Авто-потроха: что у машинок внутри?

Устройство и принцип действия автомобильных технологий, узлов и агрегатов

Устройство ручной коробки передач

Механическая коробка передач передает вращение (крутящий момент) от двигателя к колесам (трансмиссии), а также управляет скоростью и направлением вращения. Исторически необходимость в КПП возникла потому, что автомобильные двигатели внутреннего сгорания, как правило, эффективны в довольно узком диапазоне оборотов, нижняя граница которого достаточно высока, и вращают вал только в одну сторону. Скорость же вращения колес (движения автомобиля) меняется от нуля при остановке до предела скорости машины (который часто ограничен не аэродинамикой или мощностью двигателя, а возможностями коробки, как скажем на Largus), и направление вращения может быть как вперед, так и назад.

• Сильными сторонами ручной коробки передач являются полный теоретически достижимый контроль водителя над поведением автомобиля и максимальный КПД (минимальный уровень потерь).
• Слабой стороной является необходимость все время «шурудить кочергой», принципиальная невозможность «ползучих» режимов без ущерба для сцепления, высокие нагрузки на сцепление при интенсивном или затрудненном трогании с места.

Принцип действия ручной коробки передач

В основе работы ручной коробки передач лежит принцип рычага, а конкретнее, изменение скорости вращения валов и передаваемого ими крутящего момента за счет разных размеров шестеренок. Соотношение размеров шестеренок называется передаточным числом (применяется как для конкретной пары шестеренок, так и для коробки/трансмиссии в целом).

Пусть у нас есть две шестерни, на одной из которых 20 (А) зубьев, а на второй — 40 (Б). Значит, при двух оборотах первой шестерни, вторая сделает только один оборот (передаточное число равно 2):

Теперь возьмем две пары шестеренок, добавив к нашим А и Б шестеренки В и Г, которые также имеют 20 и 40 зубьев соответственно. Первичный вал коробки передач и шестерня «А» вращаются со скоростью, допустим 2000 об/мин. Шестерня «Б» вращается в 2 раза медленнее, то есть она имеет 1000 об/мин, а так как шестерни «Б» и «В» закреплены на одном валу, то и третья шестеренка делает 1000 об/мин. Тогда шестерня «Г» будет вращаться еще в 2 раза медленнее — 500 об/мин:

От двигателя на первичный вал коробки передач приходит — 2000 об/мин, а выходит — 500 об/мин. На промежуточном валу коробки передач в это время — 1000 об/мин. В данном примере передаточное число первой пары шестерен равно двум, второй пары шестерен тоже двум, а общее передаточное число этой схемы 2х2=4.

Обратите внимание, что если вывести из зацепления шестерни «В» и «Г», то вторичный вал коробки вращаться не будет. При этом прекращается передача крутящего момента и на ведущие колеса автомобиля, что соответствует нейтральной передаче («нейтралке»).

Задняя передача, т.е. вращение вторичного вала коробки передач в другую сторону, обеспечивается дополнительным, четвертым валом с шестерней заднего хода. Дополнительный вал необходим, чтобы получилось нечетное число пар шестерен, только тогда крутящий момент поменяет направление:

Схема передачи крутящего момента при включении задней передачи: 1 — первичный вал; 2 — шестерня первичного вала; 3 — промежуточный вал; 4 — шестерня и вал передачи заднего хода; 5 — вторичный вал.

Переключение передач происходит взаимным перемещением шестеренок (валов, на которых они закреплены). При этом, во избежание поломок, происходит выжимание сцепления для временного отключения двигателя от коробки. Все современные коробки снабжены т.н. «синхронизаторами», устройствами, выравнивающими скорости вращения шестерен при их переключении. Принцип действия синхронизатора основан на использовании сил трения при выравнивании скоростей (см. ниже).

На рисунке показана наглядная анимированная работы (переключений) четырехступенчатой коробки передач.

Разберем работу КПП статично в случае пяти ступеней. На рисунке ниже шестерни стоят в нейтральном положении, на нейтральной передаче:

1. Первичный вал (от двигателя через сцепление на вход коробки передач). Он постоянно находится в зацеплении с промежуточным валом.
2. Вторичный вал (от коробки передач к колесам). На нем установлены «плавающие» шестерни передач.
3. Шестерня 1-ой передачи.
4. Шестерня 2-ой передачи.
5. Шестерня 3-й передачи.
6. Шестерня 4-ой передачи.
7. Шестерня 5той передачи.
8. Шестерня заднего хода (R).

В процессе переключения шестерни перемещаются (принимают рабочие положения) следующим образом:

В настоящее время схема переключения передач на ручных коробках в целом устоялась: нечетные передачи «от себя», четные «к себе», повышение слева направо. Заднюю передачу каждый производитель засовывает, куда Бог на душу положит (и как правило обеспечивает её предохранительным механизмом от случайного включения — надо потянуть за кольцо, особым образом нажать на рычаг, переместить его в весьма необычное положение и т.д.):

Однако так было не всегда и не везде. Например, на «Запорожцах» частично использовалась т.н. «зеркальная» схема, в которой четные передачи были «от себя», а нечетные «к себе». На машинах, предназначенных для тяжелого бездорожья, заднюю передачу располагают прямо напротив первой для упрощения движения «враскачку».

Принцип действия синхронизатора

Синхронизатор обеспечивает безударное переключение передач в механической коробке путем синхронизации скоростей вращения переключаемых шестеренок за счет силы трения между валами. В основном синхронизатор вступает в игру при переключениях «сверху вниз», когда разница скоростей валов максимальна. Может быть установлен как на все, так и только на низшие передачи, в зависимости от года выпуска и класса автомобиля.

На старых автомобилях синхронизаторы отсутствуют вовсе, что приводит к необходимости переключаться «вниз» с использованием т.н. «двойной перегазовки» (выжим сцепления, переключение в нейтраль, отпуск сцепления, перегазовка на нейтрали для раскрутки первичного вала до примерной фактической скорости вторичного вала, быстрый выжим сцепления и включение нужной передачи, отпуск сцепления).

Передаточные числа коробки передач

Поскольку в коробке передач автомобиля имеется большой набор шестерен, то, вводя в зацепление различные их пары, мы имеем возможность менять и общее передаточное отношение коробки. Давайте посмотрим на передаточные числа коробок передач:

Дробные числа получаются в результате деления количества зубьев одной шестерни на число зубьев второй и далее по цепочке. Если передаточное число равно единице (1,00), то это означает, что вторичный вал вращается с той же угловой скоростью, что и первичный. Передачу, на которой скорость вращения валов максимально уравнена, обычно называют прямой. Как правило, это предпоследняя передача в коробке (последняя, если передач всего четыре).

Первая и задняя передачи — самые «сильные» (передают наибольший момент), но самые медленные. Высшие передачи (четвертая, пятая, шестая) самые быстрые, но передают наименьший момент, и двигателю может не хватить сил, скажем, втащить машину на крутой подъем. В этих случаях приходится переключаться «вниз», на более «моментные» и более медленные передачи.

Ниже — расчетный график преодолеваемых углов подъема, в зависимости от скорости и включенной передачи, для некоторого «сферического автомобиля в вакууме»:

Динамика разгона на примере VW Polo sedan (передаточные числа I — 3,46 , II — 1,96 , III — 1,28, IV — 0,88, V — 0,67, ЗХ — 3,18, главная пара — 4,55):

Здесь n max — максимальные обороты двигателя, N max — обороты максимальной мощности, M max — обороты максимального крутящего момента. Синий график — реальная скорость автомобиля при данных оборотах двигателя. Фиолетовый — теоретически возможный график разгона.

Устройство ручной коробки передач

Механическая коробка передач состоит из:

• картера;
• первичного, вторичного и промежуточного валов с шестернями;
• дополнительного вала и шестерни заднего хода;
• синхронизаторов;
• механизма переключения передач с замковым и блокировочным устройствами;
• рычага переключения.

Схема работы механической коробки передач: 1 — первичный вал; 2 — рычаг переключения передач; 3 — механизм переключения передач; 4 — вторичный вал; 5 — сливная пробка; 6 — промежуточный вал; 7 — картер коробки передач.

• Картер содержит основные узлы и детали коробки передач. Он крепится к картеру сцепления, который, в свою очередь, закреплен на двигателе. Т.к. шестерни коробки передач испытывают в работе большие нагрузки, они должны хорошо смазываться. Поэтому половина объема картера заполнена трансмиссионным маслом.
• Валы коробки передач вращаются в подшипниках, установленных в картере, и имеют наборы шестерен с различным числом зубьев.
• Синхронизаторы необходимы для плавного, бесшумного и безударного переключения передач путем уравнивания скоростей вращающихся шестерен.
• Механизм переключения передач служит для смены передач в коробке и управляется водителем с помощью рычага из салона авто. При этом замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а блокировочное устройство удерживает передачи от самопроизвольного выключения.

Устройство синхронизатора

Синхронизатор состоит из ступицы с сухарями, муфты включения, блокирующего кольца и шестерни с фрикционным конусом. В конструкции коробки передач один синхронизатор обслуживает две передачи (шестерни). На примере конструкции одноконусного синхронизатора коробки передач:

Элементы: 1 — блокирующее кольцо, 2 — ступица, 3 — сухарь, 4 — кольцевая пружина, 5 — фрикционный конус шестерни, 6 — шестерня, 7 — блокирующее кольцо, 8 — муфта синхронизатора, 9 — сухарь, 10 — шестерня.

Конструктивной основой синхронизатора является ступица. Она имеет внутренние и наружные шлицы. С помощью внутренних шлицев ступица соединяется с вторичным валом коробки передач и имеет возможность осевого перемещения по нему в разные стороны. Наружные шлицы соединяют ступицу с муфтой включения.

По окружности ступицы под углом 120 градусов выполнены три паза, в которые установлены подпружиненные сухари, которые нажимают на блокирующее кольцо при включении передачи и способствуют блокировке муфты на этапе синхронизации.

Муфта включения (другое название – муфта синхронизатора) обеспечивает жесткое соединение вала и шестерни. Муфта насажена на ступицу и имеет внутренние шлицы. На шлицах выполнена кольцевая проточка, в которой размещаются выступы сухарей. Снаружи муфта синхронизатора соединяется с вилкой коробки передач.

Блокирующее кольцо обеспечивает синхронизацию и препятствует замыканию муфты до момента выравнивания скоростей вала и шестерни. С внутренней стороны блокирующее кольцо имеет коническую поверхность, которая взаимодействует с фрикционным конусом шестерни. Снаружи блокирующее кольцо имеет шлицы, с помощью которых производится блокировка муфты включения.

На торцевой поверхности блокирующего кольца со стороны ступицы выполнено три паза, в которые входят сухари ступицы. Пазы препятствуют прокручиванию кольца при соприкосновении с фрикционным конусом (в них упираются сухари). Размер пазов в 1,5 раза превышает размер сухарей. В некоторых конструкциях синхронизаторов, наоборот, на блокирующем кольце выполнены выступы, а пазы — в ступице.

Для увеличения поверхности соприкосновения, снижения усилия при переключении передач применяются многоконусные синхронизаторы: двухконусный, трехконусный. Например, в трехконусном синхронизаторе помимо блокирующего (наружного) кольца устанавливается еще внутреннее и промежуточное кольца. Для предотвращения проворачивания на кольцах выполнены выступы, которые фиксируются в пазах шестерни и блокирующего кольца.

Таким образом, в трехконусном синхронизаторе созданы три поверхности трения: между конусом шестерни и внутренним кольцом, между внутренним и промежуточным кольцом, между промежуточным и блокирующим кольцом. В зависимости от конструкции в одной коробке передач могут устанавливаться синхронизаторы с различным числом конусов.

На картинках ниже: 1 — сухарь, 2 — включаемая шестерня, 3 — блокирующее кольцо, 4 — муфта синхронизатора, 5 — ступица, 6 — торец шлица муфты синхронизатора, 7 — торец шлица блокирующей муфты, 8 — паз в ступице, 9 — выступ блокирующего кольца, 10 — зубчатый венец шестерни.

В нейтральном положении рычага коробки передач муфты синхронизаторов находятся в среднем положении, шестерни на ведомом валу вращаются свободно, поток мощности не передается (исходное положение синхронизатора):

При включении передачи вилка перемещает муфту синхронизатора из среднего положения в направлении шестерни. Вместе с муфтой сдвигаются сухари, которые воздействуют на блокирующее кольцо. Кольцо прижимается к конусу шестерни. На поверхности возникает сила трения, которая поворачивает кольцо до упора сухарей в пазах кольца (кольцо стопорится от проворачивания). В этом положении блокирующее кольцо препятствует дальнейшему продвижению муфты синхронизатора по оси вала, так как торцы шлицев блокирующего кольца располагаются напротив торцов шлицев муфты:

Далее под действием сил трения происходит синхронизация скоростей шестерни и ведомого вала. Когда скорости выравнены, под нажимом шлицев муфты блокирующее кольцо поворачивается в противоположную сторону, блокировка муфты снимается, шлицы муфты свободно проходят для зацепления с венцом шестерни. Происходит жесткое соединение вторичного вала коробки передач и шестерни:

Несмотря на множество операций, весь процесс синхронизации и включения передачи занимает доли секунды.

http://carguts.ru/articles/mkpp/