Механическая коробка передач: виды, устройство и принцип работы

Механическая коробка передач- характеристика

Начиная повествование о коробке передач, стоит вкратце разобраться – а зачем вообще она нужна? Ведь всем известно, что главное в машине – двигатель, так неужели нельзя напрямую передать выполняемую им работу на колеса, не выдумывая сложных схем с кучей шестерней, третьей педалью в салоне и рычагом, который надо постоянно ворочать? К сожалению, нет.

Для ответа на этот очевидный вопрос лучше всего посмотреть на велосипед, точнее, его эволюцию. Простейший вариант представляет собой две звездочки, связанные цепной передачей. Вращая одну – ведущую – звездочку при помощи педалей, наездник приводит в движение вторую – ведомую, связанную непосредственно с колесом, таким образом вращая его.

Велосипед движется вперед, все счастливы и довольны. По крайней мере, были до определенного момента – до тех пор, пока велосипед служил для перемещения по относительно ровным и горизонтальным поверхностям. Внезапно выяснив, что порой на пути встречаются подъемы, рыхлые грунты и прочие неудобства, люди задумались об усовершенствовании конструкции. Результатом стало как раз то, что можно назвать прообразом механической коробки передач – наборы звездочек спереди и сзади, позволяющие изменять передаточное отношение.

Передаточное отношение – частное, получаемое при делении скорости ведущей звезды на скорость ведомой, то есть количества их оборотов. Оно обратно передаточному числу, которое рассчитывается как отношение числа зубьев на ведомой звездочке к их числу на ведущей. Проще говоря, чем меньше ведущая звезда и больше ведомая, тем легче будет ее вращать и тем медленнее она будет двигаться.

Снова вспоминаем старые велосипеды: спереди педалями приходилось вращать большую звезду, в то время как звездочка на задней втулке была маленькой. В результате, пытаясь в детстве тронуться на каком-нибудь «Урале», приходилось всем весом налегать на педали, чтобы провернуть заднее колесо. Ну а сейчас магазины изобилуют россыпью двухколесников, даже самые бюджетные из которых имеют по несколько звезд сзади и спереди.

Благодаря этому можно, например, изменить набор: ведущая звездочка будет маленькой, а ведомая – большой. Тогда педали будут вращаться очень легко, но особо разогнаться не получится. Зато в горку можно будет ехать, а не тащить.

Назначение КПП

КПП предназначена для нескольких задач:

• изменения крутящего момента,
• изменения скорости,
• коррекции направления движения автомобиля,
• разъединения ДВС и трансмиссии и, напротив, их соединения (такая потребность актуальна при переключении передач, необходимости получения малых «ползучих» скоростей, кратковременной остановки транспортного средства),
• блокировки гидротрансформатора (функция ценна для уменьшения потери полезной энергии «автомата» при передаче крутящего момента в ситуации, когда выравниваются обороты ведомой и ведущей турбин).

При этом одни КПП способны решать все эти задачи, а другие, как например, механическая, только базовые – изменение крутящего момента и скорости. Схема устройства зависит от вида КПП. В корпусе устройства коробки передач с “механикой” объединены валы (2, 3 или более),  синхронизатор, шестерни, рычаг для переключения скоростей, проволочные кольца, подшипники, сальники.

Устройство МКПП

Механическая трансмиссия состоит из корзины сцепления и собственно из самой коробки. В силовой агрегат входят:

• картер (корпус);
• первичный, вторичный и промежуточные валы;
• устройство выбора ступеней;
• ведомые и ведущие наборы шестеренок;
• синхронизаторы;
• подшипники, муфты и сальники.

Все эти компоненты находятся в корпусе и взаимодействуя друг с другом передают вращательный момент.

Сцепление

Предназначено для передачи крутящего момента от маховика коленвала ДВС к первичному валу коробки передач. Именно благодаря наличию сцепления двигатель на короткий промежуток времени можно аккуратно отсоединить от трансмиссии, а трансмиссию защитить от перегрузок.
Стандартная муфта сцепления большинства транспортных средств  с механической коробкой включает маховик, нажимной диск, ведомый диск, выжимной подшипник, привод, вилку и выключатель сцепления. Один двигатель соединен с колёсами, другой — с ДВС. В момент, когда водитель отпускает педаль, диски прижимаются друг к другу и начинают совместное вращение.

Именно о классическом сцеплении как таковом чаще говорят при использовании механической коробки передач, а при езде с ДВС на АККП говорят о совмещенном решении сцепления и гидротрансформатора. Его непосредственная функция аналогична сцеплению. Но водителю не нужно совершать никаких рутинных действий и выжимать сцепление вручную. За него все будет делать сама КПП.

