Устройство и принцип работы коробки передач

Чтобы автомобиль передвигался по дороге, мало иметь под капотом мощный и эффективный мотор. Крутящий момент от коленчатого вала должен как-то передаваться на ведущие колеса транспортного средства.

С этой целью был создан специальный механизм – коробка передач. Рассмотрим ее устройство и назначение, а также чем отличаются разные модификации КП.

Назначение коробки передач

Если сказать коротко, то коробка передач предназначена для передачи крутящего момента от силового агрегата на ведущие колеса. Трансмиссия также преобразует скорость вращения коленвала так, чтобы водитель мог разогнать машину, не раскручивая мотор до максимальных оборотов.

Данный механизм подбирается под параметры ДВС, чтобы максимально использовать весь ресурс двигателя без ущерба для его деталей. Благодаря трансмиссии машина может выполнять движение как вперед, так и назад.

Все современные автомобили имеют такую трансмиссию, которая позволяет временно отключить жесткую сцепку коленвала с ведущими колесами. Это дает возможность машине двигаться на холостом ходу, например, плавно приближаясь к светофору. Данный механизм также позволяет не глушить двигатель, когда авто останавливается. Это необходимо для подзарядки аккумулятора и работы дополнительного оборудования, например, кондиционера.

Каждая КП должна соответствовать таким требованиям:

• Обеспечивать тягу автомобиля и экономичный расход топлива в зависимости от мощности и объема мотора;
• Простота в использовании (водитель не должен отвлекаться от дороги при изменении скорости ТС);
• Не издавать шум во время работы;
• Высокую надежность и кпд;
• Минимальные габариты (насколько это возможно в случае с мощными транспортными средствами).

Устройство коробки передач

На протяжении истории автомобилестроения данный механизм постоянно модернизировался, благодаря чему на сегодняшний день существует большое разнообразие трансмиссий, которые имеют много существенных отличий.

В устройство любой коробки передач входит:

• Корпус. В нем находятся все необходимые детали, обеспечивающие сцепку мотора с приводным валом, от которого вращение поступает на колеса.
• Резервуар с маслом. Так как в данном механизме детали соприкасаются друг с другом под большой нагрузкой, смазка обеспечивает их охлаждение и создает масляную пленку, которая защищает от преждевременной выработки на шестернях.
• Механизм передачи скорости. В зависимости от типа коробки в состав механизма могут входить валы, набор шестерен, планетарный редуктор, гидротрансформатор, фрикционные диски, ремни и шкивы.

Классификация КП

Существует несколько параметров, по которым производится классификация всех коробок. Таких признаков шесть. В каждом из них крутящий момент на ведущее колесо подается по собственному принципу и имеет различный способ выбора передачи.

По способу передачи потока мощности

В эту категорию вошли такие КП:

• Механическая КП. В такой модификации отбор мощностей производится зубчатой передачей.
• КП с соосными валами. Вращение передается тоже через зубчатую передачу, только ее элементы выполнены в конической или цилиндрической форме.
• Планетарная. Передача вращения производится через планетарный ряд, шестерни которого расположены в одной плоскости.
• Гидромеханическая. В такой трансмиссии механическая передача (в основном планетарный тип) используется совместно с гидротрансформатором или гидромуфтой.
• Вариаторная. Это разновидность КП, в которых не используется ступенчатая передача. Чаще всего такой механизм работает вместе с гидромуфтой и ременчатым соединением.

