегата отнесем:
- Первичный (иначе называемый ведущим) вал;
- Промежуточный вал;
- Вторичный (иначе называемый ведомым) вал с блоками шестерен с синхронизаторами;
- Картер, в котором расположены указанные элементы и механизм переключения передач.
Ведущий вал трехвальной МКПП имеет шлицы, обеспечивающие соединение с ведомым диском сцепления. Крутящий момент, получаемый от ведущего вала, передается через соответствие шестерни, которые сцепляются с ним.
Промежуточный вал всегда располагается параллельно ведущему валу. На нем расположен блок шестерен, одна из которых и должно быть сцеплена с параллельно расположенной шестерней ведущего вала. Что касается ведомого вала, то он находится на одной оси в ведущим. Это возможно благодаря использованию торцевого подшипника на ведущем валу, в который также входит ведомый вал . При этом блок шестерен последнего не имеет жесткого крепления и может вращаться свободно. При этом шестерни промежуточного и ведомого вала, так же как и шестерни ведущего, находятся в постоянном зацеплении.
Читатель наверняка догадался, что между шестернями ведомого вала устанавливаются синхронизаторы, иначе называемые муфтами синхронизаторов . Их работы основана на выравнивании угловых скоростей шестерен за счет сил трений. Синхронизаторы закреплены на ведомом валу, однако они могут двигаться по вдоль вала благодаря шлицевому соединению. В современных агрегатах синхронизатором оснащена каждая из передач.
В трехвальной коробке передач механизм подключения находится прямо в корпусе агрегата. Он представляет собой совокупность рычага управления и т.н. ползунов с вилками. В тандеме с этим механизмом работает и устройство блокировки. Управляется все механизмы дистанционно, т.е. посредством манипуляций с рычагом переключения передач , который выведен в салон автомобиля.
Принцип работы механической коробки передач [МКПП]
Принцип работы механической коробки передач на примере 2-х и 5-ти ступенчатой трансмиссии
У водителя автомобиля с механической коробкой, часто возникают вопросы:
- Что происходит внутри коробки, когда двигается ручка переключения скоростей?
- Когда путаешь передачи (скорости), то слышен ужасный скрежет, что это там так скрипит?
- Что произойдет, если включить заднюю скорость, двигаясь на машине вперед?
В статье разберемся, как работает механическая коробка передач, параллельно ответив на все вопросы.
Для чего машине трансмиссия
Автомобилю коробка передач (трансмиссия) необходима из-за особенностей работы двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, каждый двигатель имеет предельную допустимую частоту оборотов – максимальное значение оборотов в минуту, превысив которое он просто взорвется. Во-вторых, двигатели имеют узкий диапазон оборотов, при которых крутящий момент и мощность находятся на максимуме. Например, двигатель может выдавать максимальную мощность при 5500 оборотах в минуту. Коробка передач изменяет передаточное отношение между двигателем и ведущими колесами во время ускорения и замедления автомобиля. Переключая передачи, вы разгружаете работу двигателя, который не достигает предельно допустимой частоты оборотов.
Коробка связана с двигателем через муфту, поэтому входной вал коробки делает столько же оборотов, сколько и двигатель.
Пятиступенчатая МКПП применяет одно из пяти передаточных чисел к входному валу, чтобы произвести различное значение количества оборотов на выходном валу. Вот несколько типичных передаточных чисел:
ПЕРЕДАЧА
ПЕРЕДАТОЧНОЕ ЧИСЛО
КОЛИЧЕСТВО ОБОРОТОВ В МИНУТУ НА ВЫХОДНОМ ВАЛУ С ДВИГАТЕЛЕМ В 3000 ОБОРОТОВ
Сколько скоростей нужно МКПП для эффективной работы, читайте тут.
Основы конструкции трансмиссии на примере двухступенчатой МКПП
Чтобы понять основную идею стандартной КПП, на рисунке приведен пример двухступенчатой коробки в нейтральном положении.
Рассмотрим каждую часть, изображенную на рисунке, чтобы разобраться в том, как они взаимодействуют.
- Вал (ось) зеленого цвета идет от мотора машины через сцепление. Зеленая зубчатая передача и зеленая ось соединены в единое целое. Сцепление представляет собой устройство, соединяющее/рассоединяющее двигатель с коробкой. Когда выжимается педаль сцепления, двигатель машины с коробкой рассоединяются, так, двигатель может продолжать работу, даже если автомобиль никуда не движется. Когда вы убираете ногу с педали сцепления, мотор и зеленая ось напрямую связываются друг с другом. Зеленая ось и зубчатая передача вращаются с тем же значением количества оборотов в минуту, что и двигатель.
- Красная ось и зубчатые передачи называются промежуточным валом. Они также связаны между собой образуя единое целое, поэтому все зубчатые передачи промежуточного вала и сам промежуточный вал вращаются как единое целое. Зеленый и красный оси связаны между собой через зацепляющие шестерни, поэтому, если вращается зеленый, то вращается и вал красного цвета. Так, вал промежуточного звена получает питание непосредственно от двигателя автомобиля при включенном сцеплении.
