На пути перехода от экипажей на конной тяге к автомобилю с двигателем внутреннего сгорания конструкторы сталкивались со множеством проблем, которые требовали решения. Одной из них стала необходимость совместить диапазоны оборотов мотора и колес. Интервал рабочих оборотов двигателя от 800 до примерно 8000 об/мин. Частота вращения колес до 1500 об/мин. Без введения промежуточного звена такую задачу не решить. В результате работы над решением вопроса совместимости частоты вращения появилась механическая КПП (коробка перемены передач). В России ее впервые применил И.П. Кулибин на своей «самокатной тележке» в конце XVIII в. Несмотря на появление впоследствии более удобных автоматических КПП, механическая коробка передач используется в автомобилях и поныне.
Преимущества и недостатки механической КПП
Коробки передач подразделяются виды: ступенчатые и бесступенчатые. Механическая относится к первому виду. По сравнению с остальными старая добрая «механика» обладает рядом достоинств:
- простота конструкции;
- надежность;
- ремонтопригодность;
- самая маленькая потеря мощности при передаче от двигателя к колесам;
- высокая скорость переключения;
- невысокая стоимость изготовления.
Благодаря этим качествам механическая КПП остается до сих пор в строю. К недостаткам можно отнести:
- необходимость обладания специфическим навыком управления (плавный выжим сцепления);
- высокая утомляемость водителя при большом количестве циклов трогание-остановка.
Сцепление
Механизм сцепления обязательно входит в устройство всех МКПП. Служит он для прерывания потока мощности от двигателя к коробке передач. Это необходимо сделать для того, чтобы скорости вращения шестерен можно было уравнять при переключении.
В большинстве автомобилей используется сухое однодисковое фрикционное сцепление. Его составные части:
- картер сцепления;
- корзина сцепления с диафрагменной пружиной (она же ведущий диск);
- ведомый диск сцепления;
- выжимной подшипник;
- вилка выключения сцепления;
- привод выключения (гидравлический или тросовый);
- педаль выключения.
Принцип работы сцепления: в обычном состоянии оно замкнуто, ведущий и ведомый диски плотно прилегают друг к другу. Размыкает его водитель, нажимая соответствующую педаль. Далее посредством гидравлического или тросового привода воздействие передается на вилку выключения сцепления, которая через выжимной подшипник отодвигает ведомый диск от ведущего, и двигатель с МКПП оказываются разобщенными.
Устройство МКПП
Величина крутящего момента, передаваемого от двигателя приводному валу, должна соответствовать условиям движения. Для ее изменения и служит механическая коробка передач, внутри корпуса которой находятся валы с шестернями. Принцип работы коробки передач прост: изменение величины передаваемого крутящего момента происходит ступенчато посредством перемены пар шестерен, находящихся в зацеплении.
Механическая коробка передач состоит из следующих частей:
- картер КПП — корпус, в котором расположены детали;
- первичный вал — ведущий, на который передается крутящий момент от двигателя;
- вторичный вал – ведомый;
- промежуточный вал;
- шестерни;
- промежуточная шестерня заднего хода;
- синхронизаторы;
- механизм переключения.
Устройство агрегатов для переднеприводных и заднеприводных машин различно. Это связано с расположением двигателя. Мотор в переднеприводных автомобилях расположен поперек продольной оси. Такое положение требует от КПП компактности. Достигается это использованием конструкции с двумя валами. Задне- и полноприводные автомобили имеют продольно расположенный силовой агрегат, что позволяет использовать в конструкции коробки три вала.
Шестерни, расположенные на валах механической КПП, имеют разный диаметр и число зубьев. За счет этого меняется передаваемый крутящий момент. Если диаметр и число зубьев ведущей шестерни меньше, чем у ведомой, то момент увеличивается, если наоборот — то уменьшается. Соотношение количества зубьев ведомой и ведущей шестерни называется передаточным числом. Чем оно больше, тем с меньшей скоростью вращается ведомая шестерня. В трехвальных МКПП одна из передач имеет соотношение 1:1. В этом случае момент, передаваемый от двигателя, не изменяется. Как правило, такое передаточное число соответствует четвертой передаче.
Для получения заднего хода в зацепление входят три шестерни. Нечетное количество шестерен заставляет вторичный вал изменить направление вращение на противоположное.
