Коробки передач / основные понятия

Коробки передач / основные понятия

Необходимость ремонта внутренних компонентов коробки передач может поставить в затруднительное положение. Механиков-автолюбителей, которые никогда не занимались ремонтом коробки передач, часто пугает перспектива капитального ремонта или модификации из-за большого количества шестерен, подшипников, тяг и валов, которые они видят после того, как снимают крышку или рассоединяют картер современной коробки передач. К счастью, ситуация не настолько устрашающая: конструкция коробки передач может показаться очень сложной только если вы не имеете представления о том, на что смотрите. Не смотря на кажущуюся сложность конструкции, коробки передач представляют собой достаточно простые механические агрегаты, которые можно отремонтировать и модифицировать, как и любой другой узел автомобиля. В некотором роде их внутренняя конструкция даже проще, чем у других компонентов, которые подвергаются модификации намного чаще, например, головки блока цилиндров и карбюраторы или системы впрыска топлива.

В первой главе вы найдете описание основных понятий, имеющих отношение к коробкам передач легковых автомобилей в общем и механическим коробкам передач в частности. Если у вас есть техническое образование, пояснения могут показаться вам несколько поверхностными, но мы надеемся, что в нашей книге каждый найдет для себя что-то полезное, особенно это касается механизмов переключения передач. Если первые главы кажутся вам слишком простыми, можете пропустить их и приступить к главам, посвященным более узким вопросам.

Необходимость в подборе передаточных чисел

Необходимость в создании коробок передач возникла вследствие особенностей конструкции двигателей внутреннего сгорания. Все двигатели производят различный крутящий момент при различной частоте вращения коленчатого вала. Начиная с небольших значений на холостых оборотах, крутящий момент возрастает при увеличении частоты вращения двигателя, достигая пикового значения и затем снижаясь после данной точки до максимально возможной частоты вращения двигателя. Даже наиболее эластичные агрегаты производят полезный крутящий момент только в ограниченном диапазоне частоты вращения двигателя. Возьмем, к примеру, стандартный двигатель автомобиля для уличных гонок, который производит максимальный крутящий момент при частоте вращения от 2500 до 4000 об/мин, при этом максимально допустимая частота вращения двигателя может составлять 6000 об/мин.

К сожалению, требуемый диапазон крутящего момента намного шире, чем эффективный крутящий момент двигателя. Крутящий момент – это мера вращающего действия силы на тело (в данном случае – коленчатый вал двигателя), которая обеспечивает ускорение автомобиля, преодолевая инерцию и трение между дорожным покрытием и колесами автомобиля, более высокий или более низкий крутящий момент может потребоваться в зависимости от скорости автомобиля, его массы и ускорения. Таким образом, появляется необходимость в связующем звене между колесами и двигателем, которое позволит двигателю работать с оптимальной частотой вращения в соответствии с изменением скорости автомобиля и необходимого крутящего момента.

Наиболее распространенным и эффективным методом изменения частоты вращения двигателя и скорости вращения колес в автомобильной трансмиссии является использование шестерен, хотя раньше использовались также ремни и цепи. Все эти методы сочетали в себе один важный принцип работы силовой передачи: они не только уменьшали частоту вращения двигателя, но и увеличивали крутящий момент с целью увеличения ускорения. Чтобы понять, как это происходит, необходимо разобраться в самом понятии «крутящий момент», а также какое отношение он имеет к таким понятиям как «сила», «работа» и «мощность».

Сила, производимая двигателем внутреннего сгорания, измеряется крутящим моментом, стандартной единицей измерения вращательной силы. Крутящий момент можно изобразить как силу на краю рычага, установленного на вращающийся вал (коленвал двигателя). На самом деле это мера состоит из двух единиц, и определяется как расстояние от центральной части вала (длина воображаемого рычага) умноженная на количество измеряемой силы. В метрической системе крутящий момент измеряется в Н·м (Ньютоны на метр).

Так как крутящий момент – это сила, умноженная на длину, производить большую силу можно, увеличив длину рычага. Это предположение основано на принципе передаточных отношений, и должно быть очевидным для каждого, кто использовал удлинитель на ключах, чтобы отвернуть прикипевшую гайку, таким образом, увеличивая силу в несколько раз (например, с 15 до 40 кг). Таким образом, вы можете легко получить значительную силу для отворачивания гаек, без прикладывания чрезмерных усилий.

В данном примере, прежде чем болт начнет двигаться, разницы в длине между двумя рычагами не будет. Оба будут производить одинаковый статический момент. Как только болт начнет поддаваться, 15 кг силы, примененные при помощи более длинного рычага, должны будут применяться на большем расстоянии, чтобы достичь того же вращательного движения. Тоже количество работы было выполнено в обоих случаях (120 Н•м), однако сила и расстояние изменились. Отношение между силой, расстоянием и работой является основным принципом работы механической коробки передач.