Что касается роботизированных решений типа DSG (с мехатроникой), то они располагают двумя сцеплениями. Наличие двух сцеплений ценно для повышения мощности транспортного средства, и при этом минимизации пробуксовок, оптимизации расхода топлива. Ведь физически в момент переключения обороты двигателя при использовании двух сцеплений способны остаются на прежнем уровне. На картинке ниже вы видите “поведение” сцепления в роботизированной коробке  DSG в момент после переключения на вторую передачу.

Шестерни и валы

В стандартных МКПП оси валов расположены параллельно, на них располагаются шестеренки. Ведущий (первичный) вал присоединяется к маховику мотора через корзину сцепления, находящиеся на нем продольные выступы передвигают второй диск сцепления и передают через жестко закрепленную ведущую шестерню вращающий момент на промежуточный.

В хвостовике ведущего вала расположен подшипник, к которому примыкает конец вторичного. Отсутствие фиксированной связи делает возможным крутиться валам независимо друг от друга в разных направлениях и с разными скоростями.На ведомом вале имеется целый набор различных шестерней как жестко закрепленных, так и свободно вращающихся.

Перемещение и выбор необходимой пары шестерен для раздачи соответствующего условиям передвижения крутящего момента выполняется вилками переключения посредством двухстороннего механизма управления.

Шток переключения ступеней состоит из замка, муфты переключения ступеней, приводов, ползунов с вилками, которые передвигаются вдоль и поперек при помощи рукоятки КПП, находящейся в салоне машины, и привода. Механизм выбора передач может располагаться как в корпусе трансмиссии, так и располагаться на кузове автотранспорта и в редких случаях на рулевой колонке. В большинстве случаев используется кулисное устройство привода штока передач.

Синхронизаторы

Синхронизаторы – неотъемлемый элемент КПП с шестернями – кроме решений со скользящими шестернями. Физически работа синхронизаторов обязана силе трения. Функция синхронизаторов – выравнивание частоты вращения шестерен и валов, благодаря чему создаются все условия для плавного переключения скоростей. Благодаря синхронизаторам КПП меньше изнашивается и меньше шумит.
Синхронизаторы активно присутствуют у МКП и роботизированных КПП. У автомобилей с планетарными АКП альтернатива синхронизаторам – фрикционные управляющие элементы. Синхронизаторы состоят из муфты, блокировочных колец, стопорного кольца, пружины, шестерён.

Как работает стандартный синхронизатор?

1. Муфта подается в сторону шестерни.
2. Блокировочное кольцо муфты принимает на себя усилие.
3. Поверхности зубьев начинают взаимодействовать.
4. Блокировочное приобретает положение “на упор”.
5. Зубья муфты оказываются напротив зубьев блокировочного кольца.
6. Муфта оказывается в зацеплении с венцом на шестерне.
7. Муфта и шестерня блокируется.

Казалось бы шагов достаточно много, но все это происходит за доли секунд – в момент  включения водителем передачи.

Виды механических КПП

По количеству ступеней механическая коробка передач в основном подразделяется на:

• 4-х ступенчатую;
• 5-и ступенчатую;
• 6-и ступенчатую.

Наиболее распространенной механикой считается трансмиссия  5МТ, т.е. пятиступенчатая коробка передач. В зависимости от количества валов различают следующие виды КПП:

• двухвальные механические трансмиссии, устанавливаемые на легковые переднеприводные автомобили;
• трехвальные МКПП, которые применяются в основном на заднеприводных автомобилях, а также на грузовых машинах.

Кроме количества валов и ступеней КПП классифицируются в зависимости от наличия-отсутствия синхронизаторов. Если их нет, переключение скоростей требует определенного времени, которое сокращается при регулировании коробки и манипуляций с педалями газа и сцепления. Такие МКПП более надежны при высоких нагрузках, поэтому устанавливаются на мотоциклах, спортивных авто, сельхозтехнике, тяжелых грузовиках, в которых синхронизацию невозможно использовать по техническим причинам.

К механическим относят и роботизированные коробки. Их конструкция такая же, включая наличие диска сцепления, но управление осуществляется электроникой, выполняющей функции педали. Схема переключений тоже не отличается.

Принцип работы механической коробки передач

Принцип работы механической КПП следующий: крутящий момент от двигателя через сцепление передается на первичный вал коробки передач, далее преобразуется при помощи пар взаимодействующих между собой шестерен и затем передается на колеса.