Современные МКПП легкового автомобиля могут иметь от четырех до семи передач. В коробках грузовых автомобилей применяются дополнительные устройства: делители и демультипликаторы, которые позволяют добиться количества передач, выражаемого двузначными числами.
Принцип действия
Для того, чтобы водитель мог включить необходимую передачу, необходимо временно разъединить двигатель и первичный вал МКПП. В коробках с механическим управлением для этой цели служит сцепление. В автомобилях используют дисковые сцепления, использующие силу трения между рабочими поверхностями двух дисков — ведущего и ведомого.
Выжимая педаль сцепления, водитель разобщает двигатель и коробку, получая возможность с помощью управляющего рычага поменять пары шестерен, находящиеся в зацеплении. Но валы коробки, даже и отсоединенной от двигателя с помощью сцепления, продолжают вращаться. Скорость вращения при этом у них разная. Поэтому зубья шестерен, входящих в зацепление, не совмещены между собой и с силой соударяются друг об друга. Нагрузка, возникающая при этом, весьма велика и сокращает срок службы деталей. Чтобы снизить отрицательный эффект соударения, конструкторы ввели в устройство механической КПП синхронизаторы.
Синхронизатор представляет собой муфту с внутренними зубьями и конусными зубчатыми кольцами. Шестерни синхронизированной коробки передач имеют конические поверхности, соответствующие поверхностям колец. Принцип работы: выравнивание скоростей вращения происходит за счет сил трения, возникающих между шестернями и кольцами муфты синхронизатора.
Управление
Для переключения передачи в механической КПП водитель должен проделать следующую последовательность действий:
- выжать педаль сцепления;
- перевести рычаг КПП в нейтральное положение;
- не опуская педали перевести рычаг в положение, соответствующее выбранной передаче;
- плавно отпустить педаль сцепления.
Схема расположения передач для удобства наносится на рукоятку рычага переключения коробки. Каждая передача имеет свой номер, от единицы и далее. Чем он больше, тем меньше передаточное число. Начиная с пятой передаточные числа меньше единицы. Такие передачи называют повышающими, так как ведомая шестерня в этом случае вращается быстрее ведущей. Их используют для движения с высокой скоростью, позволяя двигателю работать с меньшей нагрузкой. Передача заднего хода маркируется латинской буквой R.
Опытному водителю схема переключения не нужна. Достаточно один раз ее запомнить, и сверяться с ней уже нет необходимости. Гораздо сложнее научиться переключать передачи без рывков и пробуксовки сцепления. Навык плавного переключения передач требует длительной тренировки, и не всем дается сразу. Поэтому конструкторы искали и продолжают искать способы упростить водителю процесс управления классической «механикой».
Пик развития — роботы
На помощь в нелегком деле совершенствования конструкции механической коробки передач пришла электроника. С ее помощью реализовали управление переключением передач без участия водителя. Такие КПП называют роботизированными. Оставаясь конструктивно механическими, и имея в своем устройстве такую часть, как фрикционное сцепление, процесс выжима и переключения они берут на себя.
Такое устройство позволяет сохранить относительную простоту самой коробки и приблизиться к комфорту управления автоматических трансмиссий. Но избавившись от ряда недостатков МКПП, новые агрегаты приобрели собственные, присущие только им.
Поскольку механизм сцепления никуда не делся, возникла проблема: при трогании на подъеме машина откатывается назад. Связано это с тем, что при размыкании ведомого и ведущего дисков автомобиль ничто не удерживает — водитель в этот момент переносит ногу с педали тормоза на акселератор. Решают возникшее затруднение двумя путями — внося коррективы в алгоритм управления, заставляя автомобиль сбрасывать давление в тормозной системе с задержкой, или вводя в конструкцию второе сцепление. Тогда при переключении одно из них остается замкнутым.
Будущее МКПП
В итоге автопроизводители продолжают использовать механическую коробку передач в конструкции своих машин. Благодаря сочетанию простоты и невысокой стоимости ей практически нет альтернативы в сегменте доступных по цене авто. Уважают ее и любители спортивной езды за возможность быстрого переключения, надежность и неприхотливость. Несмотря на почтенный возраст конструкции, принцип действия которой за долгое существование практически не изменился, старая добрая «механика» остается самым распространенным вариантом трансмиссии в автостроении.