Чтобы наглядно показать измерение крутящего момента, очень удобно рассматривать его в отношении расстояния и массы. Чем длиннее воображаемое плечо рычага между осью поворота и силой (или массой), тем больше крутящий момент. Верно и обратное утверждение. Если двигатель производит крутящий момент 0,14 кгс•м, сила на краю рычага длинной 0,304 м будет составлять 0,45 кг. Как и в примере с монтировкой, приведенной в тексте, более длинное плечо рычага позволяет перемещать больший вес или выполнять больше работы.

Шестерни представляют собой простые рычаги. Шестерня с 20 зубьями, приводящая в движение шестерню с 30 зубьями сопоставима с рычагом с осью поворота 30 дюймов (762 мм) до одного края и 20 дюймов (508 мм) до другого края. Малая шестерня действует в качестве более длинного плеча рычага, а большая шестерня – в качестве более короткого плеча рычага. Если большая шестерня является ведомой, расстояние пройденное малой шестерней (в оборотах) больше, однако крутящий момент меньше. С другой стороны, если малая шестерня является ведомой, расстояние будет меньшим, а крутящий момент большим.

Все двигатели внутреннего сгорания имеют общую характеристику: они производят больший крутящий момент при более высокой скорости до определенного значения, затем крутящий момент идет на спад. Данная «кривая крутящего момента» означает, что необходимо использовать какой-либо метод, чтобы изменять скорость движения автомобиля, пока двигатель вырабатывает необходимый крутящий момент. Обратите внимание, что данный график был получен после использования динамометра на реальном автомобиле, и мощность и крутящий момент одинаковые при 5 252 об/мин. это происходит из-за способа расчета мощности, принимая во внимание крутящий момент и частоту вращения двигателя.

Шестерни – это просто тщательно разработанный метод использования механических компонентов. Представьте себе пару шестерен как рычаг с осью вращения по всей длине. Маленькая шестерня приводит в действие большую шестерню, которая выступает в качестве рычага с осью вращения ближе к выходному краю – быстрое вращение малой шестерни (длинное плечо рычага) преобразуется в медленное вращение большой шестерни (короткое плечо), однако при этом сила увеличивается (крутящий момент). Чем больше разница между шестернями, тем больше механических преимуществ имеет малая шестерня над большой.

Из-за принципа работы шестерни могут только изменять отношение силы (крутящего момента) к расстоянию (вращение). Зубчатая передача, которая увеличивает крутящий момент на входе, должна также снижать скорость на выходе, в качестве компенсации: данная работа может произвести только больше силы с меньшим расстоянием или большее расстояние с меньшей силой.

Термин «передаточное отношение» означает количество зубьев на выходной шестерне, поделенное на количество зубьев входной шестерни. Это определяет разницу в скорости вращения шестерен, и, следовательно, увеличение крутящего момента этой зубчатой передачи. Малая шестерня обычно называется просто шестерней, а большая шестерня – колесом, хотя данная терминология не всегда используется в руководствах по ремонту.

Если шестерня является ведомой, в таком случае скорость на выходе будет ниже, чем скорость на входе, следовательно, в коробке передач момент понижается. Может быть и наоборот: в повышающих зубчатых передачах колесико приводится в действие и вторичный вал вращается с более высокой скоростью, чем первичный вал. Нижние, понижающие передаточные отношения увеличивают крутящий момент от первичного вала к вторичному, а повышающие передачи в действительности снижают крутящий момент (однако увеличивают скорость).

Последней частью головоломки конструкции зубчатой передачи и коробки передач является мощность, которая выражается в работе, выполненной за определенный промежуток времени, это также сила, умноженная на расстояние и время. В конструкции зубчатой передачи и двигателя мощность играет важную роль, так как она отражает не только работу, которую может выполнить двигатель, а также скорость, с которой он ее выполняет.

Подбор передаточных отношений является более сложной задачей. Если шестерни на коробке передач можно заменять по отдельности, наиболее правильной стратегией будет следующее: первую передачу необходимо использовать только при прохождении сложных поворотов на треке, при этом высокие передачи позволяют двигателю увеличивать частоту вращения за указанный предел при движении по прямой. Если остальные передачи настроены должным образом, полученный диапазон передач позволяет максимально увеличить передаточные отношения при заданных рабочих условиях. Если передаточное число главной передачи можно изменить, лучше всего, игнорируя первую передачу, установить передаточные отношения таким образом, чтобы использовать передачи со второй по пятую во время прохождения каждого круга.