По числу основных валов с шестернями

При классификации КП по количеству валов различают:

• С двумя валами и одноступенчатым зацеплением оси. В таких трансмиссиях нет прямой передачи. Чаще всего такие модификации можно встретить в машинах с передним приводом. В некоторых моделях с задним расположением моторов также установлена подобная коробка.
• С тремя валами и двухступенчатым зацеплением оси. В этой категории есть модификации с соосными и несоосными валами. В первом случае имеется прямая передача. В поперечном разрезе она имеет меньшие габариты, а в длину немного большие. Такие коробки используются в заднеприводных авто. Вторая подкатегория не имеет прямой передачи. В основном такая модификация используется в машинах с полным приводом и в тракторах.
• С несколькими валами. В этой категории КП валы могут иметь последовательное или непоследовательное число зацеплений. Такие коробки передач используются в основном в тракторах и станках. Это позволяет увеличить количество передач.
• Без валов. В обычном транспорте такие КП не используются. Среди таких моделей бывают соосные и несоосные варианты. В основном они используются в танках.

Классификация планетарных КП

Планетарные коробки передач делятся по таким параметрам:

• Две, три, четыре и более степени свободы, когда все фрикционные элементы отсоединены;
• Тип планетарного ряда, который используется в механизме – эпициклический (основной венец имеет внутреннее или наружное расположение зубьев).

По способу управления

В данной категории имеются такие коробки:

• Ручная. В таких моделях выбор нужной передачи осуществляет водитель. Существует два вида ручных трансмиссий: переключение производится усилиями водителя или через сервопривод. В обоих случаях управление осуществляет человек, только вторая категория КП имеет сервоустройство. Оно получает сигнал от водителя, после чего устанавливает выбранную передачу. В машинах чаще всего используется гидравлический сервопривод.
• Автоматическая. Электронный блок управления определяет несколько факторов (степень нажатия акселератора, нагрузку, поступающую от колес, обороты коленвала и др.) и на основании этого сам определяет, когда включить повышенную или пониженную передачу.
• Робот. Это электромеханичесая коробка. В ней передачи включаются в автоматическом режиме, только ее устройство – как у обычной механики. При работе роботизированной трансмиссии водитель не участвует в переключении передач. Блок управления сам определяет, когда какую передачу включить. При этом переключение происходит практически незаметно.

По числу передач

Данная классификация самая простая. В ней все коробки разделяются по количеству передач, например, четыре, пять шесть и так далее. В эту категорию входят не только ручные, но и автоматические модели.

Типы коробок передач

Самая распространенная классификация – по типу самой коробки:

• Механика. В таких моделях выбор и переключение передач выполняется полностью усилиями водителя. В основном это редуктор с несколькими валами, работа которого осуществляется через шестеренчатую передачу.
• Автомат. Такая трансмиссия работает в автоматическом режиме. Выбор подходящей передачи осуществляется на основании параметров, которые замеряет система управления коробкой.
• Робот является разновидностью механической КП. Конструкция этой модификации практически ничем не отличается от обычной механики: в ней есть сцепление, а передачи включаются через подсоединение соответствующей шестерни на ведомом валу. Только управление выбором передач управляет компьютер, а не водитель. Достоинство такой трансмиссии – максимально плавное переключение.

Коробки передач с конструктивной спецификой

Помимо известных трансмиссий в транспортных средствах также могут применяться и уникальные модификации. Такие типы коробок имеют специфическую конструкцию, а вместе с ней и свой принцип работы.

Безвальная КП

Трансмиссии, в которых не используются валы с набранным комплектом шестерен, называются безвальными. В своей конструкции они имеют несколько рядов шестерен, расположенных в двух параллельных осях. Соединение шестерен осуществляется благодаря блокировке муфт.

Шестерни расположены на двух валах. Две из них закреплены намертво: на ведущем она установлена в первом ряду, а на ведомом – в последнем. Промежуточные шестерни, расположенные на них, могут играть роль ведущей или же ведомой в зависимости от сформированного передаточного числа.

Такая модификация позволяет увеличить передаточное отношение в обоих направлениях. Еще одно достоинство подобной трансмиссии – увеличенный силовой диапазон коробки. Одним из самых серьезных недостатков является обязательное наличие вспомогательной автоматической системы, с помощью которой осуществляется переключение скоростей.

Несинхронизированная КП

К еще одной разновидности специфических коробок относится несинхронизированная или та, в конструкции которой не предусмотрено наличие синхронизаторов. Это может быть тип с постоянным зацеплением шестерен или со скользящими шестернями.

