Механическая коробка передач — устройство и описание работы

МКПП принято называть «механикой», «ручкой» и другими бытовыми терминами, что мало отражает суть принципиальных особенностей ручного управления трансмиссией. Такие режимы предусмотрены и в автоматических коробках, где наборы переключаемых шестерён также присутствуют, а выбор передач дискретен. Тем не менее, механическая коробка передач с управлением от рычага – это вполне определённое устройство в ряду типов трансмиссий.

Основные особенности, определяющие МКПП

Их можно перечислить:

• водитель по своему усмотрению выбирает нужную ему передачу при помощи рычага на трансмиссионном тоннеле или рулевой колонке;
• передаточные числа, то есть отношение скоростей вращения вторичного и первичного валов коробки дискретны, то есть однозначно определяются задействованным на данный момент набором шестерёнчатых передач;
• для разрыва потока мощности от двигателя используется управляемая водителем при помощи педали муфта сцепления;
• в составе коробок имеется практически одинаковый для всех набор шестерён, муфт, синхронизаторов и валов;
• список принципиальных схем для применяемых в последнее время МКПП достаточно невелик и определяется компоновкой и приводом автомобиля.

Основой работы МКПП является работа пары шестерён, от соотношения количества зубьев на которых зависит величина передаточного числа. Оперативно меняя задействованные пары, можно устанавливать нужное число со входа коробки на выход.

Общая схема работы коробки

Крутящий момент от двигателя поступает на ведущий диск сцепления, к которому мощной пружиной прижат ведомый. При помощи выжимного подшипника связь эту можно разорвать, сжав пружину и сняв давление между дисками. Но если сцепление включено, то дальше вращение через шлицевую ступицу ведомого диска передаётся первичному валу МКПП.

В коробке имеется два или более валов, на которых через подшипники или жёстко закреплены наборы шестерён. Каждая пара, находящаяся в постоянном зацеплении между собой, отвечает за конкретную передачу. Количество таких пар соответствует количеству ступеней, иногда называемых скоростями, в коробке. Соответственно, МКПП может содержать от трёх ступеней в устаревших автомобилях, до шести. Больше в легковых автомобилях практически не используется.

Включение передачи производится путём фиксации свободно вращающейся шестерни из определённой пары на валу. Для этого имеются соответствующие механизмы – муфты, ступицы и синхронизаторы. Все прочие шестерни вала продолжают свободное вращение, что исключает одновременное включение двух передач. За этим тоже следят необходимые механические блокировки.

Выходной вал коробки может иметь фланец для передачи момента на прочие элементы трансмиссии или связь со встроенным в МКПП дифференциалом в случае объединения в одном картере коробки передач и деталей ведущего моста.

Изменяя относительную скорость вращения, коробка позволяет управлять передаваемым на ведущие колёса крутящим моментом, в зависимости от того, что требуется от автомобиля, высокая скорость или тяговое усилие. Двигатель всегда будет находиться в том диапазоне оборотов, где его характеристики обеспечивают достаточный момент, топливную экономичность и заданный ресурс.

Например:

• трогание с места производится с первой или второй передачи, когда коробка фактически увеличивает момент двигателя до максимума, сберегая сцепление, которому пришлось бы для этого трудиться с сильной пробуксовкой и быстро сжечь накладки ведомого диска;
• при разгоне с максимальной интенсивностью водитель последовательно переключает передачи вверх, то есть с первой до последней, на каждой выкручивая двигатель до оборотов максимальной мощности, чем больше передач в его распоряжении, тем выше будет отдача мотора в любой момент времени;
• во время движения в тяжёлых дорожных условиях на колёса подаётся максимальный момент при небольшой скорости, для чего включается пониженная передача, вплоть до первой, на которой передаточное число максимально.

Выбор передачи определяется характеристикой двигателя и опытом водителя. Ошибки ведут к повышению расхода топлива и росту темпов износа. Это один из недостатков МКПП, где многое зависит от человека. Автоматические трансмиссии не требуют ничего подобного.

Разновидности механических коробок

По конструктивному исполнению принято делить МКПП на основании количества ступеней и валов. Число передач относительно легко изменяется при проектировании простым добавлением пар шестерён с некоторым увеличением габаритов, а организация валов зависит от компоновки машины.

Трёхвальная конструкция

При продольном размещении силового агрегата, состоящего из двигателя с подстыкованной к нему коробкой, используется трёхвальная схема. Здесь имеются следующие элементы:

• первичный вал со шлицами для соединения со ступицей ведомого диска сцепления, шестерней постоянного зацепления и венцом синхронизатора прямой передачи;
• промежуточный вал, выполняемый либо в виде ряда жёстко посаженных шестерён, либо со свободным блокируемым вращением, что не принципиально, принимает момент от первичного вала через постоянное зацепление;
• вторичный вал, аналогично организованный с зафиксированными или свободными шестернями, с него непосредственно снимается выходной момент коробки.

