Как работает коробка передач в автомобиле?
Простое объяснение — что такое коробка передач.
Любой автомобиль состоит из тысячи запчастей и сопутствующих компонентов. Но некоторые части любого автомобиля контролируют именно те самые агрегаты, которые делают вашу машину именно движущимся транспортным средством, поэтому они играют более важную роль при сравнении таковых с другими автокомпонентами автомобиля. Например, к очень важным частям любой автомашины относится так называемая коробка передач. Без нее крутящий момент от двигателя не смог бы передаваться и достичь конкретноо колес автомобиля, который не тронулся бы с места.
Да, мы с многими согласны, сам автовладелец не обязательно должен владеть углубленными знаниями об устройстве автомобиля. Но что такое коробка передач и что она из себя представляет изнутри нам так кажется, обязан знать каждый из водителей. Об этом сегодня мы с вами и поговорим.
Смотрите также: Десять самых странных коробок передач
Бывают два основных типа коробок передач, которые используются и применяются в большинстве из автомобилей на мировом рынке машин, а именно — это ручная (т.е. механическая) КПП и автоматическая коробки (АКПП). Сегодня мы с вами остановимся на этих двух основных коробках передач, хотя здесь сразу стоит отметить, что в последние годы набирают популярность и другие виды трансмиссий. К примеру такие, как коробка передач с двойным сцеплением, которая работает по принципу механической трансмиссии, но с компьютерным управлением сцепления. Электроника автоматически сама выжимает сцепление, а сами скорости переключает по-прежнему водитель. Также получили свое распространение и бесступенчатые автоматические коробки передач с так называемым вариатором, сокращенно- CVT. Принцип действия подобной коробки основан на ременном приводе по аналогии с велосипедной цепной передачей. А еще в последние годы на мировом авторынке стали появляться автомобили вообще без коробок передач. Как правило такие машины без трансмиссии используют у себя только электрический двигатель.
Прежде чем углубиться в описание принципа самой работы коробки передач, давайте с вами обозначим основные применяемые к ней термины:
Передача: -В данном понимании любая передача представляет в самой коробке определенный набор различных шестерёнок, которые работая синхронно совместно регулируют соотношения между скоростью двигателя и скоростью колес(а). Также этот термин используется и для описания каждой скорости коробки передач в отдельности. К примеру, в автоматической коробке передач электроника автоматически выбирает какой вал с шестернями необходимо использовать для оптимальной передачи крутящего момента. В механической же трансмиссии водитель сам самостоятельно выбирает необходимую ему скорость.
Передаточное отношение: -Это отношение частоты вращения ведомого вала к частоте вращения ведущего вала.
Сцепление: -Это механизм подключения или отключения двигателя к (от) системы передач(и) коробки.
Коробка передач: -Это механизм передачи крутящего момента от двигателя непосредственно на колеса транспортного средства.
Рычаг переключения передач: -Это передаточный рычаг, который водитель использует для управления коробкой передач и для выбора нужной скорости.
Теперь давайте перейдем непосредственно к самому описанию действий, т.е. к тому, как работают две наиболее распространенные и известные многим коробки передач.
Механическая коробка передач
Несомненно, в мире в настоящий момент автоматическая коробка передач стала самой популярной из всех существующих. Согласно статистике мировых продаж автомобилей, доля всех новых проданных автотранспортных средств за 2014 год была оснащена автоматической трансмиссией. Но тем не мене, механическая коробка передач вопреки прогнозам статистики пока что по-прежнему используется всей мировой автпромышленностью. Как правило, эта механическая трансмиссия более проста по своей конструкции и принципу работы. Именно с нее мы с вами друзья и начнем ознакомление.
По своей конструкции механическая коробка передач представляет из себя набор зубчатых шестеренок и валов (входные и выходные валы). Шестерни одного вала взаимодействуют с шестернями другого вала. В результате соотношений между включенной передачей на входном валу и включенной передачи на выходном валу и определяется общее передаточное число определенной передачи.
Водитель, выбирая нужную передачу на механической коробке передач, тем самым перемещает данный рычаг переключения скоростей в нужное ему положение. Рычаг управляет движением передач непосредственно вдоль входного вала. Перемещая рычаг вперед или назад водитель выбирает нужный набор шестеренок для включения необходимой ему передачи. Как правило, при переключении рычага вверх или вниз два набора шестерней находятся на одном валу. При переключении же рычага влево или вправо выбор набора шестеренок происходит уже на разных валах.