В гонках автокросса трассы достаточно короткие, менее одной минуты на круг, поэтому скорости движения не превышаю 110 км/ч. При таком коротком заезде, чем реже вам придется переключать передачи, тем лучше, так как каждое переключение сокращает время, за которое двигатель может разгонять автомобиль. Чтобы подобрать оптимальные передаточные отношения для автокросса, большинство гонщиков используют передаточное отношение главной передачи (в гонках данного класса его можно изменить), которое позволяет двигателю достигать максимальной частоты вращения при движении на второй передаче. Это сокращает количество переключений до одного, так как после старта водитель просто переключается на вторую передачу и после этого не переключает ее.

Мощность двигателей измеряется в лошадиных силах (л.с.), которые можно легко рассчитать, умножив частоту вращения двигателя на крутящий момент и разделить на 75. При умножении крутящий момент и мощность любого двигателя будут одинаковыми при частоте вращения 75 (хотя корректирующие факторы могут несколько изменить это значение при распечатке данных динамометра).

Так как мощность зависит от частоты вращения двигателя и крутящего момента, становится очевидным, что чем быстрее вращается на любой точке кривой крутящего момента, тем выше будет мощность в заданной точке. Извлечь выгоду из повышенной частоты вращения двигателя можно посредством зубчатых шестерен. Шестерни могут только увеличивать крутящий момент, снижая скорость, поэтому крутящий момент, возникающий при движении на высокой скорости, более полезен, чем крутящий момент на низкой скорости, так как позволяет увеличить выходной крутящий момент без чрезмерного снижения скорости. Следовательно, чем быстрее вращается двигатель, тем большая скорость может использоваться для подбора передаточных отношений. Те же шестерни низких передач, которые необходимы для снижения частоты вращения двигателя до полезного диапазона, также увеличивают крутящий момент.

Мощность в гонках даже более важна, так как большая часть соревнований проводится на время, или другими словами, необходимо выполнить как можно больше работы за наименьший промежуток времени. Чем большей мощностью обладает двигатель, тем больше работы он может выполнить за определенный промежуток времени как, например, в круговых гонках или драг-гонках. Диапазон передач также будет меньше, чем в обычных легковых автомобилях, поэтому можно подобрать оптимальные передаточные числа, чтобы увеличить выходную мощность двигателя, пренебрегая компромиссами, необходимыми при вождении в условиях городского движения.

Теоретически, мощность не снижается при переключении передач, так как они сокращают одно значение (скорость), увеличивая другое (крутящий момент), и наоборот. Идеальная последовательность переключения передач (без потерь на силы трения и инерцию) не будет влиять на мощность, при этом изменяя и оптимизируя крутящий момент двигателя и скорость. В реальности, однако, трение между шестернями и подшипниками коробки передач поглощает некоторое количество мощности, преобразуя ее в тепло, в зависимости от скорости вращения и передаточных чисел.

На данной иллюстрации показана коробка передач заднеприводного автомобиля в нейтральном положении. Все три вилки переключения (два алюминиевых клина видны в верхней части картера коробки передач, и алюминиевая вилка слева, за задней частью подшипника промежуточного вала) установлены в центральное положение. Они совмещены с канавками в муфтах синхронизаторов и не блокируют ни одну из шестерен.

Теория передаточных чисел

Игнорируя пробуксовку колес, более низкие передачи обеспечивают более быстрое ускорение из-за увеличения крутящего момента. Чем ниже передача, однако, тем ниже максимальная скорость автомобиля. Автомобиль с одной низкой передачей будет ускоряться очень быстро до максимально возможного крутящего момента, а после пиковой точки – медленнее. Достигая предельного значения автомобиль не будет увеличивать скорость. Чтобы продолжить ускорение, необходимо использовать другое отношения, чтобы вернуть двигатель к максимальному крутящему моменту. Каждая последующая передача позволяет автомобилю продолжать ускорение, пока мощность, необходимая для движения автомобиля с текущей скоростью (вследствие трения шин с поверхностью дороги и сопротивления воздуха) не превысит выходную мощность двигателя.

Только автомобили упрощенной конструкции с высоким отношением мощности –веса и ограниченным диапазоном скорости, например гоночные карты и автомобили для спринта, могут обойтись одноступенчатым приводным механизмом. Даже в таком случае, центробежная муфта (как в картах) или пробуксовка колес (как в автомобилях для спринта) позволяют двигателю вращаться быстрее, чем движется автомобиль в некоторых ситуациях. Частота вращения двигателя и выходной крутящий момент могут оставаться относительно постоянными, а пробуксовка сцепления или шин позволяют скорости автомобиля «согласовываться» с работой двигателя при ускорении после поворота.

