Gaznaauto Сайт про автомобили
Який автомобільний агрегат спадає на думку відразу після двигуна? Що вселяє жах і трепет учням автошкіл, але викликає задоволену посмішку на обличчях водіїв зі стажем? З яким механізмом багато хто з нас працює по кілька годин на день, часом навіть не підозрюючи про принцип його внутрішнього устрою? Так, відповідь лежить на поверхні: це механічна коробка передач. Розповівши про основні проблеми, що виникають з автоматичними коробками передач, розібравшись із міфами та чутками про безступінчасті трансмісії, ми вирішили: досить незаслужено обділяти увагою найголовнішу, найпростішу та, незважаючи ні на що, найпопулярнішу варіацію механізму, що перетворює мотор із котла для спалювання палива на серце автомобіля.
Наочний посібник
Спеціально для цього матеріалу компанія «PacPac» надала нам конструктор «FischerTechnik», що схематично показує принцип роботи механічної коробки передач, і ми навіть змогли його зібрати. Звернемо особливу увагу на те, що він передає лише найбазовіші властивості, абсолютно не враховуючи низку явищ, які відбуваються в реальній автомобільній КПП: у ньому немає ні муфт, ні вилок, ні синхронізаторів, а вибір передачі реалізується за допомогою переміщення власне первинного вала. Якби це була реальна металева «механіка», вона прожила б зовсім недовго, розлетівшись уже після кількох десятків перемикань. Проте, поглянувши на цю маленьку безстрашну «коробочку передачок», що хвацько підтикає їх без синхронізації в нерухомий вторинний вал, можна побачити і зрозуміти основне призначення агрегату: давати можливість змінювати передавальне відношення за допомогою шестерень різного розміру. А це вже щось.
Конструктор FischerTehnik, що демонструє принцип роботи МКПП
Винаходячи велосипед
Починаючи розповідь про коробку передач, варто коротко розібратися — а навіщо взагалі вона потрібна? Адже всім відомо, що головне в машині — двигун, тож невже не можна безпосередньо передати виконувану ним роботу на колеса, не вигадуючи складних схем з купою шестерень, третьою педаллю в салоні та важелем, який треба постійно перевертати? На жаль, ні.
Для відповіді на це очевидне запитання найкраще подивитися на велосипед, точніше, його еволюцію. Найпростіший варіант являє собою дві зірочки, пов’язані ланцюговою передачею. Обертаючи одну — провідну — зірочку за допомогою педалей, наїзник приводить у рух другу — ведену, пов’язану безпосередньо з колесом, таким чином обертаючи його. Велосипед рухається вперед, усі щасливі й задоволені. Принаймні, були до певного моменту — доти, доки велосипед слугував для переміщення по відносно рівних і горизонтальних поверхнях. Раптово з’ясувавши, що часом на шляху трапляються підйоми, пухкі ґрунти та інші незручності, люди задумалися про вдосконалення конструкції. Результатом стало якраз те, що можна назвати прообразом механічної коробки передач — набори зірочок спереду і ззаду, що дають змогу змінювати передавальне відношення.
Передавальне відношення — частка, що отримується під час ділення швидкості ведучої зірки на швидкість веденої, тобто кількості їхніх обертів. Воно обернено передавальному числу, яке розраховується як відношення числа зубів на веденій зірочці до їх числа на ведучій. Простіше кажучи, що менша ведуча зірка і більша ведена, то легше буде її обертати і тим повільніше вона рухатиметься. Знову згадуємо старі велосипеди: спереду педалями доводилося обертати велику зірку, тоді як зірочка на задній втулці була маленькою. У результаті, намагаючись у дитинстві рушити на якомусь «Уралі», доводилося всією вагою налягати на педалі, щоб провернути заднє колесо. Ну а зараз магазини рясніють розсипом двоколісників, навіть найбюджетніші з яких мають по кілька зірок ззаду і спереду. Завдяки цьому можна, наприклад, змінити набір: ведуча зірочка буде маленькою, а ведена — великою. Тоді педалі будуть обертатися дуже легко, але особливо розігнатися не вийде. Зате в гірку можна буде їхати, а не тягнути.