Чтобы переключить передачу в такой коробке, водитель должен обладать определенным навыком. Он должен уметь самостоятельно синхронизировать вращение шестерен и муфт, определяя время перехода от передачи к передаче, а также выравнивая скорость вращения коленвала акселератором. Профессионалы называют эту процедуру перегазовкой или двойным выжимом сцепления.

Для выполнения плавного переключения водитель должен иметь опыт в управлении такими механизмами. Подобный тип трансмиссии устанавливается в американских тягачах, мотоциклах, иногда в тракторах и спортивных автомобилях. В современных несинхронизированных трансмиссиях можно не использовать сцепление.

Кулачковая КП

Кулачковые коробки это разновидность несинхронизированной модели. Отличием является форма зацепляемых зубьев. Для повышения кпд коробки передач используется прямоугольная форма или кулачковый профиль зубьев.

Такие коробки очень шумные, поэтому в легковом транспорте используются в основном на гоночных авто. Во время соревнований на этот фактор не обращается внимание, но в обычном автомобиле такая трансмиссия не даст возможности получить наслаждение от поездки.

Секвентальная КП

Под секвентальной коробкой подразумевается тип трансмиссии, в котором переход на пониженную или повышенную передачу осуществляется исключительно на одну ступень. Для этого используется ручка или ножной переключатель (на мотоциклах), который позволяет переместить шестерню в корзине исключительно на одну позицию за одно нажатие.

Похожий принцип работы имеет автоматическая коробка типа Типтроник, но она лишь имитирует действие данной трансмиссии. Классическая секвентальная коробка устанавливается в болидах F-1. Переключение скорости в них осуществляется при помощи подрулевых лепестков.

Преселективная КП

В классическом исполнении преселективная КП требовала предварительного выбора следующей передачи до того, как коробка на нее переключится. Часто это выглядело так. Во время движения авто водитель выставлял на селекторе следующую передачу. Механизм подготавливался к переключению, но выполнял это по команде, например, после нажатия на сцепление.

Раньше такие КП использовались в военной технике с несинхронизированной, безвальной или планетарной трансмиссией. Такие модификации коробок облегчали управление сложными механизмами, пока не были разработаны синхронизированные механические и автоматические коробки.

В настоящее время преселективная коробка используется, но она чаще называется трансмиссией с двойным сцеплением. В этом случае компьютер сам подготавливает переход на нужную скорость, заранее подсоединяя к незафиксированному диску подходящий вал с включенной передачей. Другое название данного типа в современном исполнении – робот.

Выбор коробки передач. Что лучше?

Многие из перечисленных коробок передач используются только на спецтехнике или в станках. Основными КП, которые имеют широкое применение в легковом транспорте, являются:

• Механическая коробка передач. Это самый простой тип трансмиссии. Чтобы вращательное движение передавалось с силового агрегата на вал КП, используется корзина сцепления. Нажатием педали водитель отсоединяет ведущий вал коробки от мотора, что позволяет ему без вреда для механизма выбрать подходящую для данной скорости передачу.
• Автоматическая коробка передач. Крутящий момент от мотора подается через гидропередачу (гидротрансформатор или гидромуфта). Рабочая жидкость играет роль сцепления в механизме. Она приводит в движение, как правило, планетарный редуктор. Вся система управляется электронным блоком управления, который анализирует данные со многих датчиков и в соответствии с этим выбирает передаточное число. Среди автоматических коробок есть много модификаций, в которых используются разные схемы работы (зависит от производителя). Существуют даже автоматические модели с возможностью ручного управления.
• Роботизированная коробка передач. Среди таких КП также имеются свои разновидности. Существуют электрические, гидравлические и комбинированные типы. По конструкции робот в основном похож на механическую коробку, только с двойным сцеплением. Первое подает крутящий момент от мотора к ведущим колесам, а второе автоматически подготавливает механизм к включению следующей передачи.
• Вариаторная коробка передач. В распространенном исполнении вариатор представляет собой два шкива, которые соединены между собой ремнем (одним или несколькими). Принцип действия следующий. Шкив раздвигается или сдвигается, в результате чего ремень перемещается на элемент с большим или меньшим диаметром. От этого и изменяется передаточное число.