Каждая пара шестерен (ступень) имеет определенное передаточное число, которое преобразует скорость вращения и крутящий момент коленвала двигателя. Причем если передача увеличивает крутящий момент, то скорость вращения уменьшается и наоборот. В первом случае передача будет называться понижающей, а во втором – повышающая. Передаточное число определяется отношением количества зубьев у выходной и входной шестерен в паре.

В свою очередь, количество зубьев напрямую зависит от размера самой шестерни: чем больше зубьев – тем больше диаметр шестерни. Например, у первой передачи самое большое передаточное число, и, следовательно, входная шестерня (на первичном валу) имеет минимальный размер, а выходная – максимальный. Переключение скоростей в механической КПП происходит только при нажатии на педаль сцепления, поскольку необходимо прервать поток мощности, передающийся от двигателя.

Движение автомобиля, оснащенного МКПП, всегда начинается с первой передачи. Исключение составляют тяжелые грузовики – там это можно делать со второй передачи. Для этого необходимо вручную перевести селектор рычага в соответствующее положение. Переход на повышенные передачи осуществляется последовательным переключением передач друг за другом. Сам момент переключения скорости зависит от показаний спидометра и тахометра, поскольку каждая передача рассчитана на работу в определенном диапазоне оборотов двигателя.

Принцип работы и устройство двухвальной МКПП

Суть функционирования МКПП состоит в создании соединений между первичным и вторичным валом путем варьирования шестерней с различным количеством зубьев, что адаптирует трансмиссию под постоянно меняющиеся обстоятельства передвижения транспортного средства. Для несведущих в этих вопросах людей суть функционирования МКПП возможно объяснить упрощенно, для понимания сути вопроса.

Данный силовой агрегат обеспечивает необходимые режимы работы мотора путем изменения количество оборотов, изменяя передаваемое усилие на ведущие колеса. Соответственно, при уменьшении количества оборотом снижается передаваемое усилие, а при увеличении — увеличивается. Это необходимо при удержании требуемого режима работы мотора при начале движения, снижении скорости или разгоне.

Двухвальная МКПП состоит:

• ведущий и ведомый вал;
• шестерни ведущего и ведомого валов;
• главная передача;
• дифференциал;
• синхронизаторы;
• механизм переключения передач;
• корпус — картер.

Большинство современных переднеприводных машин оборудовано двухвальной МКПП. В таких трансмиссиях вращающий момент передается от шестеренок первичного вала на шестеренки ведомого. Ведущий вал соединяется с мотором через маховик, а ведомый передает вращающий момент на передние колеса. Располагаются они параллельно.

Без промежуточного вала, характерного для трехвальных МКПП, габариты агрегата меньше, как и вес, но увеличенное количество шестерен приводит к снижению КПД. Компактный размер такой трансмиссии позволяет устанавливать ее и на тяжелые мотоциклы. Параллельно первичному валу, на котором закреплены шестеренки, располагается вторичный с набором шестеренок. Шестеренки валов постоянно взаимодействуют друг с другом и при этом свободно крутятся на оси.

Ведущая шестеренка главной передачи на вторичном валу крепко зафиксирована. Между шестерёнками находятся муфты синхронизаторов.Для уменьшения габаритов агрегата и для увеличения количества ступеней устанавливается до трех вторичных валов, на каждом из них стоит шестеренка главной передачи, которая постоянно взаимодействует с ведомой шестеренкой.

Главная передача и дифференциал трансформируют вращающий момент вторичного вала на ведущие колеса машины. Дифференциал дает возможность вращаться колесам с разной скоростью, что становится заметным на попадание одного из ведущих колес на скользкую поверхность. Механизм переключения ступеней обычно располагается вне корпуса трансмиссии. Связь между ним и трансмиссией осуществляется с помощью тросов и тяг. Наиболее простым и распространенным является переключение с помощью тросов.

Устройство механизма переключения скоростей:

• трос выбора ступеней и рычаг управления;
• трос включения скоростей и рычаг их выбора;
• шток включения передач с вилками и рукоятка включения скоростей;
• блокирующий замок.

При выборе ступеней происходит поперечное перемещение рычага управления, при включении — продольное. Принцип работы двухвальной коробки во многом сходен с функционированием трехвальной. Основным отличающим принципом является некоторая специфика работы переключающего ступени механизма. При включении конкретной скорости рычаг управления будет двигаться и продольно и поперечно. При поперечном перемещении усилие переходит на трос, который действует на рычаг выбора ступеней, который, с свою очередь, поворачивает шток вокруг оси и способствует выбору требуемой передачи.