Від велосипеда до автомобіля
До чого стосувався весь цей докладний велолікбез? Якраз до того, навіщо потрібна коробка передач взагалі: адже характеристики джерела енергії, чи то велосипедист, чи то двигун внутрішнього згоряння, постійні. Перший розвиває певну м’язову силу, обмежену фізичними можливостями, а для другого можливості виражаються кількістю оборотів, що розвиваються. Річ у тім, що в їхньому робочому діапазоні просто не можна підібрати таке передавальне відношення, яке дасть змогу і впевнено рушити з місця, і розігнатися до 150 і більше кілометрів на годину. Ситуація ускладнюється тим, що якщо у велосипедиста максимальний «крутний момент» доступний практично «з холостих обертів», то з ДВЗ ситуація інша: для його досягнення оберти мають бути доволі високими. Та й максимальна потужність, теж важлива для руху, з’являється у верхньому їх діапазоні.
Який із цього випливає висновок? Доведеться вдаватися до того ж прийому, що і на велосипеді: змінювати передавальне відношення. Між чим і чим? Зараз розберемося.
А тепер — до самої коробки передач
Принципово від велосипедної трансмісії автомобільна коробка передач відрізняється типом приводу: якщо в першій використовується ланцюг, то друга має в своїй основі шестеренний механізм. Загалом же суть у них одна: і там, і там шестерні (зірки) мають неоднакові розміри, забезпечуючи різне передавальне відношення. До речі, спочатку, в ранніх КПП вони були простими прямозубими, а пізніше стали косозубими, оскільки в цьому разі забезпечується більш тиха їхня робота.
У загальному вигляді механічна коробка передач являє собою набір паралельних валів, на яких «нанизані» шестерні. Їхнє завдання — передати крутний момент з маховика двигуна на колеса. У класичному випадку для цього використовується або два, або три вали. Розглянемо тривальний варіант, від якого буде простіше перейти до двовального.
Отже, у трьохвальному виконанні в КПП є первинний, вторинний і проміжний вали. Перші два при цьому розташовані на одній осі, будучи ніби продовженням один одного, але незалежні й обертаються окремо, а третій фізично розташовується під ними. Первинний вал короткий: одним кінцем він через зчеплення з’єднаний з маховиком двигуна, тобто приймає з нього крутний момент, а на другому кінці розташована одна-єдина шестерня, що передає цей момент далі, на проміжний вал. Він, як ми пам’ятаємо, розташований нижче від ведучого і являє собою вже довгий стрижень із шестернями на ньому. Їхня кількість збігається з кількістю передач, плюс одна для з’єднання з первинним валом.
Закріплені шестерні на проміжному валу жорстко, найчастіше вони виточуються з єдиної металевої заготовки. Їх можна назвати провідними (хоч і приводяться в рух вони через первинний вал). Постійно обертаючись, вони передають крутний момент на ведені шестерні вторинного вала (їх тут, до речі, вже рівно стільки ж, скільки передач). Цей третій вал схожий з проміжним, але головна відмінність у тому, що шестерні на ньому є рухомим елементом: вони не пов’язані з валом жорстко, а нанизані на нього і обертаються на підшипниках. Їхнє поздовжнє переміщення при цьому виключено, вони розташовані строго навпроти шестерень проєжуточного вала й обертаються разом із ними (хоча існує й інший варіант, коли шестерні можуть рухатися вздовж вала). Одним кінцем вторинний вал, як ми пам’ятаємо, повернутий до первинного, а другий слугує вже безпосередньо для передавання крутильного моменту на колеса — наприклад, через кардан і редуктор заднього моста.
Отже, ми отримали конструкцію, де первинний вал при зімкнутому зчепленні обертає проміжний, а той — одночасно всі шестерні на вторинному валу. Однак сам вторинний вал, як і раніше, нерухомий. Що потрібно зробити? Увімкнути передачу.