Чтобы включить нужную передачу в механической коробке передач водитель нажимает сначала на педаль сцепления в результате чего крутящий момент двигателя при выжатом сцеплении не передается на саму коробку, поскольку двигатель в такой момент отключается от входного вала КПП. Это позволяет с помощью рычага коробки выбрать нужную водителю скорость, подключив тем самым нужный набор шестерен. После выбора необходимой передачи водитель отпускает педаль сцепления и крутящий момент начинает передаваться на первичный вал и далее на выбранный вал, который в свою очередь передает крутящий момент на привода и сами колеса.
Автоматическая коробка передач
В автоматической же коробке передач процесс работы намного сложнее, если сравнивать его с механикой. Одним из самых заметных различий между механической и автоматической коробкой является следующее, что автоматическая трансмиссия не использует у себя муфты. Как правило, автоматическая коробка передач применяет и использует у себя гидротрансформаторы, которые и отключают двигатель от коробки передач (от вала с набором шестерен).
Функция этих гидротрансформаторов основана на принципах гидродинамики, которую объяснить в рамках этой статьи реально будет сложно. Для этого необходимо будет подключать к такому объяснению математику и другие естественные науки. Но основной смысл работы довольно-таки прост. Когда двигатель работает на небольших оборотах, то небольшой крутящий момент передается с помощью жидкости и через различные каналы на набор шестеренок. Когда же двигатель начинает работать быстрее, то этот крутящий момент начинает передаваться на валы напрямую.
Благодаря преобразованию крутящего момента шестерни в коробке передач могут делать свою работу и без участия водителя. Когда же коробка передач начинает выбирать необходимую скорость автоматически, которую в механической трансмиссии выбирает водитель вручную? Отвечаем:
-В отличие от механики, где как правило конструкция коробки представляет из себя два параллельных вала, автоматическая коробка использует и применяет у себя планетарное расположение валов с шестернями. В отличие от той же механической коробки, в автоматической трансмиссии используется огромный выбор различных наборов шестерен, которые автоматически подключаются к передаче крутящего момента в зависимости от набранной скорости.
Вместо ручного переключения скоростей в ней используется гидравлическое автоматическое переключение скоростей, которое управляется конкретно электроникой. Данная коробка управляется специальным модулем в котором запрограммированны все соотношения передаточных чисел. В зависимости от подключаемого набора планетарного механизма электронная программа сама определяет какую передачу необходимо включить с помощью гидравлического автоматического управления.
Виды коробок передач автомобилей: МКПП, АКПП, ДСГ, РКП, БС
Автомобильные коробки передач устанавливаются сразу после двигателя и предназначены для изменения суммарного передаточного числа трансмиссии в широких пределах. При движении с разными скоростями, на подъемах, во время разгона и торможения двигателем обороты должны находиться в оптимальных пределах с точки зрения экономичности, динамики и минимального расхода топлива.
Для многочисленных экспертов, упорно изучающих способности двигателей по их крутящему моменту, можно добавить, что КПП простыми переключениями меняет его теоретически в безграничном диапазоне.
На практике – ровно настолько, насколько требуется от автомобиля. От мотора зависит лишь отдача нужной мощности.
Основы устройства и принцип работы всех КПП
Все коробки, кроме бесступенчатых вариаторов, изменяют передачу путем переключения задействованных пар шестерен с разным количеством зубьев.
Именно отношение этих величин у ведущей и ведомой определяет умножение или деление скоростей вращения. Одновременно пропорционально изменяется крутящий момент.
У коробок имеется:
- входной (первичный) вал, принимающий момент от двигателя;
- вторичный вал, передающий вращение на дифференциал прямого привода, раздаточную коробку или вал привода заднего моста;
- набор шестерен с косым или прямым зубом, цилиндрического, конического или планетарного типа, жестко соединенных с валами или вращающихся на подшипниках;
- механизмы переключения с муфтами, синхронизаторами или фрикционами;
- управляющие механизмы ручного, электрического или гидравлического типов;
- электронные блоки, клапаны, насосы, гидроцилиндры;
- картер с масляной ванной.
Вариаторы также располагают шкивами переменного диаметра и стальной ременной передачей. На входе ставятся сухие или мокрые фрикционные муфты сцепления, а также гидротрансформаторы турбинного типа.