Принцип работы и устройство трехвальной МКПП

Основополагающим принципом функционирования МКПП является зубчатое взаимодействие шестеренок, которые обволакиваются трансмиссионной жидкостью, находящейся в картере коробки.

В состав такой МКПП входят:

• ведущий и ведомый валы;
• промежуточный и дополнительный валы;
• корпус;
• синхронизаторы;
• комплекты шестеренок;
• механизм переключения ступеней с замками и блокирующими механизмами;
• рычаг переключения ступеней.

Подшипники, расположенные в корпусе, обеспечивают вращение валов. На каждом валу имеется комплект шестеренок с различным числом зубьев. Ведущий вал примыкается к двигателю посредством корзины сцепления, ведомый с карданным, промежуточный передает вращающий момент вторичному. На первичном валу имеется ведущая шестеренка, которая раскручивает промежуточный с расположенным на нем крепко зафиксированным набором шестеренок. На ведомом валу имеется свой комплект шестеренок, перемещающихся по шлицам.

Между шестеренками вторичного вала находятся муфты синхронизаторы, которые выравнивают угловые скорости шестеренок с оборотами самого вала. Синхронизаторы крепко закреплены на валах и передвигаются в продольном направлении по шлицам. На современных МКПП такие муфты находятся на каждой ступени.Устройство переключения ступеней в трехвальной МКПП чаще всего расположен на ее корпусе. Основой его конструкции являются рукоять управления и ползуны с вилками. Для предупреждения синхронного выбора двух степеней присутствует механизм блокировки.

Устройство переключения степеней может управляться на расстоянии, с рулевой колонки. На нейтральной ступени крутящий момент на колеса не отдается, так как первичный вал отсоединен от мотора сцеплением. При изменении положения рукоятки управления, аналогичная положению вилка передвигает муфту синхронизатора, выравнивающую скорости вращения соответствующей шестеренки и вторичного вала.

Зубчатая часть синхронизатора начинает взаимодействовать с зубчатым ореолом шестеренки и осуществляется ее блокировка на вторичном валу и происходит отдача крутящего (вращающего) момента с необходимым передаточным числом на колеса.

Движение автотранспорта назад осуществляется при содействии соответствующей ступени. Смена направления вращения происходит с участием промежуточной шестеренки заднего хода, которая располагается на отдельной оси. Трехвальные МКПП громоздкие и тяжелые, но их явным преимуществом является прямая передача вращающего момента с первого вала на второй, что дает больший КПД. Устанавливается на заднеприводных и полноприводных автомобилях, грузовиках.

Преимущества и недостатки МКПП

Идеальных узлов и механизмов не существует. Достоинства и некоторые недочеты свойственны и механической коробке. К основным плюсам такого изделия можно смело отнести следующее:

1. Стоимость МКПП существенно ниже стоимости автоматического аналога или  DSG-коробки.
2. Не нуждается в особых условиях охлаждения, обладает большим КПД в отличие от гидромеханического устройства.
3. Конструктивная простота, хорошо изучена специалистами.
4. Надежность, высокий эксплуатационный ресурс.
5. Легко ремонтируется, не требует особенного обслуживания.
6. Автомобиль с механикой легко заводится толканием.
7. Обеспечивает машине динамичность, при этом не требует серьёзных топливных затрат, чего не скажешь об АКПП, авто с которыми потребляет топлива больше.
8. Значительно меньшие габариты и вес.

Как видим, достоинств механики немало, список можно продолжать до бесконечности, но остановимся только на главных «козырях» агрегата. Важно отметить также и некоторые недостатки такой коробки, которые помогут водителю лучше сориентироваться при выборе машины с определенным типом КПП:

1. Механические коробки конструктивно надежные, а вот сцепление часто выходит из строя преждевременно.
2. Начинающим водителям требуется время для понимания, как работает коробка передач.
3. При переходе с одной передачи на другую при малых оборотах происходит потеря мощности силовой установки.
4. Во время длительных переездов водитель автомобиля с механикой быстро утомляется в силу постоянной необходимости перехода с повышенной на пониженную передачу и наоборот.

Однако преимуществ у механики существенно больше, чем недостатков. Автомобили с МКПП по-прежнему остаются востребованными и популярными. Но, если верить статистическим данным, автолюбители многих европейских стран постепенно переходят на машины с автоматической коробкой и вариатором. Доля продаж авто с механикой упала повсеместно на 10-15%.

