Как работает механическая коробка передач

Механическая коробка: классификация

История этого вида трансмиссии насчитывает уже более сотни лет, за все время существования он претерпел массу изменений, позволивших довести его до совершенства и убрать недочеты. Проще говоря, механическая КПП – наиболее простая и удобная в использовании конструкция из всевозможных вариантов. Это правило распространено на коробки с количеством ступеней, не превышающим 5. Ввиду стремления производителей к экономичности, изготавливаются обычно 6-ступенчатые виды агрегатов, но это не влияет на КПД.

Секвентальная МКПП: основные особенности

Точнее говоря, это устройство относится по принципу действия к механическим моделям. Идея появилась из спортивных машин. Конструкция функционирует на базе традиционной КПП, которая имеет электронное управление приводом.

Преимущества:

• Достижение оптимальной скорости через возможность быстрого переключения передач.
• Выработка последовательных действий без вреда для двигателя на больших оборотах.
• Возможность управления посредством подрулевых лепестков, позволяющих перемещаться на высоких скоростях.

В таких видах коробок автомобилей используются прямозубые шестерни, но не применяются синхронизаторы включения. Скорость их вращения выравнивается с помощью датчика скорости на компьютере. Наблюдается значительное сокращение времени включения нужной скорости (до 80%). Это делает процесс вождения удобным для новичков и профессиональных пользователей.

Роботизированные системы

Основное отличие от предыдущего вида – наличие электромеханического привода для включения шестерен. В основе схемы традиционно лежит механическая КПП, каждый вал оснащается в данном случае диском сцепления.

Устройства имеют отношение к механической КПП. Но, тем не менее, являются средним звеном между автоматом и механикой по стоимости и функциональности.

Устройство преселективной коробки передач

Управляет всем процессом Мехатроник, блок, полностью встроенный в КПП, состоящий из различных электронных и гидравлических элементов. Принцип его работы основан на считывании всей необходимой информации с входных датчиков и синхронизации работы гидравлического привода переключения.

Воплощение в жизнь подобного устройства оказалось несколько сложнее, чем на бумаге. Главная сложность у инженеров возникла в наличии пробуксовки сцеплений в так называемой точке поцелуя, моменте одновременного касания обоих сцеплений. Не так это было заметно на первой разработке DSG с мокрым сцеплением, но проявилось при использовании сухого сцепления с двигателями большой мощности. Последняя разработка семиступенчатой коробки DSG рассчитана на максимальный крутящий момент в 250 Нм. Это условие позволяет ее использовать только с небольшими моторами. Для остальных более мощных двигателей применяется предыдущая модель DSG с мокрым сцеплением.

Поворачиваем ключ

Как только мы включаем зажигание, автомобиль готов к движению. За счёт чего это происходит? Топливо, которое мы предварительно заправили в бак своего «железного коня», естественным путём или посредством механического побуждения попадает в камеру сгорания двигателя, а именно в его рабочие цилиндры. В зависимости от установленного оборудования тип топлива может быть разный: бензины различных октановых чисел, дизельное топливо («солярка» в простонародье), природные газы или их смеси (метан, пропан-бутан и др.), этанол, керосин и другие, более экзотические виды. Выделяющиеся при сгорании топлива газы толкают поршни в цилиндрах, а те, в свою очередь, заставляют вращаться коленвал и передают момент вращения на главную передачу. Отсюда вытекает определение двигателя как устройства, служащего для превращения тепловой энергии сгорания топлива в механическую работу. Но как теперь эту работу передать далее и заставить автомобиль двигаться, причём со скоростью, которая необходима нам в конкретный, данный момент времени?

Зачем нужна МКПП?

Первая причина ясна – надо как-то подключить вращающийся вал двигателя к приводам колес, чтобы тронуться с места. Есть и вторая: силовой агрегат развивает рабочую мощность (иначе – максимальный крутящий момент) при достижении определенного числа оборотов коленчатого вала. Для большинства бензиновых двигателей этот порог составляет 3000 об/мин, для дизельных – 2000 об/мин.