Виды коробок передач в автомобилях и их отличия
По типу управления коробки делятся на ручные и автоматические, но данные категории широко пересекаются в разных исполнениях трансмиссий. Многие автоматы предусматривают переход на ручное управление.
Наличие ступенчатого (дискретного) выбора передач может быть принципиальным или искусственно создаваемым в исходно бесступенчатых КПП.
Механическая (МКПП)
Наиболее старая, но до сих пор актуальная коробка работает с ручным переключением передач рычагом с места водителя. Бывает двухвальной конструкции или трехвальной, где один из валов промежуточный.
Водитель перемещает рычаг в двух поперечных направлениях, выбирая нужную ступень. Зубчатые муфты с синхронизаторами вводят в зацепление требуемые шестерни, изменяя скорость и тяговое усилие на вторичном валу.
Для исключения механических ударов перед каждой манипуляцией нужно выключить (выжать) сцепление.
Это простая и дешевая конструкция, между тем полезная для скоростной езды. Тренированный водитель может очень быстро выбрать нужную передачу, а компактность всего набора позволяет сделать коробку очень надежной и долговечной.
Недостаток – постоянное отвлечение водителя на переводы рычага и выжим сцепления.
Автоматическая (АКПП)
В классических автоматах переключением заведует гидроблок, управляемый электроникой через набор клапанов-соленоидов. В зависимости от скорости, степени нажатия педали газа и иных вводных АКПП сама выбирает нужную ступень, которых может быть до десятка и больше.
Используются планетарные передачи, фрикционные многодисковые муфты для управления и давление масла, развиваемое насосом.
На входе стоит гидротрансформатор, допускающий пробуксовку и частично изменяющий крутящий момент. На скорости он блокируется.
Водитель не отвлекается, все происходит автоматически, достаточно выбрать селектором режимы движения вперед или назад. Доступны и иные возможности, в частности, ограничения в выборе передач или полностью ручной режим.
Недостатки практически отсутствуют, особенно у современных и самых удачных моделей. Можно отметить лишь некоторую сложность и дороговизну в ремонте.
Полуавтомат
В классическом варианте полуавтоматической коробкой считается КПП с переключением без необходимости выжима сцепления. Оно срабатывает само, реагируя на сброс газа или движение селектора.
Сейчас это относительно редкий тип, был популярен на мотоциклах и автомобилях для инвалидов. С появлением дешевых и надежных автоматов эти КПП оказались невостребованы, оставшись на мототехнике.
Бесступенчатая (Вариатор)
Если изменять диаметры шкивов в ременной передаче, то это будет работать как КПП, плавно изменяющая скорость и крутящий момент.
Для передачи большой мощности шкивы выполняются конусными из двух половинок, сдвигаемых гидроцилиндрами. Между ними работает стальной ленточный клиновой ремень с набором звеньев.
Технологически это оказалось сложно выполнить, поэтому вариаторы у автомобилей появились серийно относительно недавно. Потребовались качественные материалы и специальное масло типа CVT. Управление с помощью электроники и гидроблока аналогично гидромеханическим АКПП.
Современные вариаторы предусматривают имитацию ступенчатого переключения, чтобы не утомлять водителя работой мотора на постоянных оборотах. Такие коробки по ощущениям за рулем невозможно отличить от обычных автоматов.
Из недостатков имеются относительная недолговечность и цена ремонта. По мере совершенствования они становятся непринципиальными, вариаторы постепенно завоевывают рынок.
Роботизированная (РКП)
Роботами принято считать обычные МКПП, но переключаемые автоматикой. Она же заведует сцеплением. Наиболее продвинутые имеют две муфты и раздельные валы четных и нечетных передач, что сводит к минимуму время перехода при разгоне.
Именно в этом направлении (DSG) роботы и развиваются в настоящее время. По управлению полностью аналогичны прочим АКПП, превосходя их в динамике.
Секвентальная
Секвентальная коробка может переключать передачи движением рычага только вперед и назад, то есть перебирает передачи последовательно. Для быстрого сброса нескольких ступеней потребуется нажать рычаг или клавишу несколько раз.
Дают выигрыш в разгоне, поэтому применяются в основном в спорте и на мототехнике. Могут иметь автоматический режим, превращающий их в АКПП. Например, на тяжелых грузовиках.
