Механическая коробка передач

Механическая коробка передач (сокращенное название МКПП) пока остается самым распространенным устройством, изменяющим крутящий момент двигателя. Свое название коробка получила от механического (ручного) способа переключения передач.

Механическая коробка передач относится к ступенчатым коробкам, т.е. крутящий момент в ней изменяются ступенями. Ступенью (или передачей) называется пара взаимодействующих шестерен. Каждая из ступеней обеспечивает вращение с определенной угловой скоростью или, другими словами, имеет свое передаточное число.

Передаточным числом называется отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей шестерни. Разные ступени коробки передач имеют разные передаточные числа. Низшая ступень имеет наибольшее передаточное число, высшая ступень – наименьшее.

В зависимости от числа ступеней различают четырехступенчатые, пятиступенчатые, шестиступенчатые коробки передач и выше. Наибольшее распространение на современных автомобилях получила пятиступенчатая коробка передач.

Из всего многообразия конструкций МКПП можно выделить коробки двух основных видов: трехвальные и двухвальные. Трехвальная коробка передач устанавливается, как правило, на заднеприводные автомобили. Двухвальная механическая коробка передач применяется на переднеприводных легковых автомобилях. Устройство и принцип работы данных коробок передач имеют существенные различия, поэтому они рассмотрены отдельно.

Устройство трехвальной механической коробка передач

Трехвальная коробка передач состоит из ведущего (первичного), промежуточного, ведомого (вторичного) валов, на которых размещены шестерни с синхронизаторами. В конструкцию коробки также входит механизм переключения передач. Все элементы размещены в картере (корпусе) коробки передач.

Ведущий вал обеспечивает соединение со сцеплением. На валу имеются шлицы для ведомого диска сцепления. Крутящий момент от ведущего вала передается через соответствующую шестерню, находящуюся с ним в жестком зацеплении.

Промежуточный вал расположен параллельно первичному валу. На валу располагается блок шестерен, находящийся с ним в жестком зацеплении.

Ведомый вал расположен на одной оси с ведущим. Технически это осуществляется за счет торцевого подшипника на ведущем валу, в который входит ведомый вал. Блок шестерен ведомого вала не имеет закрепления с валом и поэтому свободно вращается на нем. Блок шестерен промежуточного и ведомого вала, а также шестерня ведущего вала находятся в постоянном зацеплении.

Между шестернями ведомого вала располагаются синронизаторы (другое название — муфты синхронизаторов). Работа синхронизаторов основана на выравнивании (синхронизации) угловых скоростей шестерен ведомого вала с угловой скоростью самого вала за счет сил трения. Синхронизаторы имеют жесткое зацепление с ведомым валом и могут двигаться по нему в продольном направлении за счет шлицевого соединения. На современных коробках передач синхронизаторы устанавливаются на всех передачах.

Механизм переключения трехвальной коробки передач обычно располагается непосредственно на корпусе коробки. Конструктивно он состоит из рычага управления и ползунов с вилками. Для предотвращения одновременного включения двух передач механизм оснащен блокирующим устройством. Механизм переключения передач может также иметь дистанционное управление.

Картер коробки передач служит для размещения конструктивных частей и механизмов, а также для хранения масла. Картер изготавливается из алюминиевого или магниевого сплава.

Принцип работы трехвальной МКПП

При нейтральном положении рычага управления крутящий момент от двигателя на ведущие колеса не передается. При перемещении рычага управления, соответствующая вилка перемещает муфту синхронизатора. Муфта обеспечивает синхронизацию угловых скоростей соответствующей шестерни и ведомого вала. После этого, зубчаты венец муфты заходит в зацепление с зубчатым венцом шестерни и обеспечивается блокировка шестерни на ведомом валу. Коробка передач осуществляет передачу крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.

Движение задним ходом обеспечивается соответствующей передачей коробки. Изменение направления вращения осуществляется за счет промежуточной шестерни заднего хода, устанавливаемой на отдельной оси.

