Механическая коробка передач – из чего состоит и как работает

Добрый день, дорогие друзья. Чтобы научится правильно переключать передачи на механике, нужно знать принцип ее работы, устройство. Общие сведения о том, как работает механическая коробка передач, помогут освоить ее на практике, избежать ошибок, поломок и дорогостоящего ремонта. Поговорим о преимуществах и недостатках. Разберем по пунктам процесс включения передач, что и как происходит в МКПП. Постараюсь доступным языком объяснить, а для большего понимания посмотрим видеоролики.

Прежде чем узнать, как она работает, давайте поговорим, из чего она состоит, объясню, зачем нужен каждый из ее элементов. Познакомимся с ее разновидностями. Да-да, не каждый владелец такой трансмиссии знает, что они бывают разными.

Устройство механики

1. Сцепление. Нужно для смыкания и размыкания ведущего вала (первичного) с маховиком коленвала. Как работает сцепление на механике, поговорим в следующих обзорах
2. Первичный вал. Через него передается вращение от двигателя к другим элементам коробки
3. Вторичный вал или ведомый. Через него момент и скорость передается на ведущие колеса автомобиля.
4. В зависимости от разновидности коробки передач в ее составе может быть промежуточный вал. Он нужен для передачи вращения от ведущего вала к ведомому. Это трехвальные КПП.
5. Синхронизаторы. Они предотвращают удары звездочек с валом при включении передачи, синхронизируют их скорости вращения. Продлевают сроки эксплуатации, повышают надежность МКПП и плавность включения скорости
6. Элементы управления включением и отключением передач в коробки. Бывают тросовые, тяговые и гидравлические. Это не столь важно для нашей темы, главное понять принцип работы механической коробки

Принцип работы механической коробки передач

В зависимости от конструкции, рассмотрим принцип работы двухвальных и трехвальных коробок передач. Хочется сразу отметить, что на автомобилях с различным типом приводам используются разные типы КПП:

1. Двухвальная – для переднеприводных
2. Трехвальная – заднеприводных

Механика с тремя валами

Начнем с последней. В такой коробке находится три вала. Первичные и вторичные валы закреплены на одной оси, но не соединены между собой. Третий вал – промежуточный, расположен ниже двух предыдущих валов. На нем жестко закреплен определенный набор звездочек. В большинстве случаев этот вал с шестернями точат целым из одной заготовки.

Ведущий вал короткий. Он имеет одну звездочку, которая находится в постоянном зацеплении с шестернею промежуточного вала. При отпущенной педали сцепления, момент с маховика двигателя через первичный вал постоянно будет передаваться на промежуточный.

Основные действия по переключению передач происходят на вторичном валу. Его конструкция разительно отличается от двух предыдущих. Звездочки передач не насажены жестко на него и могут крутиться свободно, в независимости от скорости вращения вала. В свою очередь они также находятся в постоянном зацеплении с шестернями промежуточного вала.

Когда включена нейтральная передача и работает двигатель, все шестерни крутятся и находятся в постоянном зацеплении друг с другом. Но ведомый вал стоит на месте, а значит, колеса авто тоже не подвижны.

Чтобы передать вращение от звездочек к вторичному валу, нужно их жестко соединить между собой. Для этого применяются муфты соединения, расположенные на этом валу между шестернями.

Муфты насажены на вал, перемещаются по нему при помощи шлицов. Это перемещение происходит за счет вилок – органов управления включением и отключением передачи, они расположены непосредственно на самой муфте. При включении передачи она заходит в зацепление со звездочкой, и момент передается от нее на вал. А затем на колеса.

Более наглядно этот процесс представлен на видео:

Так как скорости вращения шестерней и вторичного вала разные соединить их между собой проблематично. Для этого используются синхронизаторы. Они уравнивают скорости двух элементов, муфта плавно входит в сцепление с шестерней, без ударов. Это обеспечивает надежность и долговечность механической коробки передач.

В зависимости от того, какой крутящий момент нужно передать на колеса автомобиля, выбирается нужная передача. В видеоролике видно, что шестерни для каждой передачи имеют разный диаметр и количество зубчиков. Поэтому для каждой скорости установлено определенной передаточное отношение. В зависимости от него на ведущие колеса передается от двигателя необходимый момент и скорость вращения.

Что такое прямая передача и повышенная

В большинстве случаев прямой передачей считается четвертая. А почему прямая? – потому что, весь крутящий момент напрямую передается от двигателя к колесам, передаточное отношение равно единицы.