Для чайников, то бишь, новичков, желающих разобраться в работе автомобильных узлов, предлагается такое пояснение:

1. Во время работы на месте (холостой ход) количество оборотов коленвала составляет 800-900 об/мин. Чтобы начать движение, развиваемой мощности недостаточно и нужно поднять ее за счет нажатия на газ и повышения оборотов до 2-3 тыс. в минуту. В этот момент и нужно подключить привод колес, что выполняется с помощью коробки передач.
2. Без МКПП разгон автомобиля выйдет плавным и невероятно долгим, а если попадется подъем, то машина не разгонится никогда. Причина та же – нехватка мощности. Для повышения динамики нужен преобразователь усилия, способный замедлить вращение, но увеличить крутящий момент.
3. Для разворота и парковки машине нужен задний ход, его также обеспечивает механическая коробка передач.

Если между колесным приводом и коленчатым валом поставить зубчатую передачу с шестеренками разного размера, то колеса станут вращаться медленнее. Но при этом на каждом колесе возрастет усилие (на жаргоне – тяга) и разгон автомобиля ускорится. А плавное подключение вращающихся элементов обеспечит другой узел МКПП – сцепление.

Применение планетарных МКП

Первым и самым широким направлением практического использования планетарных МКП с ручным режимом управления в автомобилестроении стал автомобиль Ford T, выпуск которого был прекращен достаточно давно – в 1928 году.

Постепенно они были вытеснены более современными полуавтоматическими и автоматическими коробками передач планетарного типа. Первые предусматривали сцепление с помощью специальных гидромуфт, вторые предполагали использование гидротрансформаторов.

Но автомобилестроение – это далеко не единственная сфера использования рассматриваемого технического устройство. Планетарный механизм поворота активно применяется в разнообразной гусеничной технике – от гражданской до военной, включая тягачи, танки и транспортеры.

МКП используется в качестве редуктора в специализированном оборудовании, например, станках для металлообработки или авиационных турбинах. Отдельного упоминания заслуживает применение планетарной МКП в задних втулках велосипедных колес.

Разновидности АКПП

По мнению техников, гидромеханическая автоматическая коробка представлена лишь планетарной частью узла. Ведь она отвечает за переключение передач и вместе с гидротрансформатором является единым автоматическим устройством. К АКПП относится классический гидравлический трансформатор, робот и вариатор.

Классическая автоматическая коробка передач

Преимущество классического автомата заключается в том, что передачу вращательного момента на ходовую часть обеспечивает масляная жидкость в гидротрансформаторе.

Это позволяет избежать проблемы со сцеплением, часто выявляемые при эксплуатации машин, на которых установлены другие типы КПП. Если своевременно обслуживать коробку, то пользоваться им можно практически вечно.

Роботизированная КПП

Вид роботизированной коробки передач.

Является своеобразной альтернативой механики, только в конструкции имеется двойное сцепление, управляемое электроникой. Главным преимуществом робота считается экономичность расхода топлива. В конструкции установлено программное обеспечение, работа которого состоит в рациональном определении крутящего момента.

Коробку называют адаптивной, т.к. она способна подстраиваться под манеру вождения. Чаще всего в роботе ломается сцепление, т.к. оно не может переносить тяжелые нагрузки, например, во время езды в труднопроходимых местах.

Вариатор

Устройство обеспечивает плавную бесступенчатую передачу вращательного момента ходовой части автомобиля. Вариатор снижает расход бензина и повышает показатели динамики, обеспечивает мотору щадящий режим работы. Такая автоматизированная коробка не относится к долговечным и не терпит большой нагрузки. Внутри агрегата детали постоянно трутся между собой, что ограничивает срок эксплуатации вариатора.

Конструкционные особенности и работа автоматической коробки

Автоматическая коробка передач позволяет снизить нагрузку с водителя во время езды и исключает необходимость постоянного пользования рычагом. АКПП делятся на два подвида: на основе работы гидротрансформатора и на основе электроники. Структурно они практически не различимы. Выделяют АКПП для переднего и заднего привода. В первом случае коробка передач более компактна и наделена дифференциалом.

Состоит автоматическая коробка передач из:

1. Гидротрансформатора. Играет роль сцепления, аналогично механической коробке, но не требует непосредственного управления. Установлен в промежуточном кожухе, подвергается высоким нагрузкам, поэтому обильно смазан трансмиссионной жидкостью. Помимо стандартной роли, гидротрансформатор сглаживает вибрацию силового узла и контролирует давление в системе управления.
2. Тормозная лента и фрикционы. Служат для непосредственного переключения передач.
3. Устройство контроля. Состоит из поддона, шестеренчатого насоса и клапанной коробки.
4. Планетарный ряд. Если в МКПП чаще используются валы, параллельно расположенные относительно друг друга, то в АКПП используется принцип планетарных передач. Несколько механизмов обеспечивают передачу крутящего момента при помощи фрикционных элементов и других механизмов. Для фиксации элементов планетарной системы используется тормозная лента.

Коробки передач

Наиболее востребованным продуктом являются именно коробки передач, ведь с их выпуска начиналась история предприятия. Сегодня эта продукция производится в разных уголках планеты и устанавливается на машинах десятков разных брендов. Ниже рассмотрим наиболее интересные варианты.

Механические

Компания выпускает несколько вариантов механических КПП, которые относятся к разным сериям. Рассмотрим основные варианты:

1. Ecolite — Даф, Фотон, Хендай, Ман, Рено, Вольво и Камаз.
2. Ecoplit — Даф, Фотон, Ивеко, Ман и Камаз.
3. Ecomid — Ивеко, Ман, Камаз, Рено, Вольво и другие.
4. Transmatic — Ман, Скания и Ивеко.

Ряд коробок передач собирается в России. К наиболее востребованным вариантам стоит отнести:

1. Ecomid 9S 1310 ТО — 9-ступенчатая «механика», устанавливаемая на среднетоннажные грузовые автомобили весом до 16 тонн. Чаще всего устанавливается на Камазы моделей 65115 и 65116.
2. Ecosplit 16S 1820 ТО — 16-ступенчатая «механика», предназначенная для использования на грузовиках, способных перевозить грузы весом до 40 тонн. Активно устанавливается на Камазах и Мазах.

Не менее востребованы и другие виды КПП. К примеру, 9S 109(16 скоростей), 16S 151и 9S 1310 (более новая версия). На завод Ман поступают 16S 2520 с 16-ю ступенями или 16S2520TD.
Надежным вариантом является КПП EcolightS 5 42, которая специально была создана для грузовых авто с мощностью до 120 кВт. Ее особенности:

• число передач — пять;
• максимальный момент вращения — 600 Н*м;
• объем масла для заполнения — 3,5 куб. дм;
• первая замена масла — через 1500 км;
• авто, на которые ставится КПП — Камаз, Паз, Маз, Ман и т. д.

Автоматические

Не меньший интерес представляют АКПП ZF, которые также нашли применение н многих автомобилях. К примеру, в РФ производится модель ASTronic 12S 1930 ТО — КПП с 12-ю ступенями, предназначенная для грузовых машин и устанавливаемая на тяжелые Камазы.

Вариант 8HP—автомат, устанавливаемая на машинах с продольным расположением силового агрегата. Главной целью создания было получения коробки передач с большей экономией топлива. Разработчикам удалось снизить расход на 12-14%, чего удалось добиться применением 4-х планетарных скоростей вместо обычных шестеренок.

Если говорить о популярных сериях АКПП, стоит выделить следующие варианты:

• Astronic — Даф, Форд, Ивеко, Ман, Рено, Волько, Камаз, Хендай.
• Ecotronic — Камаз.
• Traxon — Даф, Фотон, Ивеко, Камаз, Маз, Форд Отосан.

К известным КПП ZF также стоит отнести следующие модели —6HP26 и 8HP55A 09-up.

Недостатки

Производители считают, что РКПП в скором времени заменят другие виды коробок. Но это произойдет еще через пару тройку десятков лет, поскольку роботы до сих пор имеют существенные недостатки.

АКПП робот принцип работы не такой плавный, как у автоматики. Во время движения машина «дергается», создавая водителю дискомфорт. Переключения передач также слегка затянуты.

Ресурс актуаторов и сцепления довольно низкий. Стоимость актуаторов высокая, а ремонтопригодность — сомнительная. В случае поломки придется менять актуатор на новый, а не чинить сломанный. При этом не каждая СТО возьмет на себя ответственность проводить ремонтные работы.