Конструкторы решили данную проблему на заре автомобилестроения, разработав коробки передач с различными передаточными отношениями и механизмом переключения передач. По мере развития и оптимизации качества материалов и процесса изготовления, зубчатые передачи становились прочнее и легче, а производители автомобилей добавляли дополнительные шестерни и синхронизаторы, чтобы выбор передач осуществлялся без истирания зубьев.

Рычажный механизм переключения передач активирует вилку переключения первой/второй передачи (левая вилка внутри картера), когда водитель перемещает рычаг влево. Когда водитель перемещает рычаг вперед, тяга перемещает вилку обратно и совмещает шлицы муфты синхронизатора первой/второй передачи с зубчатым кольцом на шестерне первой передачи (шестерня слева в картере). Теперь мощность двигателя передается от первичного вала на промежуточный, от промежуточного вала на шестерню первой передачи на вторичном валу.

Современные коробки передач позволяют конструкторам устанавливать пять, шесть и более шестерен, что означает, что они могут опираться на несколько факторов при выборе передаточных чисел для нового двигателя/шасси в сборе. Инженеры выбирают передаточные числа на основании предполагаемых условий эксплуатации автомобиля, характеристик мощности двигателя, массы автомобиля и расхода топлива.

Легковые автомобили часто имеют пониженные первую – третью передачи, и повышенные пятую и шестую передачи из соображений снижения расхода топлива. Двигатели работают с наибольшей эффективностью при значении крутящего момента близком к пиковому, поэтому подбираются передаточные отношения, чтобы двигатель работал в подобных условиях. Передачи нужные для ускорения автомобиля (от первой до третьей или четвертой передачи), понижены, что придает двигателю больше механических преимуществ и позволяет оптимизировать частоту вращения двигателя (ближе к пиковому значению крутящего момента двигателя) при движении с частыми остановками. Передачи для движения на крейсерской скорости (пятая или шестая) являются повышенными, чтобы при движении на крейсерской скорости частота вращения двигателя была низкой. Низкая частота вращения двигателя при низкой необходимой мощности (например, движение по шоссе) снижают шум работы двигателя и уменьшают расход топлива.

В зависимости от массы автомобиля и передаточного числа главной передачи, подобный диапазон передаточных чисел подходит для вождения в условиях городского движения. Низкие передачи делают вождение более увлекательным, добавляя спонтанности и возможности ускорения на низкой скорости, так как чем ниже передача, тем быстрее автомобиль ускоряется. Низкие передачи помогают тяжелым легковым автомобилям разгоняться с места, а высокие передачи для движения на крейсерской скорости снижают частоту вращения двигателя, обеспечивая низкий расход топлива.

Все нижние передачи работают по одному и тому же принципу: если одна из шестерен заблокирована на промежуточном валу (как шестерня второй передачи на иллюстрации), она начинает передавать крутящий момент. Каждая шестерня также использует понижение на шестернях первичного вала, чтобы снизить выходную скорость и увеличить момент. В коробках передач в блоке с главной передачей переднеприводных автомобилей шестерни первичного вала отсутствуют, поэтому каждая зубчатая пара должна осуществлять понижение самостоятельно. Это значит, что каждая шестерня в коробках передач в блоке с главной передачей на переднеприводных автомобилях должна быть большего диаметра, чтобы обеспечить соответствующее понижение на высокой передаче. Ведущие шестерни первой и второй передачи должны быть очень маленькими, а ведомые шестерни очень большими.

Выбор передаточных отношений для гоночного автомобиля – это совсем другое дело. В настоящих коробках передач для гоночных автомобилей можно менять передаточные отношения, таким образом гонщики могут подбирать передаточные отношения для определенного двигателя, шасси и даже трека. Хотя стратегии подбора передаточных чисел могут варьироваться в гонках, основной целью является настроить передаточные отношения таким образом, чтобы кривая крутящего момента двигателя не снижалась, при этом не превышая предельно допустимые значения частоты вращения двигателя при движении по кольцу или по прямой. Также важно контролировать количество переключений, необходимых для поддержания двигателя в наиболее мощном отрезке кривой крутящего момента. Каждое переключение передачи заставляет автомобиль терять драгоценное время, так как на колеса не передается момент при включении сцепления. Конечно, если каждой переключение занимает 0,02 секунды, это не добавляет автоматически 0,02 секунды на круг – автомобиль все равно продолжает движение во время переключения, поэтому реальные потери времени намного меньше.

В уличных гонках существует несколько школ расчета передаточных чисел, однако большая часть механиков настраивают свой автомобиль таким образом, чтобы переключение происходило непосредственно в момент пика мощности при движении по прямой на самой высокой передаче. Таким образом, остальные передачи можно выбирать, чтобы оптимизировать ускорение на важных поворотах. Вторую передачу выбирают так, чтобы двигатель не проворачивался слишком медленно для ускорения после поворота, а остальные передачи находятся примерно по средине между этими двумя крайностями. В действительности, подбор передаточных чисел для гоночных автомобилей настолько предсказуем, что современные команды Формулы-1 используют компьютерные симуляции для выбора подходящих передаточных отношений.