Вмикаємо передачу
Увімкнення передачі означає з’єднання однієї з шестерень вторинного вала з ним самим, щоб вони почали обертатися разом. Здійснюється це так: між шестернями розташовуються спеціальні муфти, які можуть переміщатися вздовж вала, але обертаються разом із ним. Вони виконують роль «замків», за допомогою зубчастих вінців на своїх торцях, що стикаються, жорстко з’єднують вал із шестернею, до якої примикає муфта. Вона приводиться в рух виделкою — такою собі «рогаткою», яка, своєю чергою, з’єднана з важелем КПП — тим самим, яким орудує водій. Привід КПП може бути різним: важільним (з використанням металевого вала), тросовим і навіть гідравлічним (такий використовують на вантажівках).
На відео: Коробка передач FischerTechnik — Перша передача
Тепер картинка більш-менш склалася: пересунувши муфту до однієї з шестерень вторинного вала і замкнувши їх, ми досягаємо обертання вала і, відповідно, передання крутного моменту на колеса. Але тут є ще кілька «фішок», про які потрібно згадати.
Синхронізатори
Для початку уявімо собі перемикання передачі під час руху автомобіля. Муфта, відходячи від шестерні, розблокує її і піде до сусідньої (або ж у справу вступить інша муфта, між іншими шестернями). Здавалося б, жодних проблем тут немає… Однак усе не так гладко: адже муфта (і, відповідно, вторинний вал) тепер має одну швидкість обертання, задану попередньою відомою шестернею, а шестерня наступної передачі — іншу. Якщо просто різко поєднати їх, станеться удар, який, хоч і миттєво зрівняє швидкості, нічого доброго не принесе: по-перше, шестерні та їхні зуби можуть банально пошкодитися, а по-друге, перемикати передачі в такий спосіб — узагалі не найкраща затія. Як же бути? Відповідь проста: перед увімкненням передачі швидкості руху шестерні та муфти потрібно синхронізувати.
Для цих цілей використовуються деталі, іменовані — раптово — синхронізаторами. Принцип їхньої роботи простий настільки ж, наскільки і їхня назва. Для синхронізації швидкостей двох вузлів, що обертаються, використовується найпростіше рішення: сила тертя. Перед тим, як увійти в зачеплення з шестернею, муфта підходить до неї впритул. Контактна частина шестерні має конічну форму, а на муфті розташовано відповідний конус, на якому встановлено бронзове кільце (або кілька кілець, оскільки ці деталі, як можна зрозуміти, піддаються основному зносу). Притискаючись до зубчастого колеса через цю «прокладку», муфта розганяє або гальмує його до своєї швидкості. Далі все йде вже як по маслу: оскільки тепер дві деталі нерухомі відносно одна одної, муфта легко, плавно, без ривків і поштовхів входить у зачеплення з шестернею за допомогою зубчастих вінців, розташованих у зоні сполучення, і вони продовжують рух разом.
Пряма і підвищувальна передачі
Переходимо до наступного пункту. Уявімо собі, що, поступово розганяючись, ми досягли такої швидкості руху автомобіля, за якої двигун у змозі забезпечити те, про що ми говорили на самому початку, — безпосереднє обертання коліс без допомоги додаткових шестерень. Яке рішення цього завдання буде найпростішим? Згадуючи, що первинний і вторинний вал у трьохвальній КПП розташовуються на одній осі, ми приходимо до простого висновку: потрібно з’єднати їх безпосередньо. Таким чином ми досягаємо бажаного результату: швидкість обертання маховика двигуна збігається зі швидкістю обертання вторинного вала, який безпосередньо передає крутний момент на колеса. Ідеально! При цьому передавальне відношення, очевидно, становить 1:1, тому така передача називається прямою.
На відео: Коробка передач FischerTechnik — Друга передача
Пряма передача є вельми зручною та вигідною: по-перше, мінімізуються втрати енергії на обертання проміжних зубчастих коліс, а по-друге, самі колеса значно менше зношуються, адже на них не передається жодного зусилля. Однак ми пам’ятаємо, що шестерні проміжного і вторинного валів завжди перебувають у зачепленні, і воно нікуди не зникає, тож вони продовжують обертатися, але вже «вхолосту», не передаючи крутильного моменту.