Что касается стоимости, то машины с коробкой-роботом на гидравлике стоят столько же, сколько авто с автоматической КП. Цены также приближены к обслуживанию.

Плюсы и минусы

Устройство механической коробки передач автомобиля имеет свои плюсы и минусы. По сравнению с автоматической КП, она чем-то лучше, а в чем-то уступает ей. Перечислим главные преимущества:

 Низкая себестоимость по сравнению с «автоматом». Дешевле «механики» обходятся лишь клиноременные коробки с регулятором. Их не ставят в машины, но часто используют для установки в скутерах.

 В сравнении с гидромеханической трансмиссией, коробка обладает небольшой массой. К примеру, АКПП весит минимум 50 кг. Маленький вес снижает общую массу автомобиля. Это снижает расход топлива.

 Механическая КП позволяет использовать ее мощность «на полную». Это гарантирует высокий КПД. Большая энергия передается на ведущие колеса, что улучшает динамику.

 Для «механики» не нужно устанавливать системы охлаждения.

 Простая конструкция, состоящая из валов с шестеренками. В коробке отсутствует какая-либо электроника.

 Надежность. Коробка способна работать долго при условии правильного обслуживания и эксплуатации. Она спокойно «проедет» более 500 тысяч километров.

 По сравнению с коробкой-автомат, механика имеет дешевое обслуживание. Во-первых, агрегат не требует частого ремонта. Во-вторых, если ремонт все-таки потребуется, он обойдется в несколько раз дешевле.

 Автоматика проще для новичков, но электроника часто блокирует неверные действия водителя. Нельзя сказать того же самого о механике.

 Автомобиль с механической коробкой способен проехать и по гололеду, и выбраться из грязи. Опытные водители могут самостоятельно выбирать режим, при котором им удобно ехать.

 Авто с механикой можно легко завести «с толкача» в случае, если возникнут проблемы. Для машин с автоматикой придется вызывать эвакуатор. Это не только дорого, но и долго.

Как видите, преимуществ у механической коробки передач много. Однако существует и несколько минусов, которые не нравятся водителям. Самым большим недостатком является взаимодействие человека с машиной. Во время движения нужно постоянно дергать рычаг, следить за оборотами, вовремя нажимать педали. Это неудобно, особенно при езде в городе.

АКПП — автоматическая коробка передач

Несмотря на долговечность и высокий КПД, водители все больше делают выбор в пользу автоматических трансмиссий. Во многом это связано с удобством и характером движения трафика в большом городе — переключать передачи вручную в пробке надоедает. Почему бы не отдать этот процесс полностью под контроль автомобилю?

Автоматическая коробка успешно освобождает водителя от постоянного контроля за рычагом, а значит делает процесс вождения более комфортным. В базовом исполнении имеется четыре режима:

• D — вождение
• N — нейтраль
• R — включение задней передачи
• P — паркинг

Также нередко у режима D (drive) есть опции eco, sport и т.п., меняющие режим переключения. В eco-режиме обеспечивается минимальный расход топлива за счет включения повышенной передачи и, соответственно, понижения оборотов двигателя. В sport-режиме наоборот мощность двигателя используется максимально, переключения передач происходят практически на максимально возможных оборотах двигателя. Езда в sport-режиме также способствует очистке выхлопной системы от сажи и нагара.

Структура АКПП отличается от механической коробки передач. В ее основе — планетарные шестерни или планетарный редуктор.

Планетарной она называется из-за наличия центральной шестерни, вокруг которой совершают движения остальные.

Управление АКПП бывает двух типов:

• на основе гидротрансформатора
• электронное

Гидротрансформатор передает крутящий момент на ведущую шестерню. Механизм передачи происходит через фрикционные диски и тормозные кольца, которые переключают планетарные ряды шестерен, постепенно повышая скорость вращения трансмиссии. 

Благодаря гидротрансформатору переключения рядов происходят плавно. Однако КПД не очень высок, и потребление топлива в автомобиле с АКПП выше, чем с другими коробками. Пожалуй, классический автомат является самым популярным типов коробки передач среди всех автоматических трансмиссий.