В трехвальных коробках первичный и вторичный валы не соединены между собой жестко, соединение происходит при включении четвертой передачи. Принцип такой же, муфта ведомого вала входит в зацепление с шестерней ведущего. Весь момент передается напрямую от мотора к колесам, минуя все звездочки и промежуточный вал. Это способствует экономию энергии, затраченной на вращение колес, а соответственно экономия топлива и увеличение ресурса агрегатов автомобиля.

А если передаточное число звездочек сделать меньше 1? Это увеличит экономичность машины. При равной скорости движения автомобиля, момента на колеса будет передаваться меньше, а значит, меньше усилий затрачивать будет двигатель для поддержания этой скорости. Отсюда и пониженные обороты мотора – выше его экономичность.

Как этого добиться? Чтобы это число было менее единицы, ведущая звездочка должна быть больше ведомой. Это соотношение обеспечивают высокие передачи: пятая, шестая и т.д. Современные механические КПП могут похвастаться наличием 6 ступеней. Автоматические коробки передач оснащаются 7 и 8 передачами. Все это делается в угоду снижения расхода топлива и сокращению выбросов автомобиля.

Задняя скорость

Для того чтобы заставить колеса крутится в обратную сторону для езды задом, используется дополнительный вал, четвертый. Он маленький, шестерня на нем жестко закреплена. Его назначение – передать обратное вращение вторичному валу.

В отличие от других валов, звездочка заднего хода не находится в постоянном зацеплении с другими шестернями. Для включения задней передачи нужно сместить её и ввести в зацеп с промежуточным и вторичным валами.

Стоит заметить, на ней отсутствует синхронизатор. Поэтому, для четкого включения задней скорости, вращение всех валов должно быть остановлено, отключено сцепление с двигателем и машина должна стоять не подвижно.

Не опытные водители, наверное, не раз замечали, даже при малейшем движении авто включить заднюю скорость проблематично. Этот процесс может сопровождаться неприятным металлическим хрустом. Это ведет к поломкам трансмиссии.

Двухвальная КПП

Ее применяют в переднеприводных машинах. Главное отличие от соратницы – отсутствие промежуточного вала, вторичный находится под первичным. Ведущий имеет большую длину, звездочки на нем намертво закреплены. Они вращаются вместе с ним. Все переключения происходят на ведомом валу.

Принцип работы такой же. На ведомом, шестерни жестко не закреплены. Они находятся в постоянном зацеплении со звездочками ведущего вала. Переключения происходят за счет перемещения муфт и синхронизаторов. Также существует промежуточная шестеренка заднего хода. Еще одним отличием от трехвальной – дифференциал. Он внедрен в конструкцию коробки передач. Его цель — передать вращение на колеса.

Для наглядного понимания принципа роботы механической коробки передач и процесса переключения скоростей посмотрите видео. Автомастер покажет внутреннее устройство и работу на примере Волговской КПП. Поделится опытом эксплуатации, даст несколько дельных советов и объяснит возникновение проблем при ее эксплуатации.

Преимущества и недостатки

Плюсы

1. Высокая надежность из-за относительной простоты конструкции
2. Высокие динамические показатели авто
3. Экономичность
4. Простота и низкая цена обслуживания
5. Возможность буксировать кого-либо или быть буксируемым без ограничений и использования эвакуатора
6. Ручной контроль над переключением передач со стороны водителя

Недостатки

1. Плавность включения скоростей относительно автоматических КПП
2. Необходимость постоянных манипуляций рычагом переключения трансмиссии при равном темпе езды автомобиля

Что такое синхронизатор

Это бронзовое кольца с зубьями и конусом. Оно не закреплено на валу жестко, двигается свободно. Его назначение – синхронизировать скорости вращения вала и ведомой шестерни при включении передачи.

Как это работает?

Свободная звездочка вращается в не зависимости от вторичного вала. Имеет скорость отличную от него. Чтобы уровнять ее, нужно замедлить или ускорить свободную шестерню. Для этого, между муфтой включения и шестерней находится кольцо синхронизатора, с конусом с одной стороны.

Отключая сцепление двигателя с коробкой, вращение свободной шестерни замедляется, а скорость вторичного вала остается прежней.

Чтобы увеличить скорость вращения шестеренки и уровнять ее с валом, муфта передвигается по шлицам, заходит в конус кольца синхронизатора и придавливает его к свободной звездочке.