Вот сравнительная таблица каждого типа коробок с их достоинствами и недостатками.

Тип коробки:	Принцип работы	Достоинства	Недостатки
МКПП	Ручное переключение, зацепление синхронизированное.	Простая конструкция, дешевая в ремонте и обслуживании, позволяет экономить топливо.	Новичку нужно привыкать к синхронной работе педали сцепления и газа, особенно при начале движения в горку. Не у всех сразу получается включать правильную передачу. Требует плавного использования сцепления.
АКПП	Гидронасос создает давление рабочей жидкости, которая приводит в движение турбину, а та передает вращение на планетарный механизм.	Комфортно управлять автомобилем. Не требует вмешательства водителя в процесс переключения скоростей. Меняет передачи, максимально используя весь ресурс мотора. Исключает человеческий фактор (когда водитель случайно вместо третьей включает первую скорость). Плавно переключает передачи.	Высокая стоимость обслуживания. Масса больше, чем у МКПП. По сравнению с предыдущим типом трансмиссии эта будет приводить к большему расходу топлива. КПД и динамика ниже, особенно при спортивном стиле езды.
Робот	Двойное сцепление позволяет во время движения приготовить следующую передачу к включению. Чаще всего в одну группу завязаны четные передачи, а в другую – нечетные. Внутренне похожа на механическую коробку.	Максимальная плавность переключения. Не требует вмешательства водителя в процесс работы. Экономичный расход топлива. Высокий кпд и динамика. Некоторые модели имеют возможность выбрать режим работы.	Сложность механизма приводит к его низкой надежности, частому и дорогостоящему обслуживанию. Плохо переносит сложные дорожные условия.
Вариатор (CVT)	Крутящий момент передается с помощью гидротрансформатора, как в автомате. Переключение передач осуществляется перемещением шкива ведущего вала, который выталкивает ремень на нужную позицию, от чего увеличивается или уменьшается передаточное число.	Переключение без рывков, более динамична по сравнению с обычным автоматом. Позволяет немного сэкономить топливо.	Не используется в мощных силовых агрегатах, так как передача – ременная. Высокая стоимость обслуживания. Требует исправной работы датчиков, от которых поступает сигнал для работы CVT. Плохо переносит сложные дорожные условия и не любит буксировку.

Определяясь с видом трансмиссии, необходимо исходить не только из финансовых возможностей, но больше ориентироваться на то, подойдет ли данная коробка к автомобилю. Производители не зря с завода каждый силовой агрегат ставят в пару с конкретной коробкой.

Механическая коробка больше подойдет для активного водителя, понимающего тонкости скоростного управления авто. Автомат больше подойдет для любителей комфорта. Робот обеспечит разумный расход топлива и приспособлен для размеренной езды. Для любителей максимально плавной работы машины подойдет вариатор.

Что касается технических характеристик, то невозможно указать на идеальную коробку. Каждая из них хороша в своих условиях и при наличии конкретных водительских навыков. В одном случае новичку легче начать с управления разновидностью автоматических трансмиссий, в другом – предпочтительней выработать навык использования механики.

Вопросы и ответы:

Как устроена коробка передач? Механическая КПП состоит из набора шестерен, которые образуют разные передаточные числа. Автоматическая КПП оснащена гидротрансформатором и шкивами с изменяемым диаметром (вариатор). Робот – аналог механики, только с двойным сцеплением.

Что внутри коробки передач? Внутри любой коробки передач имеется ведущий и ведомый вал. В зависимости от типа коробки на валах устанавливаются либо шкивы, либо шестерни.