Коробка передач преобразует усилие, развиваемое двигателем, и передает его колесам в необходимом количестве и в нужном направлении (для определенных условий движения и для движения передним или задним ходом). В коробке передач реализован известный принцип механики: при понижении оборотов от входного (ведущего) вала к выходному (ведомому), в нашем случае связанных между собой зубчатым зацеплением, увеличивается крутящий момент (Mi и Ма на рис. 4.7). То есть если физически не очень сильный человек будет вращать рукоятку маленькой шестерни на рис. 4.7, то здоровяк не сможет удержать руками большую шестеренку неподвижной, так как крутящий момент при переходе с маленькой шестеренки на большую существенно возрастает.
Рис. 4.7. Схема принципа действия коробки передач
Максимально обороты понижаются на I передаче. При этом на выходе из коробки передач реализуется максимальный крутящий момент, способный выполнить самую тяжелую работу: сдвинуть стоящее транспортное средство с места и начать его разгонять.
Последней (наивысшей) передаче соответствует самый малый крутящий момент, так как она включается на автомобиле при движении на высокой скорости, когда силы инерции продолжают двигать машину вперед. Здесь на первый план выходят высокие обороты выходного вала, позволяющие разогнать транспортное средство до максимальной скорости.
Теперь об этом несколько подробнее.
Самое трудное — сдвинуть автомобиль с места. Для этого, как мы уже сказали, необходимо максимальное усилие. Потом разгонять движущийся автомобиль будет легче. Работу коробки передач условно поясняют рис. 4.8-4.12. Еще раз отметим: сейчас мы рассматриваем не конструкцию коробки передач, а ее принцип действия. Итак, двигатель всегда вращает только одну маленькую шестеренку с небольшим количеством зубьев. Будем называть ее ведущей (на рис. 4.8-4.12 — красного цвета), так как она приводит в движение все остальные шестерни соответствующих передач (на указанных рисунках они желтого цвета). Ведущая шестеренка вращается быстро. Даже на холостом ходу вал двигателя и эта самая шестеренка вместе с ним совершают около 1000 мин"1. Стоит нажать на педаль газа, как эти обороты увеличатся в несколько раз. На I передаче (а именно ее используют для начала движения) с этой маленькой (ведущей) шестеренкой соединяют (зацепляют) самую большую из всех шестерен (ведомую 1) — см. рис. 4.8.
1.Все шестерни, соединяемые с ведущей шестерней, по отношению к ней являются ведомыми.
Рис. 4.8. Схема действия коробки передач (I передача)
На шестерне I передачи (желтая на рис. 4.8) самое большое количество зубьев. Такое сочетание шестеренок максимально понизит обороты двигателя (а для трогания с места это и нужно), но самое главное, максимально увеличит крутящий момент. Как говорят, шестерня I передачи самая сильная. Поехали! Теперь включаем II передачу. А это значит, что пару нашей маленькой шестеренке составит другая шестерня желтого цвета (см. рис. 4.9).
Рис. 4.9. Схема действия коробки передач (II передача)
Она немного меньше шестерни I передачи, зубьев на ней тоже поменьше, зато вращается она быстрее. Крутящий момент стал меньше, но движению помогает сила инерции. Значит, уже едем с той же скоростью при меньших оборотах двигателя, а увеличивая их, продолжаем разгонять автомобиль, используя рост крутящего момента. Далее включаем III передачу. И вновь ведомая (желтая) шестерня стала еще меньше и по диаметру, и по числу зубьев, но все же по этим параметрам она по-прежнему больше ведущей (см. рис. 4.10).
Рис. 4.10. Схема действия коробки передач (III передача)
Увеличение крутящего момента немного снизилось, но за счет инерции продолжаем легко разгоняться. Если на II передаче для движения с определенной скоростью использовались повышенные обороты двигателя, то теперь для движения с той же скоростью от двигателя требуются меньшие обороты и он не так напрягается.
И вот переходим на IV передачу. Внимание! В зацеплении оказываются одинаковые (или в некоторых коробках передач почти одинаковые) шестерни (см. рис. 4.11). Значит, с какой скоростью вращается входной вал коробки передач, с такой же скоростью вращается и ее выходной вал. Иногда говорят, что с такой скоростью вращаются и ведущие колеса. Это неверно. Дело в том, что на пути от коробки передач к ведущим колесам размещено еще одно механическое устройство — главная передача. В ней тоже есть малая (ведущая) и большая (ведомая) шестерни, а стало быть, обороты в этом устройстве вновь понижаются. Например, на переднеприводных автомобилях ВАЗ используются главные передачи с передаточным числом
Рис. 4.11. Схема действия коробки (IV передача)
3,706 или 3,937. А передаточное число — это отношение числа зубьев ведомой шестерни (у нас большей) к числу зубьев ведущей шестерни (у нас меньшей). На рис. 4.7 передаточное число равно 2 (40:20). Следовательно, обороты понизятся в количество раз, соответствующее передаточному числу.