- Желтый вал – шлицевой (вторичный, ведомый) вал, который подключен непосредственно к ведущему валу через дифференциал и к ведущим колесам автомобиля. Если вращаются колеса, с ними вращается желтый вал.
- Синие зубчатые передачи (или ведомые шестерни) вращаются на желтом валу на подшипниках, поэтому не зависимы от него. Если двигатель выключен, но автомобиль движется по инерции, желтый может крутиться внутри шестерен синего цвета, но сами синие шестерни и промежуточный вал останутся неподвижными.
- Маховик (муфта включения передач) связан в единое целое с желтым валом вращаясь вместе с ним. Роль маховика в подключении к одной из синих зубчатых передач, чтобы передавать их инерцию колесам машины. Чтобы присоединиться к синей шестерне, зубчики маховика, называемые «собачьими зубами», входят в специальные отверстия по бокам шестерни.
Включим первую скорость
На рисунке ниже показано как маховик присоединяется к синей шестерне, расположенной справа, на первой скорости.
На иллюстрации ось зеленого цвета, подключенная к двигателю, вращает ось промежуточную, которая крутит шестерню синего цвета, расположенную справа. Эта шестерня через маховик передает свою энергию желтому валу вращая его. Тем временем, синяя шестерня, находящаяся слева, свободно вращается на подшипниках, никак не влияя на желтую ось.
Когда маховик находится между двумя синими шестернями (как показано на первом рисунке), трансмиссия пребывает в нейтральном положении, а обе шестерни свободно вращаются вокруг ведомой оси, при этом с разной скоростью.
Когда вы делаете ошибку при переключении скоростей и слышите ужасный скрежет, неприятный звук издают «собачьи зубы», которые напрасно пытаются найти отверстия, для присоединения к синей шестерне, так как она вращается быстрее, чем крутятся колеса машины и как следствие маховик не может захватить шестерню. В коробке, показанной выше, нет синхронизатора (о нем позже), поэтому при работе на такой коробке сцепление выжимается дважды. Двойное сцепление было распространено в старых автомобилях и все еще используется в некоторых гоночных авто, но в уже усовершенствованной форме. При двойном сцеплении выжимается педаль сцепления первый раз, чтобы отсоединить двигатель от коробки. Это уберет давление с собачьих зубцов, чтобы перевести маховик в нейтральное положение. Затем вы убираете ногу с педали сцепления и увеличиваете число оборотов двигателя до «правильной скорости». Понятие «правильная скорость» – это значение количества оборотов в минуту, при котором двигатель будет работать на следующей скорости. Идея состоит в том, чтобы скорость вращения синей шестеренки следующей передачи и маховика совпадали для облегчения вхождения собачьих зубцов в нужные отверстия (т.е. что бы не было того самого скрежета). Затем вы выжимаете педаль сцепления во второй раз попадая «собачьими зубами» в следующую передачу. При каждом переключении передач нужно выжать сцепление два раза, отсюда понятие «двойное сцепление». Малые линейные движения ручки переключения передач меняют скорость автомобиля. Ручка переключения движет стержень, который соединен с вилкой. Вилка двигает маховик по желтой оси, чтобы тот присоединил одну из двух передач.
Конструкция классической 5 ступенчатой МКПП
В пятиступке механизм переключения скоростей немного сложнее. В ней стоят три вилки управляемые стержнями, которые, в свою очередь, управляются рычагом переключения скоростей. Если смотреть на смещение стержней сверху, то скорости идут в обратном порядке. Вот, что мы имеем в виду:
Передвигая рычаг влево-вправо, вы привлекаете к процессу разные вилки (соответственно и разные маховики). Двигая рычаг вперед-назад, вы передвигаете один и тот же маховик, но только присоединяете его к шестеренкам разных передач.
Задняя скорость включается маленькой промежуточной шестеренкой (на рисунке изображена фиолетовым цветом). Синяя шестеренка, изображенная на рисунке, постоянно движется в противоположном ко всем остальным синим шестеренкам, направлении. Вот ответ на вопрос — невозможно переключить трансмиссию автомобиля на заднюю скорость, когда автомобиль движется вперед.
Синхронизаторы для МКПП
Чтобы не использовать двойне сцепление, в МКПП ставят синхронизаторы. Цель синхронизатора заставить маховик вступить во фрикционный контакт с синей шестеренкой, до того, как собачьи зубцы присоединятся к шестеренке. Это позволяет маховику с синей шестерёнкой синхронизировать скорость вращения, до вовлечения в процесс собачьих зубцов.
Конус на синей шестеренке соответствует конусообразному углублению в маховике, так, трение между конусом шестерни и маховиком синхронизирует скорость вращения синей шестерни и маховика. Затем, внешняя часть маховика цепляется к нужной передаче собачьими зубцами.
Каждый производитель реализует синхронизацию своим способом, но мы описали главный принцип работы этого механизма.
О том, что лучше, автоматическая или механическая коробка, читайте здесь.