Плюсы АКПП:

• ресурс выше, чем у других автоматических трансмиссий
• максимальная комфортность при вождении

Минусы:

• сложность в ремонте
• высокий расход топлива

Сравнение с механикой

По мере прогресса механическая коробка передач была заменена автоматической. Конструкция усложнилась, но перемены положительным образом сказались на поведении мотора, скоростных качествах транспортного средства, его ходовой части. Водитель получил возможность расслабиться, потому что устранилась необходимость прилагать усилия и проявлять повышенную бдительность при езде по городу. Первая автоматическая коробка передач в мире произвела фурор, потому что повысила надёжность и удобство применения, в результате изобретение стало популярным.

Сейчас АКПП часто используются в полноприводных джипах, легковых машин и даже на грузовиках, потому что это удобно. При езде на механике, водителю приходится часто дёргать рычаг, следить за скоростным режимом и определять интенсивность работы двигателя. При установке АКПП такая потребность отпадает.

МКПП или АКПП

Чем отличаются АКПП от проверенной годами механики? Рядом преимуществ:

• легко трогаться с места;
• значительно возрастает комфорт управления транспортным средством;
• подстройка скорости происходит в автоматическом режиме, обеспечивается плавно и незаметно для самого водителя;
• ходовая используется в умеренном темпе, также двигатель работает в щадящей нагрузке;
• неплохая проходимость во многих условиях;
• сохраняется возможность контролировать тип вождения.

Минусы:

• медленно разгоняется;
• неверная эксплуатация может привести к серьёзным поломкам;
• низкая приёмистость (время, необходимой для изменения режима работы в сторону увеличения оборотов) по сравнению с таким же авто с МКПП;
• буксировать можно только при соблюдении некоторых правил;
• высокая цена ремонта и эксплуатации автомобиля.

В нашей стране АКПП не очень популярна, наверно, по причине, что мы не хотим перекладывать чужие проблемы и желание самому устранить любую неисправность. А в США наоборот, только 5 человек из 100 пользуются МКПП, да и Европа тоже подтягивается к этому показателю. В нашей стране тоже есть немало поклонников автомата, но вот пользоваться им правильно умеют далеко не все.

Перейдём к такому вопросу, из чего сделана АКПП, как устроена.

Как заводить машину на АКПП

Стабильность работы коробки-автомата зависит от правильности запуска. Уберечь её от незапланированного ремонта помогает защита, включающая несколько ступеней. При запуске мотора, рычаг сдвигают в положение «P» либо «N». Эти позиции передают сообщение о начале движения защитной системе и сигнализируют о запуске двигателя. Если ручник будет располагаться в другом направлении, водитель не сможет произвести зажигание и после оборота ключа ничего не произойдёт. После поворота ключа перед запуском мотора надо подождать 3-5 секунд, чтобы бензонасос подкачал компрессию.

Чтобы правильно тронуться, лучше применить парковочный режим, потому что при установке позиции «Р» у авто блокируются ведущие колёса и она не может скатиться. Использование нейтрального положения помогает провести экстренную буксировку ТС.

Многие машины с АКПП заводятся при условии правильного положения рычага и выжимания педали тормоза. Эта блокировка препятствует непреднамеренному откату машины, в случае, когда рычаг установлена в неправильном положении.

Современные машины класса повышенной комфортности имеют функцию блокировки руля и замка от угона. Если все действия выполнены правильно, но пуск мотора не происходит, стоит убедиться в том, что защита отключена. Разблокировать её просто – достаточно повторить первую манипуляцию (вставить ключ и вращать руль в обе стороны). Если действия обеспечиваются синхронно, защита снимается.

А в этом видео — как правильно запускать двигатель на автомобиле с автоматической коробкой передач, обязательно посмотрите.

Как работает 2-хвальная КП

Двухвальная коробка считается одной из самых востребованных типов МКПП. Принцип работы коробки передач заключается в том, что на ведущий вал идет передача крутящего момента через муфту от мотора. Частично шестерни закреплены на валах, а частично свободно вращаются. Их количество зависит от типа конструкции.