Устройство двухвальной механической коробки передач

Двухвальная коробка передач состоит из ведущего (первичного) и ведомого (вторичного) валов с блоками шестерен и синхронизаторами. Помимо этого в картере коробки передач размещены главная передача и дифференциал.

Ведущий вал, также как и в трехвальной коробке, обеспечивает соединение со сцеплением. На валу жестко закреплен блок шестерен.

Параллельно ведущему валу расположен ведомый вал с блоком шестерен. Шестерни ведомого вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями ведущего вала и свободно вращаются на валу. На ведомом валу жестко закреплена ведущая шестерня главной передачи. Между шестернями ведомого вала установлены муфты синхронизаторов.

С целью уменьшения линейных размеров, увеличения числа ступеней в ряде конструкций коробок передач вместо одного ведомого вала устанавливаются два и даже три ведомых вала. На каждом из валов жестко закреплена шестерня главной передачи, которая находится в зацеплении с одной ведомой шестерней — по сути три главных передачи.

Главная передача и дифференциал передают крутящий момент от вторичного вала коробки к ведущим колесам автомобиля. Дифференциал при необходимости обеспечивает вращение колес с разной угловой скоростью.

Механизм переключения передач двухвальной коробки, как правило, дистанционного действия, т.е. расположен отдельно от корпуса коробки. Связь между коробкой и механизмом может осуществляться с помощью тяг или тросов. Наиболее простым является тросовое соединение, поэтому оно чаще используется в механизмах переключения.

Механизм переключения передач двухвальной коробки состоит из рычага управления, соединенного тросами с рычагами выбора и включения передач. Рычаги в свою очередь соединены с центральным штоком переключения передач с вилками.

Под выбором передачи понимается поперечное движение рычага управления относительно оси автомобиля (движение к паре передач), под включением передачи – продольное движение рычага (движение к конкретной передаче).

Принцип работы двухвальной механической коробки передач

Принцип работы аналогичен трехвальной коробке. Основное отличие заключается в особенностях работы механизма переключения передач.

Движение рычага управления при включении конкретной передачи разделяется на поперечное и продольное. При поперечном движении рычага управления усилие передается на трос выбора передач. Тот, в свою очередь, воздействует на рычаг выбора передач. Рычаг осуществляет поворот центрального штока вокруг оси и, тем самым, обеспечивает выбор передач.

При дальнейшем продольном движении рычага усилие передается на трос переключения передач и далее на рычаг переключения передач. Рычаг производит горизонтальное перемещение штока с вилками. Соответствующая вилка на штоке перемещает муфту синхронизатора и осуществляет блокирование шестерни ведомого вала. Крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса.

Как работает МКПП и сцепление: пособие для начинающих

Механические трансмиссии в силу своей простоты широко применяются на автомобилях. Чаще всего они устанавливаются на дешевые машины, которые являются первым транспортным средством для новичков. Знание принципов работы и устройства механической коробки передач позволит начинающему водителю быстрее освоить тонкости управления узлом.

Что такое МКПП?

Расшифровка аббревиатуры МКПП — механическая коробка перемены (или переключения) передач. Узел позволяет изменять передаточное отношение от коленчатого вала двигателя к колесам по нескольким ступеням. На современных автомобилях встречаются 5 и 6 скоростные коробки. На машинах выпуска 60-70 годов можно встретить 3 и 4-ступенчатые трансмиссии. Переключение передач выполняется водителем вручную при помощи рычага, расположенного на тоннеле или рулевой колонке.

Назначение и устройство механической коробки передач

Коробка передач осуществляет транзит и трансформацию потока крутящего момента от маховика двигателя на ведущие колеса. Для этого в узле имеется несколько валов, оснащенных шестернями с различным числом зубьев. Водитель, выбирая передачу, вводит в зацепление пары зубчатых колес. За счет этого происходит изменение частоты вращения выходного вала. Переключение скоростей позволяет удерживать обороты двигателя в оптимальных пределах и обеспечивает разгон автомобиля.