А що якщо піти ще далі і зробити передавальне число меншим за одиницю? Немає проблем: це практикується вже давно. На ділі це означає, що ведена шестерня буде меншою за ведучу, а отже, двигун за тієї самої швидкості, що й на прямій передачі, працюватиме на менших обертах. Переваги? Знижуються споживання палива, шум і зношування двигуна. Однак крутний момент у таких умовах буде далеко не найвищим, і для пересування потрібно підтримувати більшу швидкість. Підвищувальна передача (її ще називають овердрайв) служить здебільшого для підтримки цієї швидкості під час постійного руху, а під час обгону вам, найімовірніше, доведеться переключитися на знижену.
Задній хід
Ну ось, з тим, як їхати вперед, ми розібралися, а як же реалізувати задній хід? Адже обертання маховика не зміниш, а отже, і первинний вал буде завжди обертатися строго в одному напрямку. Насправді, тут усе ще простіше.
На відео: коробка передач FischerTechnik, задня передача
Маючи ведучу і ведену шестерні та необхідність змінити напрямок обертання останньої, досить просто розташувати між ними третю — проміжну. Питання вирішено! Задній хід в автомобілях, як правило, виконаний саме так. Відповідно, ведуча і ведена шестерні, як і раніше, розташовуються на своїх місцях, а вторинний вал при цьому обертається у зворотний бік — протилежний первинному.
Двовальні коробки передач
Як ми й обіцяли, від тривальної КПП перейдемо до двовальної. Насправді відмінностей у їхній будові та роботі — мінімум. Головне полягає в тому, що проміжний вал відсутній, а його роль у повному обсязі бере на себе первинний. На ньому розташовуються нерухомі шестерні, і він же безпосередньо передає крутний момент на вторинний вал.
Також з неспіввісного розташування вторинного вала відносно первинного виникає друга відмінність двовальної КПП: відсутність прямої передачі через банальну фізичну неможливість жорстко з’єднати безпосередньо ці два вали. Це, звісно, не заважає підібрати передавальне відношення підвищених передач таким чином, щоб воно прагнуло до значення 1:1, але привід у будь-якому разі здійснюватиметься через шестерні з усіма супутніми цьому втратами.
З явних плюсів двовальної коробки можна відзначити її компактність порівняно з тривальною, але через відсутність проміжного ряду шестерень скорочується варіативність добору передавальних відносин. Таким чином, її можна використовувати там, де менша вага і розміри відіграють більшу роль, ніж високий крутний момент і широкий діапазон передавальних чисел.
Замість висновку
Зрозуміло, в цьому матеріалі ми залишили за бортом деякі технічні тонкощі та нюанси. Точний устрій синхронізаторів із сухарями, пружинами, кульками і стопорними кільцями, особливості експлуатації несинхронізованих КПП, відмінності та переваги існуючих типів приводу муфт вмикання передач — все це було свідомо залишено осторонь, щоб не перевантажувати детальною інформацією тих, хто тільки намагається розібратися в принципах роботи «механіки». Якраз для такої аудиторії цей текст і написаний — навряд чи людина, знайома з внутрішнім устроєм коробки передач, почерпне з нього щось нове. А ось для новачків, які бажають дізнатися, що ж там, на іншому кінці салонного важеля МКПП, стаття може бути корисною. Адже знання дають не тільки теоретичну підкованість — тепер багатьом стане зрозуміло і те, як правильно експлуатувати свій автомобіль: чому не варто вмикати передачі, які не призначені для руху на обраній швидкості, чому не варто поспішати в перемиканнях або зображати ралійного гонщика з «секвенталкою» під час експлуатації цивільного автомобіля в звичайних міських умовах, чому все ж таки треба міняти мастило не лише в двигуні, а й у коробці передач. І якщо хтось замислиться або зробить для себе нові висновки — значить, все це було написано не даремно. А це, як відомо, найважливіше.
