Если Вы водите машину с механикой, то у Вас, возможно, всплывали следующие
вопросы в голове:
Что означает забавный значок "H" на ручке механики и как он связан с
шестернями внутри трансмиссии? Что двигается внутри механической трансмиссии,
когда я передвигаю рычаг КПП?
Когда я путаю передачи и слышу ужасный скрежет, что именно хрустит внутри?
Чтобы произошло, если я случайно выбрал бы заднюю передачу во время скоростной
езды по трассе? Может быть, механика просто взорвется?
Данная статья ответит на все эти вопросы, потому что проникнет внутрь
механической трансмиссии.
Автомобилям нужна коробка передач из-за физических свойств двигателя
внутреннего сгорания. Во-первых, у любого двигателя есть красная зона –
максимум оборотов, за которые нельзя заходить без повреждения. Во-вторых, у
двигателя узкий диапазон оборотов, где мощность и крутящий момент на
максимальном уровне. Например, двигатель может производить максимальную
мощность при 5,500 об/мин. Трансмиссия позволяет менять передаточные числа
между двигателем и колесами при ускорении и замедлении автомобиля. Вы
переключаете передачи, чтобы двигатель оставался ниже красной зоны и около
диапазон своей эффективной работы.
Mercedes-Benz Actros, механическая трансмиссия
В идеале трансмиссия должна быть настолько гибкой в подборе передаточных чисел,
что двигатель постоянно находится на определенных оптимальных с точки зрения
тяги оборотах. Эта идея лежит в основе постоянно изменяющейся трансмиссии (CVT)
или вариатора.
Вариатор CVT имеет бесконечное число передач. В недалеком прошлом вариаторы CVT
не могли конкурировать с 4-х и 5-ступенчатой механикой по стоимости, размеру и
надежности. Сегодня более совершенные решения позволили вариаторам CVT стать
довольно распространенными. В гибридной Toyota Prius используется вариатор CVT.
Трансмиссия соединяется с двигателем через сцепление. Входной вал трансмиссии
вращается со скоростью вращения двигателя.
Mercedes-Benz C-класс купе, 6-ступенчатая
механика, графическое изображение
5-ступенчатая трансмиссия реализует 5 разных передаточных чисел, чтобы изменить
скорость выходного вала. Вот пример типичных передаточных чисел:
Передача
Передаточное число
Обороты выходного вала при вращении входного
3,000 об/мин
1-я
2.315:1
1,295
2-я
1.568:1
1,913
3-я
1.195:1
2,510
4-я
1.000:1
3,000
5-я
0.915:1
3,278
В статье «Как работают вариаторы CVT» Вы познакомитесь с принципами работами
этого изящного устройства. А сейчас рассмотрим обыкновенную механическую
трансмиссию.
Простейшая механика
Чтобы понять принцип работы механики, рассмотрим диаграмму ниже,
демонстрирующую простейшую 2-скоростную механику на нейтральной передаче:
Посмотрим на составные части диаграммы и то, как они взаимодействуют:
Зеленый вал идет от двигателя через сцепление. Зеленый вал и зеленая шестерня
соединены в единый блок. (Сцепление – это устройство, которое позволяет
соединять и отсоединять двигатель от трансмиссии. Когда Вы выдавливаете педаль
сцепления, двигатель и трансмиссия отсоединяются, что позволяет двигателю
работать, когда машина стоит на месте. Когда Вы отпускаете педаль сцепления,
двигатель и зеленый вал напрямую соединяются друг с другом. Зеленый вал и
шестерня вращаются со скоростью двигателя.)
Красный вал с шестернями называется промежуточным валом. Он тоже выполнен
единым целым, то есть все шестерни и вал вращаются единым целым. Зеленый и
красный валы напрямую соединены друг с другом, то есть при вращении зеленого
вала всегда вращается красный. Таким образом, промежуточный вал всегда получает
крутящий момент от двигателя при включенном сцеплении.
Желтый вал – это пазовый вал, который напрямую соединяется с карданным валом, а
далее через дифференциалы с колесами машины. Если колеса крутятся, то желтый
вал вращается.
Синие шестерни покоятся на подшипниках, поэтому они вращаются вокруг желтого
вала. Если двигатель выключен, а машина едет свободным ходом, то желтый вал
может вращаться внутри синих шестерен в то время, когда сами эти шестерни и
промежуточный вал остаются без движения.