В настоящее время все больше легковых автомобилей оснащают пятиступенчатыми коробками передач. Количество ступеней определяется по количеству передач, используемых для движения вперед. Значит, у таких автомобилей для движения вперед есть пять передач. Что же происходит при включении V передачи?
В этом случае в зацепление с хорошо нам известной маленькой шестерней вводят еще меньшую шестерню (с меньшим числом зубьев) — см. рис. 4.12. Теперь при тех же оборотах двигателя ведущие колеса вращаются еще быстрее. Иногда такую передачу называют повышающей. Однако интенсивно разогнаться или въехать в гору на ней не удастся В крутящем моменте при таком сочетании шестерен мы проигрываем. Но двигаться по прямой дороге с высокой скоростью и небольшими оборотами двигателя, экономя при этом топливо, вполне возможно.
Рис. 4.12. Схема действия коробки передач (V передача)
Коробки передач также принято классифицировать по количеству основных валов с шестернями. На заднеприводные легковые автомобили чаще всего устанавливают трехвальные коробки передач, крутящий момент передается двумя парами шестерен, а включение передачи заднего хода осуществляется с помощью шестеренки, установленной на еще одном (четвертом) валу (см. рис. 4.13). На переднеприводных автомобилях применяют двухвальные коробки передач (см. рис. 4.15). Теперь еще несколько слов о передаче заднего хода. Дело в том, что для того, чтобы поехать задним ходом, надо заставить вал, выходящий из коробки передач (от него крутящий момент передается к ведущим колесам), вращаться в другую сторону. Посмотрите внимательно на рис. 4.13 и 4.14. Чтобы заставить вторичный вал коробки передач вращаться в противоположную сторону, между ведущей шестерней промежуточного вала и ведомой шестерней вторичного вала помещают шестеренку передачи заднего хода. Обратите внимание на направление вращения валов без шестерни заднего хода и с ней. При наличии шестерни заднего хода вторичный вал коробки передач поменял направление вращения (см. рис. 4.14).
Рис. 4.13. Схема трехвальной коробки передач:
1 — картер сцепления; 2 — ведущая шестерня первичного вала; 3 — механизм выбора передач; 4 — рычаг переключения передач; 5 — ведомая шестерня заднего хода; 6 — промежуточная шестерня заднего хода; 7 — ведущая шестерня заднего хода; 8 — картер коробки передач
Рис. 4.14. Схема работы коробки передач (передача заднего хода)
Рис. 4.15. Передача крутящего момента в коробке передач переднеприводного автомобиля:
1 — дифференциал; 2 — привод левого колеса; 3 — главная передача; 4 — вторичный вал; 5 — первичный вал; 6 — привод правого колеса
На рис. 4.15 показана передача крутящего момента в коробке передач переднеприводного автомобиля.
Устройство четырехступенчатой коробки передач заднеприводного легкового автомобиля показано на рис. 4.13 и 4.14.
Еще раз напомним, что число ступеней соответствует числу передач, предназначенных для движения вперед. Обычно коробка передач состоит из следующих основных частей:
— картера;
— трех основных валов (первичного, вторичного и промежуточного);
— дополнительного вала заднего хода;
— зубчатых шестерен и колес;
— синхронизаторов;
— механизма переключения передач.
Шестерни коробки передач выполняются косозубыми, что снижает шум при их работе и повышает ресурс за счет увеличения пятна контакта в зацеплении. Коробки передач оборудованы синхронизаторами, позволяющими переключать передачи с минимальным усилием и не опасаться поломки зубьев шестерен (они выравнивают обороты шестерен, входящих в зацепление).
Как уже указывалось, для периодического разъединения и плавного соединения двигателя с коробкой передач и остальными элементами трансмиссии используется сцепление. На автомобилях с механической коробкой передач водитель включает и выключает сцепление, нажимая на педаль.
У автомобилей с так называемой автоматической коробкой переключения передач сцепление работает автоматически, а педаль сцепления отсутствует. В настоящее время существуют различные варианты автоматических коробок передач. Рассмотрим конструкцию наиболее часто встречающиеся из них.
В такой коробке сцепление заменяет гидротрансформатор, а механическая часть коробки представляет собой планетарную передачу, в которой все элементы находятся в постоянном зацеплении. Режимом работы планетарной передачи управляет электроника.
Схема гидротрансформатора показана на рис. 4.16. Коленчатый вал двигателя через маховик жестко связан с лопаточным колесом, называемым насосным. С ведомым валом соединено второе лопаточное колесо, называемое турбинным. