Механическая коробка передач: устройство, принцип работы

Коробкой передач называют агрегат трансмиссии, главным предназначением которого является изменение крутящего момента по направлению и величине и его передача от маховика мотора к ведущим колёсам. Помимо этого функцией коробки передач (КП) является долговременное разобщение ведущих колёс и двигателя, причём, в отличие от сцепления, это может продолжаться неограниченное время и не требует усилий со стороны водителя.

Рис 1: Схема устройства механической коробки передач

Составляющими деталями механической коробки передач являются:

• картер (корпус КП);
• валы с шестернями (первичный, вторичный, промежуточный, дополнительный);
• шестерня заднего хода синхронизаторов;
• механизм переключения передач с блокировочным и замковым устройствами;
• рычаг переключения.

Картер (корпус) коробки передач изготавливают их магниевого или алюминиевого сплава. В картере находятся все конструктивные детали и механизмы коробки передач. Он крепится непосредственно к картеру сцепления, который размещён на двигателе. Поскольку во время работы находящиеся в коробке передач шестерни подвергаются большим нагрузкам, они нуждаются в постоянной и качественной смазке. С этой целью половина объёма картера заполнена трансмиссионным или моторным маслом.

В картере установлены подшипники, в которых вращаются валы коробки передач. Они оснащены наборами шестерней с разными количествами зубьев.

Для плавного, безударного и бесшумного переключения передач коробка передач оснащена синхронизаторами, уравнивающие угловые скорости вращающихся шестерней.

Главной задачей механизма переключения передач является смена передачи в коробке. Этим процессом управляет водитель при помощи рычага, который размещён в салоне автомобиля. Замковое устройство при этом не даёт возможности включения одновременно двух передач, а устройство блокировки предохраняет от самопроизвольного выключения передачи.

Проследим за тем, как именно происходит изменение числа оборотов (смена величины крутящего момента) на разных передачах.

Рис 2: Передаточное отношение одной пары шестерней

Если сосчитать зубья шестерней на рисунке, окажется, что в большей шестерне их 40, в меньшей – 20.  Следовательно, за то время, когда большая шестерёнка делает один оборот, маленькая совершает 2. Передаточное число в этом случае будет равно 2-м.

Рис 3: Передаточное отношение двух пар шестерней

На рисунке видно две пары шестерней: шестерня А – 20 зубьев, шестерня Б – 40 зубьев, шестерня С – 20 зубьев и шестерня Д – 40 зубьев.

Допустим, шестерня А вращается со скоростью в 1000 оборотов в минуту. Большая шестерня Б вращается в 2 раза медленнее – 500 оборотов в минуту. Маленькая шестерня С закреплена с ней на одном валу, поэтому тое вращается со скоростью в 500 оборотов и передаёт крутящий момент на большую шестерню Д, которая будет вращаться с вдвое меньшей скоростью – 250 оборотов в минуту. Следовательно, передаточное число каждой из пар шестерней равно двум, а общее передаточное число механизма равно четырём. То есть, число оборотов на вторичном валу будет в 4 раза меньше в сравнении с первичным.

Если же шестерни В и Г рассоединить, вторичный вал вращаться вообще не будет. При этом прекратится подача движения на ведущие колёса, что соответствует нейтральной позиции рычага коробки передач.

Вращение вторичного вала КП в обратном направлении (задняя передача) обеспечивается наличием дополнительного четвёртого вала с шестернёй заднего хода. Этот механизм необходим для того, чтобы число пар шестерней получилось нечетным. В этом случае направление крутящего момента изменяется.

Рис 4: Передача крутящего момента при включённой задней передаче.

В коробке передач автомобиля передаточных шестерней существует большое количество, и введение в зацепление различных их пар позволяет менять общее передаточное число всей коробки. К примеру, в автомобиле ВАЗ 2109 первой передаче соответствует передаточное число 3,636, второй  - 1,95, третьей - 1,357, четвёртой – 0,941, пятой – 0,784, задней – 3,53.

Если передаточное число составляет единицу, это говорит о том, что первичный и вторичный валы обращаются с одинаковой скоростью. Передача, при которой скорости вращения вторичного и первичного валов равны, называют прямой. В автомобилях ближе всего к ней находится, как правило,  четвёртая передача.

Для того, чтобы данный процесс стал ещё более понятным, давайте обратим внимание на велосипед. Современные велосипеды, как и автомобили, оснащены системой передач,  и велосипедисты наверняка знают, что когда цепь попадает на шестерню с большим количеством зубьев, то колёса крутятся легко, правда скорость при этом невысока. Переключение же на меньшую звёздочку приводит к увеличению скорости, но требует приложения больших усилий.

Переключая велосипедные передачи, можно найти оптимальный режим движения в конкретных дорожных условиях и с учётом собственных сил. В автомобилях передачи построены по тому же принципу. Учитывая возможности двигателя и дорожную обстановку, водитель выбирает оптимальную для движения в конкретной ситуации передачу.

Наиболее «сильными» являются первая передача и задний ход. Двигатель передаёт на колёса минимальные усилия, но двигаться в данном случае автомобиль будет медленно. При движении же в горку на наиболее быстрых четвёртой и пятой передачах двигателю, как и велосипедисту, может не хватить сил, поэтому придётся переключиться на более сильные (пониженные) передачи.

Первая передача используется для того, чтобы начать движение, поскольку, чтобы сдвинуть с места тяжёлый автомобиль, требуются значительные усилия. При увеличении скорости движения и наборе некоторого запаса инерции, можно переключиться на более быструю и «слабую» вторую передачу и так последовательно повышать передачи до пятой. Все ступеньки повышения передач нужно проходить последовательно. А вот понижать передачу можно и через одну, и даже при необходимости – через 2 – 3. Наиболее экономичными и скоростными являются четвёртая и пятая передачи, поэтому обычно автомобиль едет именно на них.