Особенностью трёхвальной схемы является наличие прямой передачи, когда первичный вал вводится в зацепление со вторичным, а промежуточный работает вхолостую. Прямой может быть любая из передач, обычно от четвёртой и выше, в зависимости от замысла конструкторов автомобиля. Иногда всё, что выше прямой, называют овердрайвом, намекая на суммарное передаточное число ниже единицы.

Помимо перечисленного, в коробке имеются следующие узлы и детали, вне зависимости от схемы по количеству валов:

• муфты синхронизаторов, состоящие из рабочих конусов, блокирующих колец, зубчатых венцов и механизмов фиксации;
• подшипники, на которых вращаются валы и шестерни, в последнем случае они могут быть игольчатыми подшипниками качения или втулками скольжения, подшипники валов всегда шариковые или роликовые, могут быть с регулировкой преднатяга;
• штоки переключения, передающие усилия от внешних механизмов выбора через кулисы;
• вилки, посаженные на штоки и входящие в зацепление с кольцевыми проточками на внешней стороне муфт;
• жёсткий корпус, состоящий из нескольких деталей, в том числе и картера узла сцепления, через который коробка крепится к блоку двигателя;
• уплотнения сальникового и прокладочного типа;
• датчиков, самый распространённый – датчик спидометра, контролирующий вращение вторичного вала.

Механизмы смазываются разбрызгиванием жидкого масла, находящегося в картере коробки. Это специальное масло для МКПП, обычно категории GL4, что обеспечивает нормальную работу синхронизаторов. Иногда изготовители предписывают жидкости типа ATF, как более энергосберегающие.

Процесс включения передачи происходит следующим образом:

• усилие от рычага передаётся к механизму выбора и вызывает перемещение штока нужной передачи;
• в зависимости от направления перемещения, шток через вилку передвигает муфту синхронизатора в сторону зубчатого венца нужной свободной шестерни;
• блокирующее кольцо синхронизатора своим конусом давит на конус шестерни, вызывая трение, быстро притормаживающее свободную шестерню, что вызывает выравнивание скоростей вращения и бесшумное, безударное соединение зубчатых венцов;
• фиксаторы муфты защёлкиваются во включённом положении, внутренние зубья соединяют между собой шестерню и посаженную на вал ступицу, тем самым бывшая свободной шестерня жёстко соединяется с валом, начинается передача момента с нужным соотношением;
• на всех передачах, кроме прямой, вращение передаётся с первичного вала на промежуточный, а оттуда к вторичному, прямая исключает промвал, а передаточное число равно единице.

Привод механизма переключения может быть рычажным, тросиковым или прямым, когда рычаг из салона непосредственно входит в корпус коробки. Наиболее точно и с минимальными ходами работают двойные тросики, не уступая прямому приводу рычага.

Двухвальная коробка с поперечным расположением

Своим распространением данная схема обязана популярным переднеприводным автомобилям и кроссоверам на их базе. Характерным отличием от рассмотренной классики является отсутствие прямой передачи. Имеются первичный и вторичный валы, связь между которыми осуществляется по рассмотренному выше принципу использования шестерёнчатых пар, муфт, синхронизаторов, вилок и штоков.

Ещё одна особенность – размещение в том же корпусе главной передачи. Она состоит из корпуса дифференциала и ведомой шестерни с косозубым зацеплением. Ведущей выступает насаженная на конец вторичного вала ответная часть меньшего диаметра. Выход момента из коробки производится на шлицевые части приводов передних колёс с шарнирами равных угловых скоростей. Внутренние ШРУС с сальниковыми уплотнениями вставлены в коробку дифференциала на шлицы полуосевых шестерён. Вращение передаётся через палец дифференциала и пару сателлитов.

Плюсы и минусы механических коробок

Несмотря на неуклонное вытеснение со стороны АКПП, механика сохраняет немало приверженцев. Связано это с низкой ценой такого типа трансмиссии, а также с привычкой полностью держать под контролем переключение передач. Прочие достоинства МКПП уже практически потеряли актуальность, поскольку различные типы автоматов сравнялись, а иногда и превосходят ручную механику по экономичности, скорости переключений, прогнозируемости и количеству доступных ступеней.

Сохранность механики в перечнях комплектаций новых автомобилей на данный момент можно обосновать лишь экономическими соображениями. Они более доступны при покупке, обслуживании и ремонте. При этом все минусы остаются и усугубляются. Ручное переключение крайне неудобно в городском трафике, отвлекает водителя, нагружает левую ногу педалью сцепления. А плавность хода определяется способностями водителя, что не каждому понравится. Следует ожидать полного пропадания таких коробок с рынка, что уже и произошло на многих относительно дорогих моделях автомобилей.