Как пользоваться механической коробкой

Использование автомобиля с механической КПП имеет некоторые особенности, которые нужно знать автолюбителю. Во-первых, это последовательность действий при запуске машины:

• выжать педаль сцепления до упора и передвинуть рычаг КПП в положение нейтральной передачи, если есть сомнения правильно ли выбрана скорость необходимо пошевелить рукоятку рычага в стороны, при нахождении рукоятки КПП в нейтральном положении рычаг свободно ходит вправо и влево;
• при переводе автомобиля на нейтральную ступень необходимо зафиксировать транспорт во избегании неконтролируемого движения, для этого машина ставится на ручной тормоз или выжимается педаль тормоза;
• при выжатом сцеплении и удерживании машины тормозом необходимо повернуть ключ зажигания, при этом должны загореться значки на панели приборов, как только потухнут почти все значки следует дальше повернуть ключ и после запуска двигателя отпустить ключ.

Во-вторых, схема переключения на МКПП. Она чаще всего находится на внешней части рукоятки рычага. При переключении передачи рекомендуется ориентироваться на тахометр. Переключаться на более высокую передачу можно раскрутив обороты двигателя до 1500–2000 об/мин в случае дизельного мотора и до 2000–2500 об/мин в случае бензинового. В-третьих, процесс переключения передач. Он состоит из нескольких этапов:

• отпустить педаль газа;
• левой ногой выжать педаль сцепления до упора;
• рукой передвинуть рычаг в необходимое положение;
• аккуратно отпустить педаль сцепления и потихоньку нажать педаль акселератора.

В-четвертых, регулярная проверка уровня рабочей жидкости и замена ее согласно указаниям производителя продлят период эксплуатации механической КПП.

Основные неисправности МКП, их признаки

Механические коробки надежные, но время, неверный выбор жидкости для трансмиссии, использование не оригинальных деталей при ремонте, агрессивная езда, нерегулярное или непрофессиональное техобслуживание, некорректная работа делают свое.

Основные неисправности МКП, их признаки:

1. наличие посторонних шумов;
2. затруднения при включении скоростей;
3. самопроизвольное выключение скоростей;
4. вытекание жидкости из трансмиссии;
5. невозможность включить одну или все передачи.

Если посторонний шум слышен на нейтрали, в первую очередь проводится проверка уровня жидкости в трансмиссии, степень износа подшипников на первичном валу. Если коробка шумит при выборе скорости, это свидетельствует о том, что:

• износ синхронизаторов слишком большой;
• ослабли крепления коробки;
• чрезмерно изношенны шестерни;
• недостаточно выжато сцепление.

Если скорости включаются с усилием, существует вероятность, что:

• износились шестерни, синхронизаторы;
• неисправно (износилось) устройство включения;
• неисправны тяги;
• ослабли крепления.

При самопроизвольном выключении скоростей:

• ослабли крепления коробки;
• вышли из строя подушки мотора;
• застряли тяги, управляющие приводом;
• чрезмерно изношены шестерни, вилки переключения, подшипники валов.

Для самостоятельного проведения диагностики нужно демонтировать и разобрать коробку. Чаще всего она выходит из строя из-за чрезмерного износа деталей. Единственное исключение — выход из строя привода. Если знать, из чего он состоит, можно визуально определить и заменить неисправную деталь.

Что бы снять и разобрать коробку нужно:

1. приподнять авто домкратом (подвесить);
2. отсоединить провода, систему управления;
3. слить из КПП масло;
4. отсоединить карданный вал (при заднем приводе);
5. отсоединить полуоси, несколько деталей подвески (при переднем приводе);
6. выкрутить болты крепления коробки, опорных подушек;
7. снять КП;
8. разобрать;
9. проверить состояние шестерен, подшипников, шлицевых соединений, муфт.

После замены изношенных деталей коробка устанавливается на место, в трансмиссию заливается масло. Не каждый водитель хочет и умеет делать эту работу. Если нет опыта или авто на гарантии, лучше обратиться в сервис. Там работают квалифицированные, опытные специалисты, использующие для диагностики специальное оборудование, для ремонта оригинальные детали.

Опытные водители не сомневаются в преимуществах механики, главным считается экономия топлива. Чтобы механическая коробка передач служила дольше, скорости нужно переключать плавно, зимой не оставлять авто с включенной передачей, регулярно осматривать трансмиссию на протечку масла, проверять его уровень, своевременно доливать. При любой поломке лучше всего обращаться в специализированный сервис. Это позволит в полной мере пользоваться достоинствами механики, в том числе возможностью выбирать стиль и скорость вождения.