Устройство и принцип работы механической коробки передач

Принцип работы механической коробки передач

Принцип работы механической КПП следующий: крутящий момент от двигателя через сцепление передается на первичный вал коробки передач, далее преобразуется при помощи пар взаимодействующих между собой шестерен и затем передается на колеса. Каждая пара шестерен (ступень) имеет определенное передаточное число, которое преобразует скорость вращения и крутящий момент коленвала двигателя. Причем если передача увеличивает крутящий момент, то скорость вращения уменьшается и наоборот. В первом случае передача будет называться понижающей, а во втором — повышающая.

Передаточное число определяется отношением количества зубьев у выходной и входной шестерен в паре. В свою очередь, количество зубьев напрямую зависит от размера самой шестерни: чем больше зубьев — тем больше диаметр шестерни. Например, у первой передачи самое большое передаточное число, и, следовательно, входная шестерня (на первичном валу) имеет минимальный размер, а выходная — максимальный. Переключение скоростей в механической КПП происходит только при нажатии на педаль сцепления, поскольку необходимо прервать поток мощности, передающийся от двигателя.

Движение автомобиля, оснащенного МКПП, всегда начинается с первой передачи. Исключение составляют тяжелые грузовики — там это можно делать со второй передачи. Для этого необходимо вручную перевести селектор рычага в соответствующее положение. Переход на повышенные передачи осуществляется последовательным переключением передач друг за другом. Сам момент переключения скорости зависит от показаний спидометра и тахометра, поскольку каждая передача рассчитана на работу в определенном диапазоне оборотов двигателя.

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.

Конструкция моста автомобиля может влиять на такие эксплуатационные качества автомобиля, как надежность, безопасность, комфортабельность, управляемость, проходимость.

Требования, предъявляемые к мостам автомобиля:

• малая масса (при уменьшении массы повышается плавность хода);• жесткость конструкции;• небольшие размеры в вертикальном направлении;• учет компоновочных особенностей транспортного средства;• прочность (оказывает значительное влияние на безопасность автомобиля).

По расположению на автомобиле мосты могут быть:• передними;• промежуточными (на трехосном автомобиле такой мост называют средним);• задними; Различают мосты:• управляемые;• ведущие;• комбинированные (колеса моста и ведущие, и управляемые);• поддерживающие (колеса моста не являются ни ведущими, ни управляемыми).

Принцип работы МКПП передний привод — Спецтехника

Автомобили с механической коробкой передач, которую сокращенно называют МКПП, до недавнего времени составляли абсолютное большинство среди других ТС с различными видами трансмиссий.

Более того, механическая (ручная) коробка и сегодня остается достаточно распространенным устройством для изменения и передачи крутящего момента двигателя.

Далее мы поговорим о том, как устроена и работает «механика», как выглядит схема КПП данного типа, а также какие преимущества и недостатки имеет данное решение.

Двухвальная механическая коробка передач: устройство и принцип работы

Разобравшись с тем, из чего состоит коробка передач с тремя валами, перейдем к двухвальным коробкам.

Данный тип КПП имеет в своем устройстве два вала: первичный и вторичный. Первичный вал является ведущим, вторичный ведомым. На валах закреплены шестерни и синхронизаторы.

Также в картере коробки находится главная передача и дифференциал.

Ведущий вал отвечает за соединение со сцеплением, также на валу находится блок шестерен в жестком зацеплении с валом. Ведомый вал расположен параллельно ведущему, при этом шестерни ведомого вала в постоянном зацеплении с шестернями ведущего вала, а также свободно вращаются на самом валу.

Добавим, чтобы уменьшить размеры КПП, а также увеличить количество передач, в современных коробках нередко вместо одного ведомого вала может быть установлено 2 или даже 3 вала.

На каждом таком валу жестко закреплена шестерня главной передачи, при этом такая шестерня имеет жесткое зацепление с ведомой шестерней. Получается, конструкция фактически реализует 3 главных передачи.

Сама главная передача, а также дифференциал в устройстве КПП осуществляют передачу крутящего момента от вторичного вала на ведущие колеса. При этом дифференциал также может обеспечить такое вращение колес, когда ведущие колеса вращаются с разными угловыми скоростями.

Что касается механизма переключения передач, на двухвальных КПП он вынесен отдельно, то есть за пределы корпуса. Коробка связана с механизмом переключения тросами или специальными тягами. Чаще встречается соединение при помощи тросов.

Сам механизм переключения 2-х вальной коробки имеет рычаг, который соединяется тросами с рычагом выбора и рычагом включения передачи. Указанные рычаги соединяются с центральным штоком переключения передач, который также имеет вилки.

Если говорить о принципе работы двухвальной механической коробки передач, он похож на принцип трехвальной КПП. Отличия состоят в том, как работает механизм переключения передач. В двух словах, рычаг может осуществлять как продольные, так и поперечные движения относительно оси автомобиля. Во время поперечного движения происходит выбор передачи, так как усилие идет на трос выбора передач, который оказывает воздействие на рычаг выбора передач.

Далее рычаг движется продольно, а усилие идет уже на трос переключения передач. Соответствующий рычаг горизонтально перемещает шток с вилками, вилка на штоке смещает синхронизатор, что и приводит к блокировке шестерни ведомого вала.

Напоследок отметим, что также механические коробки разных типов имеют дополнительные блокировочные устройства, которые препятствуют включению одновременно двух передач или же непредвиденному выключению передачи.

Механическая коробка передач устройство как правильно переключать передачи

Все автомобили с двигателями внутреннего сгорания непременно оснащены коробками передач.

Любой автолюбитель знает, сколько всего существует и каких разновидностей этого устройства, а также принимает факт, что самой распространенной на сегодняшний день является механическая коробка передач. Ее краткое обозначение – МКПП. Основное отличие, помимо конструкционных и показательных, заключается в том, что переключение передач полностью контролируется водителем. Разберемся подробнее, что собой представляет названная разновидность КП.

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.

Пример графика скоростных диапазонов механической трансмиссии

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.

Классификация синхронизаторов

Синхронизаторы классифицируются: по принципу действия – на простые и инерционные; по конструктивному исполнению – на конусные и дисковые; по принципу обслуживания передач – на индивидуальные и центральные.

Простые синхронизаторы.Они наименее сложны по конструк­ции и допускают включение передачи еще до того, как произошла полная синхронизация угловых скоростей. Простые синхрониза­торы устанавливаются, как правило, на низших передачах – чаще всего на второй. На первой передаче и заднем ходу синхро­низаторы не ставятся, так как на этих режимах машина работает очень редко, да и включаются они в основном при останове ма­шины. Применение простого синхронизатора на низших переда­чах вызвано еще и тем, что именно на этих передачах реализуются большие передаточные числа. При этом приведенные к фрик­ционным конусам синхронизатора инерционный момент, а также крутящий момент от главного фрикциона в случае его неполного выключения достигают относительно больших величин. Эти мо­менты препятствуют выравниванию угловых скоростей включае­мых деталей и тем самым значительно удлиняют процесс переклю­чения передач. В этих условиях простой синхронизатор позволяет включить передачу с неполным выравниванием. Переключение становится непродолжительным, но сопровождается появлением ударных нагрузок.

Инерционные синхронизаторы.В отличие от простого инер­ционный синхронизатор имеет специальное блокирующее устрой­ство, не позволяющее включить передачу до полного выравнива­ния угловых скоростей шестерни и вала. Инерционные синхро­низаторы устанавливаются на всех высших передачах.

Конусные и дисковые синхронизаторы.Они отличаются друг от друга исполнением фрикционного элемента. Широкое распро­странение получили конусные синхронизаторы с одной парой трения. Иногда используются многоконусные синхронизаторы, в которых синхронизирующий момент возрастает, однако их кон­струкция становится более сложной.

Дисковые синхронизаторы выполняются, как правило, много­дисковыми. Увеличение поверхностей трения используется как один из способов повышения эффективности синхронизаторов. Однако, как показывают эксперименты, синхронизирующий мо­мент не возрастает прямо пропорционально числу применяемых дисков. По мере удаления дисков от нажимных деталей их мо­мент трения падает. Неравномерность распределения давления приводит к повышенному нагреву и износу наиболее нагружен­ных дисков.

Рис. 106. Конструкция конус­ного индивидуального синхро­низатора: 1

– зубчатая муфта;2 – корпус синхронизатора;3 – пружинный фиксатор;4 – палец муфты

Эффективность синхронизаторов более рационально повышать не увеличением числа поверхности трения, а оптимальным подбором фрикцион­ных материалов, созданием благоприятных условий работы (осо­бенно хорошей организацией смазки) и применением следящего сервопри­вода. В последнем случае при малых усилиях со стороны водителя можно получить значительный синхронизи­рующий момент за счет увеличения давления на поверхностях трения.