В ралли наиболее важным фактором, влияющим на передаточные отношения, является стремление избежать избыточного переключения передач. В большинстве случаев в ралли нет настолько длинных прямых отрезков, чтобы разогнаться более 100 км/ч, поэтому не стоит концентрироваться на подборе передаточных чисел выше данного значения. Время, потерянное при каждом переключении, быстро наверстывается при 30-секундной поездке, именно поэтому большинство конструкторов автомобилей для ралли подбирают передаточное отношение таким образом, чтобы вторая передача была длиннее, чтобы избежать переключения на третью. С широким диапазоном мощности и хорошо-подобранными передаточными отношениями, большинство автомобилей может переключаться на вторую передачу сразу после трогания. В общем, если предположить использование первой передачи, чем лучше предельно допустимое значение скорости движения автомобиля на второй передаче, тем лучше.

Подбор передаточных чисел для драг-гонок представляется нам более сложным. Существует несколько факторов, которые влияют на подбор передаточных чисел. В каком-то смысле, драг-гонки – это противостояние силы сцепления и ускорения. Ведущие колеса подобранного размера и нагрузки смогут выдержать строго определенное ускорение, прежде чем сила трения между шиной и поверхностью трека не станет недостаточной для сцепления шины с дорогой, что приведет к пробуксовке колеса. Поэтому первая передача должна представлять тонкий баланс между ускорением и пробуксовкой. Проблема осложняется, если при ускорении на передние колеса распределяется меньше нагрузки (как эффект перераспределения нагрузки на переднеприводных автомобилях), а также в случае со сверхмощными автомобилями.

Как только сцепление шин с поверхностью будет достигнуто, важным фактором остается падение частоты вращения двигателя между каждым переключением. Учитывая ограниченное количество передач, каждую из них необходимо выбирать в момент, когда двигатель достигнет пиковой мощности на каждой передаче, таким образом, при переключении на следующую передачу мы получим оптимальный крутящий момент. Точные моменты переключения могут варьироваться, однако целью является переключение при 200 – 300 об/мин после пика мощности. Это позволяет трансмиссии преобразовать максимальный крутящий момент в ускорение с минимальным количеством переключений – увеличивая ускорения с данным количеством передач.

При оптимальном подборе передаточных чисел передачи необходимо переключать непосредственно перед тем, как красная стрелка дойдет до красной зоны. Если в гоночном автомобиле используется модифицированная коробка передач, повышающие передачи, такие как пятая и шестая, могут не использоваться. Многие гонщики блокируют пятую передачу, так как она подразумевает пару шестерен, которые не так надежно закреплены на подшипниках, как более низкие передачи, а также потому что она снижает крутящий момент и частоту вращения двигателя на высокой скорости.

Передаточное отношение главной передачи намного проще изменить, чем передаточное число шестерен коробки передач на заднеприводных автомобилях, именно поэтому на данном вопросе сконцентрировано большое количество дискуссий как в отношении гоночных, так и обычных легковых автомобилей. Очень часто выбранное передаточное число для главной передачи часто является компромиссом, если остальные передаточные установлены, так как все передачи коробки повышаются или понижаются на одно и то же значение. Слишком низкая главная передача представляет компромисс между ускорением с места и движением на крейсерской скорости или между высоким расходом топлива и низкими техническими характеристиками при движении на низкой скорости.

Конструкция коробки передач

Современная многоскоростная механическая коробка передач является результатом многих лет последовательной эволюции и представляет собой достаточно прочную и эффективную систему. За это время большое количество методов переключения передач и достижения необходимых передаточных чисел было использовано, включая дюжину синхронизаторов и механизмов переключения различной конструкции, набора сцепленных сателлитов, на подобие тех, что используются сейчас в автоматических коробках передач (и автомобили Ford T), и скользящих зубчатых колес. Большая часть этих инноваций канули в лету вместе с коробками передач, на которых они использовались.

Не считая полуавтоматические коробки передач или коробки передач «без сцепления», внутренняя конструкция всех современных коробок передач, а также поток мощности, который передается от двигателя через коробку передач на приводные валы, очень похожи. Частично причиной подобной стандартизации является сравнительно небольшое количество производителей коробок передач, которые поставляют агрегаты для мировых производителей легковых автомобилей; во многих современных автомобилях используются унифицированные коробки передач, настроенные под определенный автомобиль.

Технически, сцепление не является частью механической коробки передач, однако оно является важной частью трансмиссии и причиной большинства проблем в работе коробки передач. Маховик и нажимной диск сцепления, закрепленные болтами на краю коленвала двигателя, передают крутящий момент на коробку передач посредством трения с диском сцепления. Диск закреплен пружинами между контактными поверхностями на компонентах, приводимых в действие двигателем, и оснащенные внутренними шлицами, которые находятся в зацеплении с валом с внешними шлицами, чтобы приводить в действие коробку передач.

В современных гоночных автомобилях используются коробки передач с постоянным зацеплением, что означает, что шестерни находятся в постоянном зацеплении, и соединением шестерни с валом посредством ступицы, что означает, что выбор шестерен осуществляется посредством перемещающейся ступицы. Кроме передачи заднего хода, зубчатая пара (ведущие и ведомые компоненты каждого зубчатого колеса) в коробке передач постоянно взаимодействуют и вращаются в обратных направлениях. Собственно шестерни перемещаются в и из зацепления. Чтобы переключить коробку передач из одной передачи в другую, одно зубчатое колесо из каждой зубчатой пары может вращаться свободно на подшипнике или может быть заблокировано на стальном валу со шлицами, на котором оно вращается. Второе зубчатое колесо каждой пары постоянно заблокировано на валу либо посредством шлицов, либо изготовлено из того же куска стали.

Блокировка и снятие блокировки плавающих шестерен на валах осуществляется посредством системы перемещающихся ступиц большого диаметра с внутренними зубьями. Ступицы приводятся в действие большими ступицами синхронизатора со шлицами, которые закреплены посредством шлицов и штифтов или впрессованы на центральный вал (по всей длине вала), чтобы включать и выключать передачи. Внутренние зубья ступицы совмещаются с большим узким зубчатым колесом на поверхности каждой шестерни.

При включении передачи переднего хода, ступица соответствующей шестерни перемещается на ступице синхронизатора и совмещается с зубчатым кольцом шестерни. Затем эта шестерня будет заблокирована на центральном валу посредством ступицы шестерни и ступицы синхронизатора. В нейтральной или в другой передаче, внутренние зубья ступицы не будут совмещаться с шестерней, поэтому она будет свободно вращаться с отличной от вала скоростью. Часто каждая ступица управляет двумя шестернями и имеет три положения: на каждом краю хода ступица совмещается с различной шестерней, а в центральном положении она не совмещается ни с одной из них.

Если двигатель запущен, а сцепление включено, две шестерни по обеим сторонам от ступицы вращаются с различной скоростью. Если автомобиль движется, внутренний вал также будет вращаться с иной скоростью. Если бы не было способа уравнять эти скорости, коробку передач было бы достаточно сложно переключить: зубья ступицы и зубчатого кольца вращались бы с различными скоростями и не совместились бы. Переключение передач может произойти только в том случае, если ступица и шестерня вращаются с одинаковой скоростью.

Чтобы решить эту проблему в современных коробках передач для легковых автомобилей используется система синхронизатора с блокирующим кольцом, которая предотвращает совмещение шестерни и муфты, пока вращающиеся элементы не будут вращаться с одинаковой скоростью. Это позволяет зубьям зубчатого кольца зацепляться без повреждения. Блокирующие кольца используют силу трения, чтобы увеличить или уменьшить скорость вращения первичного вала коробки передач таким образом, чтобы она совпадала с скоростью вращения выбранной шестерни вовремя процесса блокировки.

Главная передача и дифференциал

Завершающим звеном в коробке передач легкового автомобиля является главная передача, которая использует шестерни для распределения крутящего момента на колеса. Основная величина преобразования крутящего момента происходит в главной передаче с передаточными отношениями 1,5:1 и 5:1. Чтобы добиться подобных преобразований, небольшая шестерня приводит в действие коронную шестерню большого диаметра.

В главную передачу встроен дифференциал, который позволяет ведущим колесам вращаться с различной скоростью. Дифференциал необходим при выполнении поворотов, так как по внешнему и внутреннему радиусу колеса вращаются с различной скоростью. По внешнему диаметру колесо проходит большее расстояние, следовательно, оно должно вращаться быстрее, чтобы пройти поворот за тот же промежуток времени, что и колесо, движущееся по внутреннему диаметру. Если бы оба колеса были заблокированы вместе, одному приходилось бы пробуксовывать, чтобы автомобиль совершил поворот.