Коробка переключения передач: виды, чем отличаются и как работают
МКПП, АКПП, РКПП, CVT, DSG, PDK — аббревиатуры, за которым скрывается один и тот же автомобильный агрегат — коробка переключения передач. Каждая из них состоит их сложных технических механизмов, выполняющих одну задачу
Коробка переключения передач (КПП) — элемент трансмиссии автомобиля, который передает мощность от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на ведущие колеса, при этом расширяя диапазон частоты вращения и крутящего момента мотора. Этот узел отвечает за эффективную работу мотора, влияет на динамику движения и расход топлива. Базовым для КПП считается предустановленный набор передаточных чисел — это коэффициент, на который увеличивается или уменьшается крутящий момент, поступающий от двигателя.
Передача, а в современных авто их может быть от 5 до 10, помогает работе двигателя в каждом из диапазонов скоростей. Для старта обычно применяется 1-я передача, но реже — 2-я (например, на грузовиках).
В зависимости от степени участия водителя, «коробка» может быть с ручным управлением (механическая) или автоматическая, где выбор передачи выполняет электроника. К таким агрегатам, как правило, относят не только классическую гидромеханику, но также «роботов» и вариаторы [1]. Отдельный класс — секвентальные КПП, которые чаще всего используют для гоночных автомобилей. Разбираемся в устройстве каждой из них и в том, как они работают.
Механическая
Прообраз «механики» впервые использовал на своем авто Карл Бенц. Сегодня ее ставят на все марки от ВАЗа до Porsche (Фото: Егор Алеев/ТАСС)
Самый простой и надежный в эксплуатации тип трансмиссии. Визуально определить МКПП несложно: по третьей педали (это педаль сцепления) и рычагу переключения передач. В современных автомобилях ступеней может быть 5, 6 или даже 7, плюс нейтральное положение и режим заднего хода.
Основные рабочие элементы механической коробки, в самом упрощенном варианте, это:
- корзина сцепления, что позволяет «соединять/отсоединять» ДВС и трансмиссию;
- пары косозубых шестерен, отвечающих за передаточное число и нужную скорость;
- синхронизаторы, обеспечивающие плавное включение передачи.
Все они расположены на валах, которых может быть два или три.
При выжатой левой педали вал отсоединен от ДВС. Если нога убрана, он соединен, и крутящий момент передается на колеса (Фото: wikipedia commons)
Первичный или ведущий вал напрямую связан с двигателем через сцепление. Это сделано для возможности «отсоединять/присоединять» трансмиссию к ДВС. Для передачи крутящего момента на конце входного вала жестко зафиксирована шестерня, которая вращает следующий, промежуточный вал.
На нем равно числу передач установлены разноразмерные ведущие зубчатые шестерни. Каждая работает в сцепке с шестеренками (ведомыми) на вторичном или выходном валу. На нем шестерни, в отличие от первых двух валов, свободно вращаются на оси. Образованные зубчатые пары отвечают за передаточное число и динамические характеристики передачи («короткая», «длинная» итд).
В МКПП переключение происходит в ручном режиме. Переводя в салоне рычаг в нужное положение, водитель двигает в сторону соответствующей зубчатой пары муфту. Чтобы избежать удара при смыкании, нужно выровнять частоты вращения валов — для этого применяются синхронизаторы.
Плюсы: долгий опыт эксплуатации в автопроме, простое устройство и ремонт, возможность вручную влиять на динамику авто.
Минусы: утомительное «втыкание» передач и нажатие педали сцепления в плотном трафике, ограниченный набор передач.
Автоматическая
Под классической АКПП, как правило, подразумевают гидромеханическую коробку переключения передач. В этом случае у водителя всего две педали, а вместо рычага КПП — селектор, который может быть выполнен в виде шайбы или кнопок, или подрулевой переключатель режимов: P — парковка, D — движение, N — нейтральная и R — задний ход.
В отличие от «механики» передача крутящего момента здесь сложнее, а электронный блок управления (ЭБУ) отвечает за выбор передачи. В современных автоматических трансмиссиях их может быть до 10 включительно.
Принцип работы строится на силе давления трансмиссионной жидкости, отсюда и слово «гидро» в названии. Главные рабочие элементы — гидротрансформатор и планетарная КПП [2].
Бесступенчатая