Индивидуальный и центральный синхронизаторы.Индивидуальный служит для включения только одной передачи, центральный используется для включения нескольких передач. Первый получил повсеместное рас­пространение на транспортной тех­нике благодаря своей простоте и надежности в работе. Второй более сложен, дорогой и имеет значитель­ные габариты. Он используется в ко­робках, где включение передачи со­провождается блокированием не­скольких муфт (например, в короб­ках с разрезными валами), а также внекоторых простых коробках пере­дач с автоматическим и полуавтома­тическим приводами управления.

В отечественных гусеничных ма­шинах большое распространение по­лучили простые и инерционные инди­видуальные конусные синхрониза­торы. Один из них показан на рис. 106, а.

Он применяется для включения второй (палец4 передви­гается влево) и третьей (палец4 передвигается вправо) передач. При включении второй передачи синхронизатор работает как простой, при включении третьей – как инерционный. Блокирующее ус­тройство у последнего выполнено в виде фигурного выреза (рис. 106,б) на корпусе2 с размещенным в нем пальцем зуб­чатой муфты4. Пока не произошло выравнивания угловых ско­ростей шестерни и вала, сила от момента трения, возникающего в буксующих конусах, прижимает палец к скосу фигурного вы­реза и не позволяют ему переместиться в крайнее положение. Когда же выравнивание закончится, момент трения резко упадет и усилие водителя становится достаточным для того, чтобы от­жать корпус и переместить палец в положение, соответствующее включенной передаче.

Устройство

Конструкция МКПП мало изменилась с тех пор, как были сделаны и запатентованы основные ее элементы. Механическая коробка переключения передач состоит из следующих деталей и узлов:

• картер;
• входной, выходной и промежуточный валы;
• синхронизаторы;
• ведущих и ведомых шестерней;
• механизма переключения передач.

Собранные в едином корпусе детали взаимодействуют между собой, обеспечивая передачу крутящего момента. Устройство механической коробки передач зависит от особенностей конструкции и количества валов — по данному признаку они делятся на двух- и трех вальные. Последняя компоновка называется соосной и в технической литературе ее принято называть классической.

Валы и блоки шестерней

В такой конструкции ведущий и ведомый валы размещены картере коробки один за другим. В хвостовике первичного вала установлен подшипник, на который опирается конец вторичного. Отсутствие жесткой связи позволяет им вращаться независимо друг от друга с разной частотой и в разном направлении. Ниже под ними располагается промежуточный вал, передача усилия происходит через блоки шестерней установленных на указанные детали.

С целью снижения шумности редуктора, шестерни в нем делаются косозубые

При изготовлении данных деталей используется жесткая система допусков, и большое внимание уделяется качеству обработки сопрягаемых поверхностей

На ведущем валу классической механической коробки жестко закреплено несколько шестерней разного диаметра и соответственно с разным количеством зубьев. В отдельных случаях узел делается цельным, что обеспечивает ему максимальную прочность.

Шестерни на вторичном валу могут устанавливаться двумя способами:

• подвижно на шлицах;
• фиксировано на ступицах.

Соединение с ведущим валом в первом варианте происходит за счет продольного перемещения ведомой шестерни по шлицам до вхождения в зацепление в ведущей. Такая схема отличается простотой и надежностью и получила достаточно широкое распространение.

В другой конструкции продольное перемещение деталей исключается и соединение происходит при помощи скользящей муфты.

Видео — как происходит передача крутящего момента в МКПП:

Угловые скорости ведущего вала и ведомого уравниваются при помощи специального устройства, который называется синхронизатором. В коробках передач спортивных автомобилей или машин специального назначения вместо данных узлов могут использоваться кулачковые муфты.

Механизмы управления

За всю историю развития автотранспорта было разработано множество оригинальных конструкций. Наибольшее распространение получила компоновка, используемая в современных агрегатах.

Управление механической коробкой передач осуществляется специальной конструкцией, состоящей из следующих элементов:

• рычага;
• приводов;
• ползунов;
• вилки;
• замка;
• муфты переключения передач.

Изменения режимов работы агрегата производится водителем путем перемещения рычага из одного положения в другое. Через приводы задействуются ползуны. Защитой от одновременного включения является специальный блокирующий механизм – замок. В трехходовых коробках он делает невозможным перемещение двух ползунов при движении третьего.