Коробки передач заднеприводных автомобилей

В коробках передач заднеприводных автомобилей обычно используются три главных вала для передачи момента от двигателя на приводной вал или главную передачу. Третий вал позволяет первичному и вторичному валу вращаться в одинаковом направлении, несмотря на необходимые передаточные отношения, и уменьшает размер шестерен, необходимых для увеличения крутящего момента. Первичный вал со шлицами передает момент от сцепления на зубчатую передачу. Он вращается внутри картера коробки передач на шариковом или коническом роликовом подшипнике большого диаметра, который также называют подшипником первичного вала. Внешний край вала может быть установлен на небольшом игольчатом подшипнике на краю коленвала. Шестерня на краю первичного вала, которую также называют первичной шестерней, проворачивает отрезок вала, расположенный в коробке передач, - промежуточный вал. Промежуточный вал часто оснащен литыми или посажеными на шлицы шестернями, по одной для каждой низкой передачи.

Промежуточный вал поддерживается по обоим краям подшипниками, установленными в постели в гнезда коробки передач или внутри полого промежуточного вала. Каждая шестерня промежуточного вала приводит в действие одну из свободно вращающихся шестерен вторичного вала, выбранную ступицей шестерни или синхронизатором в сборе. Край вторичного вала, расположенный ближе к двигателю, может быть установлен на небольшом игольчатом или коническом роликовом подшипнике, который называют опорным подшипником вторичного вала, расположенном внутри края первичного вала. Край со стороны приводного вала опирается на центральный опорный подшипник в задней части картера коробки передач.

В большинстве коробок передач момент по первичному валу шестерне передается на промежуточный вал и в свою очередь на каждую шестерню вторичного вала. Некоторые коробки передач также оснащены одной прямой передачей, на которой промежуточный вал не передает момент на вторичный вал. На данной передаче первичный и вторичный валы заблокированы вместе зубьями синхронизатора на шестерне первичного вала. Прямая передача используется для того, чтобы сделать коробку передач более компактной (так как не требуется дополнительной шестерни) и увеличить эффективность, так как мощность не расходуется на трение между зубьями шестерни.

Чтобы облегчить конструкцию рычажного механизма переключения передач, на многих коробках передач пониженные передачи установлены в определенном порядке на вторичном валу, начиная с четвертой и заканчивая первой передачей. Обычно для двух соседних передач устанавливается общий синхронизатор, таким образом, получаем последовательную схему переключения с синхронизаторами на первой-второй, третьей-четвертой и пятой-шестой передаче, однако это не универсальная схема.

Хотя в большинстве современных коробок передач шестерни пятой и шестой передачи установлены на вторичном валу, в некоторых случаях, эти шестерни устанавливаются отдельно за центральным опорным подшипником, или в отдельной части картера коробки передач. Иногда, повышающие передачи соединены с синхронизатором, установленным на промежуточный вал, а не на вторичный вал с шестернями первой – четвертой передачи. Таким образом, упрощается зацепление, и коробка передач становится более компактной за счет снижения скорости переключения на верхних передачах (которые включаются не так часто).

В коробках передач заднеприводных автомобилей, при выборе четвертой передачи первичный вал блокируется с промежуточным валом посредством муфты синхронизатора третьей/четвертой передачи. Передаточное отношение не осуществляется, поэтому отношение будет составлять 1:1. Шестерня пятой передачи работает, как и все остальные передачи, однако так как отношение должно быть больше 1:1 и так как шестерни первичного вала понижают отношение, пока оно дойдет до повышающих передач, они должны быть больше, чем остальные шестерни на вторичном валу. В некотором смысле, шестерня пятой передачи в коробке передач с повышающими передачами (шестерня с левой стороны вне основного картера на данной картинке) вращается напротив шестерен первичного вала.

При выборе передачи заднего хода шестерня третьей передачи должна заставлять вторичный вал вращаться в том же направлении, что и первичный вал, таким образом, изменяя направление движения автомобиля. Паразитная шестерня заднего хода приводится в действие шестерней на промежуточном валу и приводит в действие другую шестерню, расположенную на промежуточном валу. Паразитная шестерня заднего хода зацеплена с ведущей и ведомой шестерней посредством вилки переключения, что составляет исключение из правила о том, что шестерни должны вращаться в зацеплении.

На край промежуточного вала нанесены шлицы для установки скользящей вилки или фланца на край приводного вала, который передает крутящий момент двигателя от коробки передач к заднеприводной трансмиссии. Внешний диаметр скользящей вилки гладко отшлифован и установлен на втулку большого диаметра. Задняя часть коробки передач, которая поддерживает вторичный вал и рычажный механизм переключения передач, называется удлинителем картера.