Валы установлены на роликовых или шариковых подшипниках в жестком корпусе, называемом картером. Внешняя часть коробки служит также для установки узла на автомобиль — путем крепления к картеру сцепления и дополнительным опорам. Внутри корпусной детали имеется масляная ванна, смазка выполняется разбрызгиванием. В редких случаях применяются насосы, подающие масло к наиболее нагруженным точкам. Сверху картер коробки прикрывается крышкой, на которой установлены вилки переключения скоростей.

Коробка передач обеспечивает:

• возможность маневрирования задним ходом;
• запуск двигателя при нейтральном положении рычага переключения или с отжатым сцеплением;
• возможность остановки автомобиля с работающим силовым агрегатом.

Принцип работы механической коробки передач

Принцип функционирования коробки передач основан на изменении передаточных отношений между входящим и выходящим валом. Для этого используются переключаемые пары шестерен. Благодаря чему обеспечивается требуемый режим движения — динамичный разгон, экономичная эксплуатация или перемещение в условиях бездорожья.

Коробка передач механического типа позволит переключить скорость в результате совместной работы:

• сцепления;
• перемещения шестерен;
• включения зацепления при помощи синхронизатора.

Общий принцип работы продемонстрирован в ролике от канала AlexKolmak.

Сцепление

Для обеспечения передачи крутящего момента, а также разъединения двигателя и коробки применяется сцепление.

В серийном производстве находятся несколько разновидностей механизма:

1. Классический или фрикционный тип, в котором передача момента выполняется за счет сил трения. Самый распространенный вид сцепления для автомобилей с механикой.
2. Гидравлической схемы, передающей момент за счет потока специальной жидкости. Узлы подобного типа применяются в автоматических трансмиссиях.
3. Электромагнитное сцепление, использующее в работе магнитный поток. Используется на малогабаритной технике.

Классическое сцепление подразделяется на виды по числу рабочих дисков:

• однодисковое, является самым распространенным;
• двухдисковое, встречается на грузовых автомобилях;
• многодисковое, применяется на мототехнике.

Рабочие диски сцепления разделяют по типу контакта:

1. Сухого типа. В этом случае для передачи момента используется сила трения между фрикционными накладками и рабочей поверхностью.
2. Мокрого типа. В парах трения присутствует жидкость, улучшающая соединение и отводящая тепло. Запас жидкости находится в картере. Конструкция характерна для мототехники, на автомобилях не применяется.

На современных автомобилях наибольшее распространение получило однодисковое диафрагменное сухое сцепление.

Диафрагменное сцепление имеет низкую цену, надежно в работе и не нуждается в различных регулировках. В качестве исполнительного элемента применяется дисковая пружина в форме усеченного конуса. В центре пружины выполнены лепестки, служащие рычагами при отключении и включении механизма.

Принцип действия узла:

1. Через гидравлический или механический привод обеспечивается движение вилки.
2. Вилка воздействует на корпус выжимного подшипника и далее на диафрагменную пружину (через лепестки).
3. Деформация пружины приводит к отведению нажимного диска. Происходит разрыв передачи момента.
4. Включение производится в обратном порядке.

Шестерни и валы

В автомобильных механических коробках используется параллельное расположение валов в одном направлении с коленчатым валом. Реже встречаются схемы с перпендикулярной установкой. Подобные узлы применяются на тракторах, поскольку обеспечивают увеличение числа передач при заданных габаритах картера.

С маховиком через сцепление соединен первичный или ведущий вал. Далее момент передается при помощи жестко посаженной шестерни на вторичный вал. На ведомом элементе расположены подвижные шестерни, которые обеспечивают выбор передачи.