Этот узел приводит в действие вилку переключения передач, которая вызывает смещение муфты. Данная деталь представляет собой толстостенное кольцо со шлицами на внутренней поверхности. Они находятся в постоянном зацеплении с зубчатым венцом ведомого вала, по которому муфта перемещается вдоль него. Аналогичные шлицы имеются и на боковой поверхности ведомой шестерни.

При переключении передач рычаг вначале переводится в нейтраль, из которой производится выбор нужного режима. За это время синхронизатор выравнивает угловые скорости, и шестерня блокируется муфтой. Крутящий момент с первичного вала передается на вторичный и далее через главный редуктор на ведущие колеса.

Синхронизатор обеспечивает безударное переключение, при этом время его срабатывания не превышает нескольких сотых долей секунды.

Видео — устройство сцепления и МКПП, наглядный рассказ от компании Тойота:

Мягкость работы механической коробки передачво многом зависит от общего состояния деталей и, в особенности, данного узла.

Синхронизатор представляет собой бронзовое кольцо с зубчатым венцом на внутренней стороне. При движении муфты она сначала прижимает деталь к конусной поверхности на боковине ведомой шестерни, возникшей при этом силы трения достаточно для выравнивания частоты вращения валов. После синхронизации происходит блокировка зубчатого колеса муфтой переключения.

Экскурс в историю

На первых автомобилях не было привычного для нас редуктора с зубчатыми передачами, усилие на ведущие колеса передавалось ремнем. Такое устройство использовал Карл Бенц — для увеличения скорости водителю необходимо было перекинуть кольцо с одной пары шкивов на другую. Зубчатые колеса в трансмиссии впервые применил Вильгельм Майбах, в автомобилях его конструкции были механические коробки.

Передача крутящего момента от нее на ведущие колеса осуществлялась при помощи стальной цепи. Соосная коробка в начале 20 века появилась на автомобилях Луи Рено, который также является изобретателем карданного вала.

На первых порах в автомобилестроении преобладала разнесенная компоновка агрегатов, при которой редуктор располагался отдельно от силового агрегата. Передача крутящего момента в них происходила через специальный вал, как было на модели BMW 501.

Механические коробки первых выпусков были очень сложными, управление ими требовало значительных усилий и хороших навыков. В 1928 году американский инженер Шарль Кетеринг из General Motors предложил устройство для синхронизации. Первая удачная коробка, снабженная таким механизмом, была установлена на автомобиле «Корвет». На европейском континенте лидером в разработке трансмиссий стала компания ZF.

Прочно закрепившееся название МКПП имеет следующую расшифровку аббревиатуры -механическая коробка переключения передач. Ранее в названии под первой буквой П понималось слово перемены, однако со временем оно было заменено на более подходящее по смыслу. Сокращенное наименование механической коробки в технических описаниях часто фигурирует с числом, обозначающим количество ступеней.

Современная МКПП имеет достаточно совершенное устройство, обеспечивающее, помимо переключения передач в движении, выполнение ряда функций:

• обеспечение перемещения автомобиля задним ходом;
• разобщение трансмиссии и работающего двигателя автомобиля во время кратковременных остановок;
• наличие нейтрального положения коробки позволяет выполнять пуск двигателя.

Автомобили, оснащенные такого рода трансмиссиями, при прочих равных показателях экономичнее машин с автоматической трансмиссией.

Шариковый шарнир равных угловых скоростей (шарнир Вейса) состоит из следующих элементов:

• ведущего вала со шлицами, входящими в зацепление с полуосевым зубчатым колесом дифференциала и вилкой с делительными канавками;• ведомого вала со шлицами, входящими в зацепление с ведущим фланцем ступицы колеса и вилкой с делительными канавками;• четырех ведущих шариков, расположенных в делительных канавках вилок;• центрирующего шарика вилок, помещенного в сферические углубления на торцах вилок.

Привод передних колес: 1 — корпус внутреннего шарнира; 2 — фиксатор внутреннего шарнира; 3 — кольцо крепления чехла; 4 — вал привода передних колес; 5 — защитный кожух чехла; 6 — защитный чехол; 7— упорное кольцо обоймы; 8— сепаратор; 9 — хомут; 10— шарик; 11 — обойма; 12 — стопорное кольцо обоймы; 13 — корпус наружного шарнира.