Любой автомобиль нуждается в коробке передач. Ее необходимость обусловлена физическими свойствами двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, у любого двигателя есть так называемая красная зона — максимальная скорость, превышение которой не имеет последствий для двигателя. Во-вторых, любой двигатель имеет диапазон оборотов, в котором мощность и крутящий момент на самых высоких уровнях довольно узкие.
Например, двигатель может развивать максимальную мощность при 5500 об / мин. Трансмиссия позволяет изменять передаточные числа между двигателем и ведущими колесами во время ускорения и замедления транспортного средства. Самым оптимальным режимом, конечно же, будет тот, в котором при переключении передач вы следите за тем, чтобы двигатель находился в зоне его эффективного диапазона рабочих скоростей.
Особенности конструкции
В идеале трансмиссия должна быть настолько гибкой в выборе передаточных чисел, чтобы двигатель постоянно находился в определенном оптимальном состоянии с точки зрения тяги.
Эта идея лежит в основе постоянно меняющейся трансмиссии (CVT) или вариатора. Ну а теперь непосредственно о механической коробке передач.
Трансмиссия соединена с двигателем через муфту. Входной вал трансмиссии вращается с частотой вращения двигателя. Любая коробка передач использует столько передаточных чисел для изменения частоты вращения выходного вала, сколько имеет.
Чтобы понять принцип работы механической коробки передач, рассмотрим схему, показывающую простейшую работу двухступенчатой коробки передач.
Зеленый вал (называемый первичным валом) соединен с двигателем через муфту. Напомним, что сцепление — это устройство, позволяющее подключать и отключать двигатель от трансмиссии. Таким образом, при включенном сцеплении первичный вал и шестерня вращаются с частотой вращения двигателя.
Вал с красными шестернями называется промежуточным валом. Он также выполнен цельным, т.е все шестерни и вал вращаются вместе. Первичный и промежуточный валы напрямую связаны друг с другом, т.е когда первичный вал вращается, вторичный вал всегда вращается. Таким образом, промежуточный вал всегда получает крутящий момент от двигателя при включенном сцеплении.
Желтый вал (выходной вал) — это шлицевой вал, который соединяется непосредственно с приводным валом (ведущими валами), а затем через дифференциалы с колесами автомобиля. Таким образом, если колеса вращаются, выходной вал тоже вращается.
Шлицы выходного вала используются для фиксации шестерен определенной передачи (они отмечены синим цветом на рисунке) и передачи крутящего момента через это соединение от двигателя к ведущим колесам. Эти шестерни опираются на подшипники, поэтому они могут свободно вращаться вокруг выходного вала механической коробки передач, если передача не включена. Таким образом, если двигатель выключен (или двигатель работает, но ни одна из передач не включена) и автомобиль движется свободно, то выходной вал может вращаться в пределах соответствующих шестерен, в то время как эти же шестерни и промежуточный вал остаются неподвижными.
Для соединения выбранной шестерни с выходным валом используются так называемые муфты. Муфта шлицевого соединения непосредственно с выходным валом и вращается вместе с ним. Сама муфта может скользить влево и вправо по валу. Это необходимо для зацепления (зацепления) одной из шестерен с выходным валом. При этом само сцепление входит в зацепление с ведомой шестерней.
Включение и работа на выбранной передаче
Для включения первой передачи муфта включает правую передачу. Входной вал двигателя вращает промежуточный вал, который переводит включенную передачу в выбранную передачу. Эта шестерня передает энергию вращения двигателя через муфту на коленчатый вал. При этом вторая шестерня свободно вращается на подшипнике без зацепления с выходным валом.
Когда сцепление находится между двумя передачами, трансмиссия находится в нейтральном положении. Для включения второй передачи необходимо выключить сцепление с правой передачи и включить левую.
Вы, вероятно, поймете, что довольно сложно задействовать две части, которые вращаются с разной скоростью. Кроме того, в рассмотренной выше трансмиссии нет достаточно важных элементов МКПП — синхронизаторов. Поэтому при использовании такой трансмиссии необходимо дважды нажать сцепление. Первое нажатие на педаль сцепления (выключение) позволяет нам отключить двигатель от трансмиссии, сбросить (сбросить) давление из канавок сцепления, выключить сцепление и поставить его в нейтральное положение.
В то же время двигатель снижает скорость и, когда педаль сцепления отпускается, скорость вращения трансмиссии и промежуточных валов коробки передач также уменьшается (выравниваются скорости на уровне включенной передачи). В этом случае следующая передача (шестерня следующей передачи) и сцепление вращаются с одинаковой скоростью, и мы можем зацепить шлицы сцепления с шестерней. Затем мы снова выключаем сцепление и перемещаем сцепление, пока оно не войдет в зацепление со звездочкой следующей передачи. Жесткий? Медленно? Однако всего 30 лет назад он получил широкое распространение.
В механических коробках передач современных автомобилей используются синхронизаторы, чтобы избежать необходимости дважды нажимать на сцепление при каждом переключении передачи. Задача синхронизатора — обеспечить фрикционный контакт между муфтой и звездочкой до того, как шлицы начнут зацепляться. Это позволяет сцеплению и ведущей шестерне синхронизировать свои скорости перед включением.
Синий зубчатый конус входит в выемку конуса в муфте сцепления. В результате трение между муфтой и конусом шестерни синхронизирует их скорости. В этом случае внешняя часть сцепления легко входит в пазы ведущей шестерни.
5-ступенчатая механическая коробка передач довольно распространена в современных автомобилях. Три вилки управляются тремя тягами, управляемыми рычагом переключения передач. Обратите внимание, что вал переключения передач вращается вокруг своей средней точки. Когда вы нажимаете рычаг переключения передач вперед, чтобы включить 1-ю передачу, шток переключения передач и вилка фактически перемещаются назад.
При перемещении рычага переключения передач влево или вправо задействуются разные вилки (и, следовательно, разные муфты). При перемещении рычага переключения передач вперед или назад сцепление включается с одной из двух передач. Задний ход осуществляется небольшой холостым ходом (фиолетовый). Синий реверс всегда вращается в направлении, противоположном направлению всех остальных синих шестерен. Вот почему невозможно включить задний ход, пока автомобиль движется вперед — канавки никогда не подходят. Однако шум будет вам обеспечен!