Синхронизаторы

Ступица синхронизатора имеет внутри шлицы, при помощи которых деталь перемещается по валу совместно с муфтой переключения. На внешней стороне ступицы имеются дополнительные шлицы и пазы. Они служат для соединения с муфтой и установки сухарей соответственно. Обычно монтируются три сухаря под углом 120º, причем выступающие части детали входят в проточку, выполненную на муфте. Для обеспечения контакта под элементами установлены пружины.

Боковые поверхности на шестернях имеют небольшую конусность, позволяющую установить блокирующие кольца. Кольца изготовляются из бронзы и свободно вращаются. Внешняя часть элементов находится в контакте с сухарем. Для этого на поверхности кольца выполнена проточка, превышающая размер сухаря на 50%. Дополнительно имеются зубья, соединяющие кольцо со ступицей и шестерней.

В состав механизма синхронизатора входят:

• 1 — шестерня одной передачи;
• 2 — кольцо блокировки;
• 3 — подвижная муфта переключения;
• 4 — ступица;
• 5 — фиксатор в виде пружинного кольца;
• 6 — пружина сухаря;
• 7 — сухарь;
• 8 — шарик;
• 9 — шестерня другой передачи.

Рассмотрим работу синхронизатора подробно:

1. При включении передачи подвижная муфта перемещается по валу. Движение ведется в сторону включаемой передачи и выполняется вилкой переключения, связанной с рычагом.
2. В определенный момент кольцо блокировки соприкасается с конической поверхностью шестерни. Контактная часть кольца также имеет коническую форму.
3. Частоты вращения контактирующих деталей не совпадают, поскольку шестерня вращается свободно, а кольцо — с частотой вала. Возникающая сила трения приводит к провороту элемента до момента выборки зазора между сухарем и имеющимся на кольце пазом.
4. После этого венец муфты переключения оказывается напротив зубьев кольца. Из-за механического контакта между деталями происходит выравнивание частот вращения. В момент уравнивания скорости возникает проворот блокирующего кольца в противоположном направлении и сухари оказываются в среднем положении в пазах. Затем происходит утапливание элемента.
5. Зубцы муфты соединяются с ответными зубцами блокирующего кольца и шестерни требуемой передачи. Для облегчения и бесшумности включения торцевые поверхности элементов выполнены скошенными.
6. Происходит блокировка шестерни с муфтой, и коробка начинает передавать момент через включенную передачу.

Процесс переключения передач

Процедура переключения скорости в механической трансмиссии мало зависит от типа привода. Разница имеется в числе валов, установленных в коробках, и в схеме соединения рычага переключения скоростей. Также немного отличаются приводы управления сцеплением. Это связано с расположением коробки и силового агрегата на автомобиле.

Для автомобилей, имеющих задний привод

В конструкции коробки, помимо ведущего и ведомого вала, установлен промежуточный. Крутящий момент подается через муфту сцепления на ведомый вал, а затем через пару шестерен на промежуточный. Шестерня ведущего элемента закреплена на нем неподвижно. Промежуточный вал также оснащен набором шестерен, жестко зафиксированных на поверхности.

На ведомом валу установлены группы свободно вращающихся шестерен. Дополнительно установлены муфты синхронизаторов, способные перемещаться по валу, но вращающиеся вместе с ним.

Торцевые поверхности муфт МКПП имеют зубцы, которые входят в зацепление с венцами соответствующих шестерен.

Шестерни всех валов находятся в постоянном зацеплении. При положении рычага переключения в нулевой или нейтральной позиции передачи момента на ведомый вал нет. Движение рычага поступает на вилку и вызывает перемещение муфты. После выравнивания частоты вращения происходит блокировка шестерни ведомого вала. Операция выполняется зацеплением венцов синхронизатора и шестерни.

Включение заднего хода выполняется специальной кареткой, представляющей собой промежуточную шестерню. Заднеприводные автомобили, как правило, имеют рычаг переключения, установленный на крышке коробки передач. Отсутствие тяг и тросов обеспечивает короткие ходы и уверенное переключение скоростей. Также отличается конструкция коробки — в ней имеются только шестерни для переключения. Дифференциал и главная передача вынесены на задний мост и связаны с выходом коробки карданным валом.

