Мы уже рассказывали о том, как действует двигатель внутреннего сгорания. Пора посмотреть, как устроен и работает агрегат, помогающий передавать энергию двигателя колёсам, — коробка передач. Садитесь поудобнее: сейчас всё расскажем.
Сегодня в автомобилях используют коробки передач разных типов, радикально отличающихся по конструкции — каждая со своими достоинствами и недостатками. Но для начала давайте ответим на самый важный вопрос…
Зачем вообще автомобилю нужна коробка передач?
Из-за особенностей работы ДВС. При низких оборотах ему не всегда хватает сил (крутящего момента) вращать колёса и двигать автомобиль. Чтобы помочь мотору, нужно дать ему возможность при маленькой скорости движения машины крутиться быстрее — для этого двигатель соединяют с колёсами через передачу.
Простейшая передача — это две шестерни разного размера, сцепленные зубьями. Представьте, что у одной зубьев в три раза больше, чем у другой. Тогда за один оборот большой шестерни малая сделает уже три оборота. И напротив, соединив двигатель с маленькой шестернёй, а колёса — с большой, мы заставим их крутиться в три раза медленнее коленвала. Ещё один плюс: крутящий момент, вращающий колёса, тоже будет в три раза выше крутящего момента двигателя.
Но когда скорость автомобиля возрастёт вдвое, обороты мотора увеличатся уже в шесть раз. А он не может вращаться слишком быстро — топливо просто не будет успевать сгорать. Поэтому по мере разгона двигателю потребуется другая пара шестерён — с менее кардинальной разницей в количестве зубьев (её называют передаточным отношением). В современных легковых автомобилях 5–6 разных передач (или ступеней), а у некоторых и девять. А коробка передач — это агрегат, в котором все они собраны вместе.
То есть коробка передач — это просто набор шестерён?
И да, и нет. В реальности всё сложнее. Как например цены на коробку передач нива шевроле могут быть разными. Помимо самих передач нужны ещё механизмы, которые позволяют эти передачи менять. Да и шестерни — лишь один из видов передач. За сто с лишним лет существования автомобилей придумано множество механизмов — от простейших шкивов, между которыми перебрасывался приводной ремень (подобно тому, как это делается с цепью на велосипедах), до совсем экзотических конструкций. И сегодня в автомобилях используют четыре типа коробок передач: механическую, гидромеханическую, роботизированную и вариатор. Каждая работает по-своему.
Механическая коробка передач
Устройство механической коробки передач ближе всего к примеру, который мы рассмотрели в самом начале. Передачи в ней — это как раз пары шестерён: ведущая плюс ведомая, с разными передаточными отношениями. Все ведущие шестерни насажены на входной вал от двигателя, а ведомые — на выходной, передающий крутящий момент колёсам. Но первые жёстко соединены с валом, а вторые могут свободно вращаться независимо от вала.
Если ведомую шестерню (на рисунке они внизу) любой из передач всё-таки зафиксировать на валу — жёстко с ним связать, то двигатель будет крутить колёса с соответствующим передаточным отношением.
Для фиксации шестерён на выходном валу в коробке передач применяются зубчатые муфты, которые могут двигаться вдоль его оси. Водитель, выжимая сцепление, отсоединяет входной вал (а с ним и ведомые шестерни) от двигателя. Потом водитель рычагом включает передачу — сдвигая муфту к нужной шестерне. Между шестернёй и муфтой есть ещё фрикционное кольцо — синхронизатор. Движение муфты заставляет его прижиматься к шестерне и тормозить её или разгонять до скорости вращения вала. Когда скорости вращения шестерни и муфты выравниваются, муфта своими зубцами соединяется с шестернёй и передача включается. Водителю остаётся только аккуратно отпустить сцепление, снова подключив коробку передач к мотору.
