Если вы водите автомобиль с ручным переключением передач, то у вас может возникнуть несколько вопросов, на тему как работает механическая коробка передач.
Как забавный рисунок “Н”, по которому я двигаю эту ручку переключения передач, имеет какое-либо отношение к передачам внутри коробки передач? Что движется внутри коробки передач, когда я перемещаю переключатель?
Когда я все испорчу и услышу этот ужасный скрежещущий звук, что на самом деле скрежещет? Что произойдет, если я случайно переключусь на задний ход, когда буду мчаться по автостраде?
В этой статье вы найдете ответы на все эти и многие другие вопросы по мере изучения внутренностей механической коробки передач.
Автомобилям нужны коробки передач из-за физики бензинового двигателя. Во — первых, у любого двигателя есть красная линия-максимальное значение оборотов в минуту, выше которого двигатель не может работать без взрыва. Во-вторых, если вы читали, как работает мощность, то вы знаете, что двигатели имеют узкие диапазоны оборотов, в которых мощность и крутящий момент максимальны.
Например, двигатель может выдавать максимальную мощность при 5500 об / мин. Трансмиссия обеспечивает передаточное отношение между двигателем и ведущими колесами, чтобы изменяться по мере того, как автомобиль ускоряется и замедляется. Вы переключаете передачи, чтобы двигатель мог оставаться ниже красной линии и вблизи диапазона оборотов с наилучшей производительностью.
В идеале трансмиссия должна быть настолько гибкой в своих передаточных числах, чтобы двигатель всегда мог работать при одном наилучшем значении оборотов в минуту. В этом и заключается идея бесступенчатой трансмиссии (вариатора).
Бесступенчатые передачи
Бесступенчатая трансмиссия (вариатор) имеет почти бесконечный диапазон передаточных чисел. В прошлом вариаторы не могли конкурировать с четырех-и пятиступенчатыми коробками передач с точки зрения стоимости, габаритов и надежности, поэтому вы не видели их в серийных автомобилях. В наши дни улучшения в дизайне сделали вариаторы более распространенными.
Трансмиссия соединена с двигателем через сцепление. Таким образом, входной вал трансмиссии вращается с той же частотой вращения, что и двигатель, что повышает как выходную мощность, так и экономию топлива. Вариаторы стали обычным явлением в гибридных автомобилях, потому что они значительно более эффективны, чем как механические, так и традиционные автоматические коробки передач, и их популярность резко возросла, поскольку автопроизводители соревновались за наилучшие показатели экономии топлива. По состоянию на конец 2016 года каждый четвертый автомобиль, проданный в Соединенных Штатах, был оснащен вариатором.
У вариатора есть свои недостатки; наиболее примечательно, что он может быть вялым в управлении, так как он спроектирован для эффективности, а не для удовольствия. Однако, поскольку многие водители предпочитают отказаться от механической коробки передач, что приводит к уменьшению количества предлагаемых руководств, вариатор продолжает расширять свое присутствие. Вариатор также лучше всего работает в небольших автомобилях с небольшими двигателями, поэтому большинство грузовиков и больших внедорожников продолжают использовать традиционную автоматику.
Итак как работает механическая коробка в вашем автомобиле?
Чтобы понять основную идею стандартной коробки передач, на диаграмме слева показана очень простая двухскоростная коробка передач в нейтральном режиме. Рассмотрим каждую из частей на этой диаграмме, чтобы понять, как они сочетаются друг с другом:
- Зеленый вал поступает от двигателя через сцепление. Зеленый вал и зеленая шестерня соединены как единое целое. (Сцепление-это устройство, которое позволяет подключать и отключать двигатель и трансмиссию.) Когда вы нажимаете на педаль сцепления, двигатель и коробка передач отключаются, поэтому двигатель может работать, даже если автомобиль стоит на месте. Когда вы отпускаете педаль сцепления, двигатель и зеленый вал напрямую соединяются друг с другом. Зеленый вал и шестерня вращаются с той же частотой вращения, что и двигатель.
- Красный вал и шестерни называются промежуточным валом. Они также соединены как единое целое, поэтому все шестерни на валу и сам вал вращаются как единое целое. Зеленый вал и красный вал напрямую соединены через их сцепленные шестерни, так что если зеленый вал вращается, то и красный вал вращается. Таким образом, промежуточный вал получает свою мощность непосредственно от двигателя при включении сцепления.
- Желтый вал-это шлицевой вал, который напрямую соединяется с ведущим валом через дифференциал с ведущими колесами автомобиля. Если колеса вращаются, то вращается желтый вал.
- Синие шестерни вращаются на подшипниках, поэтому они вращаются на желтом валу. Если двигатель выключен, но автомобиль движется накатом, желтый вал может вращаться внутри синих передач, в то время как синие передачи и промежуточный вал неподвижны.
- Цель хомута-соединить одну из двух синих шестерен с желтым приводным валом. Хомут соединен через шлицы непосредственно с желтым валом и вращается вместе с желтым валом. Однако хомут может скользить влево или вправо вдоль желтого вала, чтобы включить любую из синих шестерен. Зубья на ошейнике, называемые собачьими зубьями, вставляются в отверстия по бокам синих шестеренок, чтобы зацепить их.