Для автомобилей с передним ведущим мостом

В двухвальной коробке имеется ведущий и ведомый вал. Но на первом зафиксированы несколько шестерен, представляющих собой блок. На ведомом валу имеются шестерни, находящееся в постоянном зацеплении с зубчатыми колесами на ведущем элементе и свободно вращающиеся на подшипниках. Также на ведомом механизме имеется шестерня главной передачи, жестко зафиксированная от проворота. Между остальными установлены муфты переключения с синхронизаторами.

Принцип работы коробки аналогичен изделию для машин с задним приводом. Формирование каждого передаточного числа обеспечивается одной парой шестерен, а не двумя. Благодаря этому повышается эффективность трансмиссии, но коробка не позволяет получать большие значения передаточных чисел. Поэтому двухвальный узел используется только на легковых автомобилях и небольших развозных грузовиках.

Кулиса переключения связана с коробкой тягами или тросом. Тросовый привод обеспечивает надежное переключение скоростей, тяги подвержены к разбалтыванию. В состав коробки входит главная пара и дифференциал. На картере имеются два выхода, служащие для подключения приводных валов с шарнирами равных угловых скоростей.

Механическая коробка для начинающих

Эксплуатация механической коробки является сложной задачей для «чайников», как часто называют начинающих водителей. Необходимо контролировать обороты двигателя, переключать скорости, при этом не терять концентрации и следить за дорогой.

Для управления механической коробкой необходимо:

• запомнить алгоритм переключения передач;
• контролировать значения скорости и оборотов визуальным методом (по приборам);
• нажатие и отпускание педали сцепления выполняется плавно и до упора.

Если у водителя нет уверенности в своих силах, то рекомендуется потренироваться в управлении на свободной площадке. Постепенно человек начинает распознавать моменты переключения передач на слух. После этого для него не возникает трудностей при эксплуатации механической трансмиссии.

Скоростные диапазоны движения и схема переключения скоростей

Для автомобилей с двигателями объемом 1,2-2,0 л производители рекомендуют выдерживать скорости на передачах:

• первая — трогание с места и движение до скорости 20-30 км/час;
• вторая — разгон до 30-40 км/час;
• третья — движение со скоростью до 40-60 км/час;
• четвертая — 60-80 км/час;
• пятая — быстрее 80 км/час.

Значения указаны для движения по дороге с твердым покрытием. При эксплуатации автомобиля по бездорожью или скользкой трассе значения скоростей будут иными. Кроме того, для интенсивного разгона скорость на передаче может превышаться.

Двигатели современных автомобилей не позволяют раскрутить коленчатый вал свыше допустимых оборотов, поскольку оборудованы электронным ограничителем.

Рекомендации со скоростными режимами движения на каждой передаче приведены в инструкции по эксплуатации автомобиля. В период обкатки возможно снижение показателей, необходимое для приработки деталей.

Подробный алгоритм переключения скоростей выглядит следующим образом:

1. Быстрым и плавным движением левой ноги выжать педаль сцепления до упора. Педаль газа при этом отпущена.
2. В момент достижения педалью сцепления низшей точки перевести рычаг выбора передачи в желаемую точку.
3. Плавно отпустить педаль сцепления, одновременно немного прибавляя обороты правой ногой. Этот пункт позволяет компенсировать снижение скорости транспортного средства за время переключения.
4. Добавить газ для достижения желаемой скорости.