Цель муфты – соединить одну из синих шестерен с желтым ведущим валом. Муфта
соединяется через шлицы напрямую с желтым валом и крутится вместе с ним. Сама
муфта может скользить влево и вправо вдоль желтого вала, чтобы включать одну из
синих шестерен. Зубцы муфты входят в зубцы сбоку на синих шестернях и
подключают последних.
Первая передача
Для включения первой передачи муфта включает синюю шестерню справа:
На этом рисунке зеленый вал от двигателя проворачивает промежуточный вал,
который вращает синюю шестерню справа. Эта шестерня передает свою энергию через
муфту к желтому ведущему валу. Одновременно синяя шестерня слева вращается
свободно на подшипнике, а значит, не влияет на желтый вал.
Когда муфта между двумя шестернями (см. первый рисунок), трансмиссия на
нейтральной передаче. Обе синие шестерня свободно вращаются с разными
скоростями относительно желтого вала.
Теперь Вы можете ответить на следующие вопросы:
Когда Вы ошибаетесь при переключении передачи и слышите ужасный хруст, это не
следствие неправильного зацепления зубьев шестерен. Как видно из рисунков выше,
все зубцы шестерен всегда находятся в зацеплении. Этот звук вызывают шлицы,
пытаясь безуспешно попасть в углубления на боковой части синей шестерни.
Показанная здесь трансмиссия не имеет "синхронизаторов" (мы обсудим
их в данной статье позднее), поэтому при использовании такой трансмиссии Вам
приходилось бы дважды выжимать сцепление. Двойное выжимание сцепления
использовалось в старых машинах, но и сейчас встречается в гоночных болидах.
При двойном выжимании сцепления надо сначала надавить на педаль сцепления,
чтобы отсоединить двигатель от трансмиссии. Это снимает давление со шлицев
муфты, сама муфта переводится на нейтраль. Затем Вы отпускаете сцепление, и
обороты двигателя доходят до «правильной скорости». Правильная скорость – это
обороты на следующей передаче. Смысл в том, чтобы синяя шестерня следующей
передачи и муфта вращались с одинаковой скоростью, тогда можно зацеплять шлицы
муфты. Затем снова надо выжать сцепление и включаете муфту на следующую
передачу. На каждой передаче приходится выжимать и отпускать сцепление дважды,
отсюда название "двойное выжимание сцепления".
Теперь Вы понимаете, как маленькое движение по прямой рычага КПП позволяет
изменять передачи. Ручка КПП двигает стержень, соединенный с вилкой. Вилка
перемещает муфту вдоль желтого вала, что позволяет выбрать одну из двух передач
в данном случае.
В следующее главе рассмотрим реальную трансмиссию. Настоящая трансмиссия
Ниже идущая анимация показывает внутреннюю работу 4-ступенчатой механики с
задним ходом.
Анимация
5-ступенчатая механика довольно распространена в сегодняшних машинах. Внутри
она выглядит следующим образом:
Три вилки управляются тремя стержнями, которые приводятся в движение рычагом
КПП. Посмотрим на вид стержня КПП сверху:
Обратите внимание, что стержень КПП вращается относительно своей средней точки.
Когда Вы толкаете рычаг КПП вперед для включения 1-й передачи, на самом деле
стержень и вилка КПП перемещаются назад для выбора 1-й передачи.
Вы видите, что перемещение ручки КПП влево или вправо задействует разные вилки
(и, соответственно, разные муфты). Движение ручки КПП вперед или назад
зацепляет одну муфту с одной из двух шестерней передач.
Задняя передача реализуется за счет маленькой холостой шестеренки (фиолетовая).
Все время синяя шестерня задней передачи вращается в направлении,
противоположном всем другим синим шестерням.. Именно поэтому невозможно
перевести трансмиссию в положение задний ход в то время, как машина движется
вперед – шлицы никогда не состыкуются. Однако, шум Вам будет обеспечен!
Синхронизаторы
Механические трансмиссии современных машин используют синхронизаторы для того,
чтобы не выжимать сцепление дважды при каждой смене передачи. Задача
синхронизатора – обеспечить между муфтой и шестерней передачи фрикционный
контакт до того, как шлицы начнут зацепление. Это позволяет муфте и шестерне
передачи синхронизировать их скорости перед зацеплением. Процесс зацепления
показан на схеме ниже:
Конусный выступ синей шестерни входит в конусное углубление в муфте. В
результате трение между муфтой и конусом шестерни синхронизуют их скорости.
Внешняя часть муфты затем мягко входит в шлицы шестерни передачи.
Каждый производитель выполняет трансмиссии и синхронизаторы разными способами,
но принцип работы остается таким же.