За счет увеличения трения между ей и стопорным кольцом первая получает дополнительную энергию вращения от муфты. Тем самым ее скорость увеличивается и уравнивается с ведомым валом. В этот момент муфта спокойно входит в жесткое зацепление со свободной шестерней. Вы включаете сцепление КПП и мотора. Крутящий момент передается через звездочку и муфту на вторичный вал и колеса автомобиля.

Еще одной конструктивной особенностью синхронизатора – особая форма зубцов звездочки. На фото это видно хорошо. Они направляют зубья шестерни муфты в прорези свободной шестеренки. Это обеспечивает плавность включения передачи.

Со временем, их форма меняется, они становятся более округлыми. Тогда тяжелее включаются скорости, а иногда проблематично воткнуть передачу, слышен хруст и скрежет металла. Результат – замена синхронизаторов.

Передаточное число и передаточное соотношение

Передаточным числом называется отношение количества зубьев ведомой шестерни к ведущей. Чем больше это число, тем больше крутящего момента можно передать на колеса автомобиля. При этом скорость будет обратно пропорциональна передаточному числу. Чем оно выше, тем медленнее будет вращаться ведомый вал.

Это необходимо, если нужно максимально полно передать момент на колеса автотранспорта. При езде в гору или начале движения, когда нужно затратить много сил, чтобы совершить работу.

Примером может служить велосипед. Старый советский велосипед с двумя звездочками и цепной передачей. Ведущая – большая, ведомая – маленькая. Вспомните, сколько сил нужно затратить, чтобы сдвинуться с места, а как иногда приходилось прикладывать всю массу тела на педали, чтобы преодолеть крутой подъем? Потому что, при таком соотношении размеров звезд, чтобы передать на колесо больше момента и заставить его двигаться быстрее, нужно приложить момента обратно пропорционально передаточному числу.

Например. Допустим, чтобы начать движение велосипеда нужно передать на колесо 8 Н*м крутящего момента. Количество зубьев ведомой звездочки 30, ведущей 60. Как сказано выше, рассчитываем передаточное число: 30/60=0,5. Значит, чтобы достичь такого значения момента на колесе нужно передать на ведущую звезду в два раза больше момента, затратить в два раза больше сил.

На современных велосипедах можно это число менять методом включения и отключения, больших или меньших по диаметру звездочек, как ведомых, так и ведущих. Соотношение зубьев может доходить до 4, что облегчает заезд на крутой склон.

Чтобы передать больше момента и затратить меньше сил двигателю для движения в гору или задним ходом подбираются шестерни с большим передаточным числом для первой и задней передачи. Для каждых последующих передач это число уменьшается и на четвертой доходит до единицы – прямая передача.

С дальнейшим увеличением их количества, передаточное число становится меньше единицы. Это значит, что при меньших оборотах коленвала, больше скорости передается на ведомые колеса.

Это прекрасно описывается передаточным соотношением шестеренок. Оно рассчитывается, как отношение ведущей звездочки к ведомой. Чем меньше это число, тем меньше скорости передается на ведомый вал при высоких оборотах вращения ведущего. Тем больше момента можно передать. Давайте разберем на примере ниже:

На первичный вал от двигателя передается скорость вращения 2000 об/мин. Передаточное соотношение шестерни А и Б рассчитывается 20/40 равно 0,5. То есть, на промежуточный вал, обозначенный цифрой 2, передается скорость 2000*0,5=1000 об/мин. Так как шестерня В закреплена на валу 2, то она обладает такой же скоростью, как и шестерня Б. Передаточное отношение В и Г шестеренок равно 20/40=0,5. Значит, на вторичный вал под номером 3 передается скорость 1000*0,5=500 об/мин.

Заключение

Я надеюсь, у меня получилось объяснить по-простому принципы работы механической трансмиссии. Она является на сегодняшнее время самой распространенной в мире. С нее начинают учебу в автошколах. Инструктора говорят, что, научившись ездить на «ручке», так называют МКПП, вы свободно сможете пересесть на любой автомат или робот. Наоборот будет затруднительно.

Она более дешевая не только в обслуживании, но и по себестоимости производства. Поэтому машины с ней стоят гораздо дешевле. Это является достойным подспорьем при выборе автомобиля. Теперь, принцип работы механической коробки передач стал более понятен, и вы научитесь без труда ей пользоваться, не совершая ошибок.