Основные ошибки новичков — чего следует избегать

Неточности, которые допускают начинающие водители при работе с механической коробкой:

1. Сложности с троганием. Малоопытный водитель не может определить момент начала функционирования сцепления и работает им слишком быстро или медленно. Из-за этого мотор либо глохнет, либо подгорают фрикционные накладки сцепления.
2. Отсутствие слухового определения числа оборотов. Новичок продолжает ехать на повышенной частоте вращения, вместо того чтобы перейти на другую передачу. Или наоборот, не чувствует снижения оборотов мотора, продолжая попытки разгона на повышенной скорости. В обоих случаях двигатель подвергается сильным нагрузкам, снижающим ресурс. Кроме того, повышается расход топлива.
3. Попытки тронуться с места на повышенной передаче. Теоретически, опытный водитель может поехать с места со 2-й или 3-й передачи.
4. Удержание левой ноги на педали сцепления. Из-за этого устает ступня, постоянно находящаяся в напряжении. Немного поджатая педаль частично отключает сцепление, увеличивая его пробуксовку и износ.
5. При переключении левая рука неопытного водителя смещает руль в сторону, отклоняя авто от движения по выбранной траектории.

Как переключаться и слушать двигатель?

В процессе движения автовладельцу необходимо распознавать число оборотов двигателя на слух. Помощником малоопытным водителям является тахометр. При эксплуатации бензинового двигателя рекомендованный диапазон оборотов лежит в пределах 2-3 тыс. об/мин, для дизеля — 1,5-2,5 тыс. об/мин.

Преимущества МКПП

Основные плюсы коробок с ручным переключением:

1. Низкая стоимость узла, обеспечивающая уменьшение цены автомобиля.
2. Из-за отсутствия дополнительного оборудования вес механической трансмиссии ниже, чем у автомата.
3. Низкие потери при передаче.
4. Не требует дополнительного охлаждения. Существуют автомобили с механической коробкой, оборудованные небольшим радиатором для охлаждения масла.
5. Пониженный расход топлива и улучшенная динамика. Эти преимущества утрачены механическими коробками после появления многоступенчатых автоматических трансмиссий с двумя сцеплениями. Микропроцессорное управление таких коробок позволяет выбирать оптимальные обороты двигателя, что приводит к улучшению топливной экономичности.
6. Простота устройства механической коробки передач. Даже в самых современных МКПП имеется немного электронных компонентов.
7. Надежность в эксплуатации.
8. Для работы трансмиссии не требуются специальные жидкости. Достаточно регулярно менять масло на рекомендованное производителем.
9. Возможность самостоятельного выбора передачи для конкретных дорожных условий. Преимущество сошло на нет после начала производства автоматических коробок с возможностью ручного переключения.
10. Автомобиль с механикой можно буксировать на большое расстояние, а также запускать двигатель «с толкача».
11. Возможно использование двигателя в качестве дополнительного тормоза при стоянке.

Недостатки МКПП

Подобно любому узлу автомобиля, ручная коробка не лишена недостатков:

1. Сложное управление, подразумевающее одновременные манипуляции педалью сцепления и рычагом переключения.
2. Необходимость контроля режима работы мотора. Только в этом случае удается обеспечить динамичный разгон и паспортные показатели расхода топлива.
3. При неаккуратном обращении есть риск поломки сцепления или шестерен коробки передач.
4. Риск «перекрутить» коленчатый вал двигателя, включив неправильную передачу.
5. Разрывы потока мощности в моменты переключения.
6. Утомительное управление коробкой при езде в пробках. Водителю постоянно приходится переключать передачи.
7. Ступенчатое изменение передаточного отношения и ограниченное число скоростей. Из-за этого не всегда удается найти оптимальный режим работы двигателя. На современных автомобилях применяются электронные системы, подсказывающие водителю момент переключения скорости.

Недостатки механических коробок передач чувствительны только для начинающих или малоопытных водителей.

Фотогалерея

На серии фото показаны некоторые узлы двухвальной коробки передач.

Видео «Принцип работы механической коробки передач»

Принцип работы механической коробки представлен в видеоуроке от автора Павел Ковалев.

http://systemsauto.ru/box/mkpp.html
http://avtozam.com/kpp/mkpp-rasshifrovka/