Переключение На Первую Передачу
На рисунке слева показано, как при переключении на первую передачу фиолетовый ошейник включает синюю передачу справа. Как показано на рисунке, зеленый вал двигателя поворачивает промежуточный вал, который поворачивает синюю передачу вправо. Эта шестерня передает свою энергию через хомут для привода желтого приводного вала. Тем временем синяя шестерня слева поворачивается, но она вращается свободно на своем подшипнике, поэтому она не влияет на желтый вал.
Когда хомут находится между двумя передачами, коробка передач находится в нейтральном положении. Обе синие шестерни свободного хода вращаются на желтом валу с разной скоростью, регулируемой их передаточными отношениями к промежуточному валу.
Из этого обсуждения вы можете ответить на несколько вопросов:
- Когда вы совершаете ошибку при переключении передач и слышите ужасный скрежет, вы не слышите звука неправильного сцепления зубьев шестерни. Как вы можете видеть на этих диаграммах, все зубья шестерни всегда полностью зацеплены. Скрежет – это звук собачьих зубов, безуспешно пытающихся зацепить отверстия в боковой части синей шестерни.
- Коробка передач, показанная здесь, не имеет “синхронизации” (обсуждается далее в статье), поэтому, если бы вы использовали эту коробку передач, вам пришлось бы дважды сцеплять ее. Двойное сцепление было распространено в старых автомобилях и до сих пор распространено в некоторых современных гоночных автомобилях. При двойном сцеплении вы сначала нажимаете на педаль сцепления один раз, чтобы отключить двигатель от коробки передач.
- Это снимает давление с собачьих зубов, так что вы можете перевести ошейник в нейтральное положение. Затем вы отпускаете педаль сцепления и разгоняете двигатель до “нужной скорости”. Правильная скорость-это значение оборотов в минуту, при котором двигатель должен работать на следующей передаче.
- Идея состоит в том, чтобы заставить синюю передачу следующей передачи и ошейник вращаться с одинаковой скоростью, чтобы зубы собаки могли зацепиться. Затем вы снова нажимаете на педаль сцепления и фиксируете хомут на новой передаче. При каждом переключении передач вы должны дважды нажимать и отпускать сцепление, отсюда и название “двойное сцепление”.
- Вы также можете увидеть, как небольшое линейное движение ручки переключения передач позволяет переключать передачи. Ручка переключения передач перемещает стержень, соединенный с вилкой. Вилка сдвигает хомут на желтом валу, чтобы включить одну из двух передач.
Четырехступенчатые механические коробки передач в значительной степени устарели, а более распространенными вариантами являются пяти-и шестиступенчатые коробки передач. Некоторые высокопроизводительные автомобили могут предлагать еще больше передач. Однако все они работают более или менее одинаково, независимо от количества передач. Внутренне это выглядит примерно так:
Есть три вилки, управляемые тремя стержнями, которые входят в зацепление с помощью рычага переключения передач.
Рычаг переключения передач имеет точку поворота посередине. Когда вы нажимаете ручку вперед, чтобы включить первую передачу, вы фактически тянете стержень и вилку для первой передачи назад.
Вы можете видеть, что при перемещении рычага переключения влево и вправо вы задействуете разные вилки. Перемещение ручки вперед и назад перемещает хомут для включения одной из передач.
Передача заднего хода управляется небольшой холостой передачей. В любое время синяя передача заднего хода на этой диаграмме выше поворачивается в направлении, противоположном всем другим синим передачам. Следовательно, было бы невозможно включить передачу задним ходом, пока автомобиль движется вперед; собачьи зубы никогда бы не включились. Однако они будут производить много шума.
Синхронизаторы
В механических коробках передач современных легковых автомобилей используются синхронизаторы, для устранения необходимости в двойном сцеплении. Цель синхросигнала состоит в том, чтобы ошейник и шестерня вступили в фрикционный контакт до того, как соприкоснутся зубы собаки. Это позволяет ошейнику и шестерне синхронизировать свои скорости до того, как зубья должны будут зацепиться.
А что насчет работы автоматической коробки передач?
Автоматическая механическая коробка передач, возможно, более известна и точнее описывается как автоматическая с двойным сцеплением, и она становится все более популярным вариантом. Хотя автоматическая коробка передач с двойным сцеплением стала популярной на автомобилях высокого класса, таких как Porsche и Audi, она все чаще доступна на более популярных моделях.
Автомат с двойным сцеплением работает с помощью двух сцеплений, которые управляются компьютерной сетью автомобиля и не требуют ввода данных от водителя. Как мы уже обсуждали, когда сцепление в механической коробке передач включено, оно отсоединяет двигатель от коробки передач, чтобы включить переключение передач.
Автомат с двойным сцеплением работает сразу на двух разных передачах, что завершает переключение, минуя этап отключения питания. Это позволяет трансмиссии с двойным сцеплением выполнять переключения передач намного быстрее, так как нет “паузы”, пока двигатель и трансмиссия пытаются совместиться.
Автомобиль быстрее, так как нет перебоев в подаче электроэнергии, поездка более плавная, так как практически невозможно точно определить момент переключения передач, а экономия топлива лучше, потому что при неэффективных переключениях мощность не теряется.
Стоит отметить, что некоторые автомобили с автоматикой с двойным сцеплением предлагают ручной режим переключения передач, обычно с помощью рычагов переключения передач, установленных на рулевом колесе, но это не то же самое.