1/2
Как устроен задний ход? Чтобы автомобиль поехал назад, выходному валу коробки нужно начать вращаться в обратную сторону. Для этого шестерни на входном и выходном валах просто соединяются ещё одной, промежуточной. А поскольку задний ход мы включаем на неподвижном автомобиле (когда валы в коробке не крутятся), заднему ходу не требуются синхронизатор и муфта. Обычно двигается вдоль своей оси сама промежуточная шестерня, цепляясь зубцами за остальные.
Поначалу точно так же, кстати, работали все передачи на первых механических коробках в автомобилях — но на ходу включить их было намного труднее синхронизированных, повышался износ зубьев. Так появились те коробки передач, которыми мы привыкли пользоваться сегодня.
Если вы решили купить кпп ваз 2106 то обратите внимание на роботизированные коробки передач
Со временем инженеры захотели облегчить водителям жизнь, переложив работу со сцеплением и переключением передач на автоматику. Так появились роботизированные коробки.
Самый простой вариант «робота» — это обычная механическая коробка, в которой муфты перемещаются с помощью сервоприводов по команде электроники. Другие сервоприводы в нужный момент выжимают и отпускают сцепление. Но на практике в простейших «роботах» электроника переключает передачи как водитель-новичок — грубо и медленно.
1/3
Куда лучше работают преселективные роботизированные коробки. В них передачи включаются так же — муфтами с синхронизаторами, а крутящий момент передаётся шестернями от входного вала к выходному. Только в преселективной коробке используется четыре вала. На одной паре стоят шестерни чётных передач, на второй – нечётных. Сцеплений тоже два, каждое для своего входного вала. Если совсем грубо, то преселективная роботизированная коробка — это две обычные коробки, совмещённые в одной.
Как это работает? Пока автомобиль едет, например, на третьей передаче, автоматика заранее (отсюда и название «преселективная») включает четвёртую передачу — если машина разгоняется, или вторую — если автомобиль замедляется. При этом сцепление, которое связано с «чётным» валом, разомкнуто, и связи с двигателем у этой части коробки нет. Переход с третьей на четвёртую передачу происходит в момент, когда отключается одно сцепление и одновременно включается второе. После чего на недействующем теперь «нечётном» ведомом валу запускается пятая (или первая) ступень, и в нужный момент рокировка сцеплений происходит вновь. Смыкать и размыкать сцепления электроника умеет быстро и почти незаметно для водителя, поэтому и смена передач здесь молниеносная и практически без разрыва тяги.
Вот почему такие коробки стали часто использоваться на спортивных автомобилях.
Гидромеханическая коробка передач
Коробка, которую в просторечии называют «автомат», потому что она тоже переключает ступени без участия водителя. Но основа её конструкции — не пары шестерён, а планетарный редуктор, который устроен сложнее (смотрите рисунок). В нём есть центральная (солнечная) шестерня, коронная шестерня — кольцо с зубцами на внутренней поверхности, и несколько сателлитов — маленьких шестерён, которые сцеплены одновременно с солнцем и с короной. Оси вращения сателлитов соединены между собой ещё одной деталью — водилом. При этом солнечная, коронная шестерня и водило могут вращаться вокруг одной воображаемой оси.
Уникальность планетарного редуктора в том, что его передаточное отношение не фиксированное, как у простейшей передачи с двумя шестерёнками, а может меняться — в зависимости от того, как вращаются его части. Когда коронная шестерня неподвижна, водило крутится в несколько раз медленнее солнечной. Но если и корона начнёт вращаться в ту же сторону, передаточное отношение от солнца к водилу будет уменьшаться — и когда корона «догонит» остальных, оно станет равным единице. А дальше с ростом её скорости передача станет повышающей, то есть выходной вал начнёт крутиться быстрее входного!
И если передавать вращение от входного вала коробки передач к выходному через несколько таких «планетарок», соединяя разные их части в разных комбинациях — и, за счёт этого, заставляя их крутиться с разными скоростями, то получится коробка с несколькими передачами. Можно даже заставить выходной вал вертеться в противоположную сторону — для заднего хода. Причём для 6-ступенчатого «автомата» достаточно всего трёх планетарных редукторов, а с четырьмя уже можно сделать 10 передач!