Коробки передач в блоке с главной передачей переднеприводных автомобилей

Данная конструкция объединяет коробку передач и главную передачу. Коробки передач в блоке с главной передачей, установленные поперечно на переднеприводных автомобилях, и коробки передач заднеприводных автомобилей имеют больше общих черт, чем различий, однако на некоторых различиях стоит остановиться и описать их подробно. Коробки передач в блоке с главной передачей переднеприводных автомобилей конструктивно очень похожи на коробки передач заднеприводных автомобилей, однако они оснащены только двумя валами (первичный и вторичный вал). Так как блок главной передачи встроен в тот же картер и требует другого изменения направления вращения, вторичный вал не должен вращаться в том же направлении, что и первичный вал. Коробка передач подобной конструкции не оснащена опцией блокировки двух валов, поэтому необходимости в прямой передаче (с отношением 1:1) нет.

Другим основным различием между двумя типами коробок передач является рычажный механизм переключения передач. В наиболее современных коробках передач рычажный механизм переключения передач встроен в удлинитель картера, а в коробках передач в блоке с главной передачей используется что-то вроде штока или тросовых тяг для перемещения вилок переключения.

Наибольшим различием между коробкой передач заднеприводных автомобилей и коробкой передач в блоке с главной передачей является то, что главная передача и дифференциал находятся в том же картере. Главная передача в большей части коробок передач в блоке с главной передачей представляет собой зубчатую пару больших размеров похожую на шестерни передач. Иногда ведущая шестерня изготовлена одним узлом с вторичным валом и приводит в действие винтообразный зубчатый венец. Дифференциал приводит в действие две оси с ШРУСами на внешних и внутренних краях. ШРУСы позволяют передавать крутящий момент, даже при вертикальном перемещении колес при движении подвески и при горизонтальном перемещении при повороте рулевого колеса.

Коробки передач в блоке с главной передачей с продольным расположением переднеприводных автомобилей (например, коробки передач автомобилей Audi), коробки передач в блоке с главной передачей установленные за двигателем (например, коробки передач автомобилей VW) и коробки передач в блоке с главной передачей, установленные перед двигателем в задней части кузова (как на автомобиле Porsche 944), являются вариациями одного и того же типа конструкции. В большинстве случаев, данные коробки передач оснащены двумя валами, как и коробки передач переднеприводных автомобилей и включают винтообразный зубчатый венец. Во всех трех случаях рычажный механизм переключения передач установлен удаленно.

Полный привод

Существует два основных типа полноприводных трансмиссий с постоянным (AWD) и подключаемым (4WD) полным приводом. Автомобили с постоянным полным приводом предназначены для езды по мощеной дороге при любых дорожных условиях. Полный привод постоянно включен, и крутящий момент передается на все четыре колеса постоянно или согласно сигналам, полученным от электронного модуля управления трансмиссией. Системы подключаемого полного привода позволяют водителю включать соответствующий режим движения при езде по бездорожью. Трансмиссии с подключаемым полным приводом также часто представлены в автомобилях с продольным расположением двигателя на базе заднеприводных автомобилей.

Трансмиссии для полноприводных автомобилей не слишком отличаются от трансмиссий для переднеприводных или заднеприводных автомобилей, однако они включают раздаточную коробку, которая передает моментом от коробки передач на оси по обеим сторонам автомобиля. Раздаточная коробка представляет собой достаточно простое устройство, похожее на одно или двухступенчатую коробку передач, хотя в некоторых из них используются планетарные передачи или цепи вместо шестерен с внутренними зубьями. Некоторые раздаточные коробки крепятся к коробке передач посредством болтов вместо удлинителя картера. Если раздаточная коробка находится в нейтральном положении, крутящий момент будет передаваться только на задние колеса, однако может существовать и другой режим с понижением передачи.

Так как система подключаемого полного привода не предназначена для движения по мощеным дорогам, раздаточную коробку можно заблокировать, чтобы распределить крутящий момент равномерно по обеим осям, в таком случае в межосевом дифференциале нет необходимости. Межосевой дифференциал необходим при движении по дорожному покрытию, так как передние и задние оси должны вращаться с различной скоростью при повороте. Если раздаточная коробка заблокирована, передние колеса должны слегка пробуксовывать, чтобы автомобиль смог совершить поворот.

Раздаточная коробка постоянного полного привода включает межосевой дифференциал, чтобы обеспечить вращение передней и задней оси с различной скоростью. При подобной конструкции только дифференциал повышенного трения будет эффективным, так как при использовании обычного дифференциала движение автомобиля будет затруднено, если одно из колес потеряет сцепление с поверхностью. Наиболее распространенным типом межосевого дифференциала является вязкостная муфта, в которой используется термочувствительная силиконовая жидкость, чтобы приводить в движение обе оси. Современные системы постоянного полного привода (и некоторые системы подключаемого полного привода) включают сложные системы электронного управления с микропроцессором, определяющим оптимальное распределение крутящего момента для передней и задней оси в соответствии с текущими дорожными условиями.