Кроме того, валы оснащены синхронизаторами. Шестерни, расположенные около синхронизаторов, всегда вращаются. Остальные — зафиксированы. На ведомом валу зафиксирована шестерня главной передачи. Вместе с дифференциалом она перенаправляет крутящий момент от вторичного вала к колесам. Дифференциал, в свою очередь, осуществляет колесное вращение с разными угловыми скоростями.

Двухвальная коробка имеет механизм выбора передач, который находится в корпусе. Его составляющими являются штоки и вилки. Они выполняют работу по перемещению муфты синхронизатора. Принцип функционирования двухвальной коробки схож с трехвальной. Главной отличительной «чертой» является специфика работы механизма, отвечающего за переключение ступеней.

Роботизированная коробка передач (робот)

Роботизированная коробка представляет собой объединение механики и автомата. По сути, эта та же механическая коробка, только управление осуществляется не вручную рычагом переключения, а с помощью сервоприводов или мехатроником. Управление происходит через компьютерной блок, который принимает решение о переключении шестерни.  

Характерной особенностью робота, из-за которой его не любят многие автолюбители, являются рывки при переключении передач. Чтобы избавиться от этой проблемы, инженеры придумали систему с двумя сцеплениями. Такая модель установлена в Toyota Corolla. Переключения здесь более плавные, чем у однодискового робота, но хуже, чем у других коробок. Также отметим, что робот не очень “любит” пробки. Поэтому при выборе автомобиля для городской езды в плотном трафике учтите этот фактор.

Плюсы робота:

• стоимость ниже, чем у АКПП
• ремонтопригодность

Минусы роботизированной коробки:

• рывки при переключении
• низкая надежность управляющих механизмов и дисков сцепления

Премьера

Коробка робот, используя в своей основе механику, переключает сцепление при помощи электронного управления, позволяя освободить водителя от работы. Но при этом обычный робот имеет существенные минусы — задержки и клевки в переключении, что вызывает неприятные ощущения у водителя с пассажирами, и может быть иногда опасным при динамичной езде. Именно этот недостаток не позволил обычной роботизированной коробке занять лидирующие позиции среди коробок передач.

В поисках решения инженеры пришли к выводу, что хорошим вариантом является использование двух коробок передач, которые поочередно быстро переключают передачи. Две коробки одновременно установить не удалось, но вот два сцепления использовать получилось. Первая коробка передач с двумя сцеплениями, выпущенная серийно, появилась в 2002 году на автомобилях концерна Volkswagen, который установил новинку под названием DсSG (Direct-Shift Gearbox, что в переводе означает коробка с прямым включением) на новый самый мощный GolfR32 четвертого поколения. Мировая премьера, где была представлена преселективная коробка передач, однако, произошла чуть позднее на более стильном мощном автомобиле AudiTT, оборудованном двигателем в 3,2 литра.

После этой премьеры многие автопроизводители начали выпуск моделей с преселективными КПП, но большинство машин по-прежнему сходит с конвейера концерна WOG. Оснащают преселективами Skoda, Seat, Volkswagen, Bugatt, Audi, Porshe. Конечно, не отстают другие производители, такие, как Nissan, BMW, Mercedes-Benz, Peugeot.

Коробка передач – вариатор

Коробки передач вариаторного типа относятся к бесступенчатым устройствам. В отличие от коробок передач, описанных выше, здесь нет привычных валов и шестеренных зацеплений. Конструкция состоит из следующих рабочих элементов:

1. Два конусообразных шкива, позволяющих изменять радиус охвата.
2. Металлический ремень (цепь), состоящий из набора отдельных пластин, изготовленных из высокопрочных легированных сплавов.

Скорость автомобиля плавно изменяется, благодаря степени натяжения ремня и перемене соотношения передаточного числа между подвижными дисками шкивов.

К недостаткам коробки вариатора можно отнести использование их в автомобилях небольшой мощности. Основное применение – скутеры, малолитражки.

Конструкторские разработки современного автомобилестроения не стоят на месте. Конкурирующие фирмы постоянно работают над усовершенствованием выпущенных моделей и внедрением в жизнь новых свежих идей. Каждый год можно услышать о нововведениях с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.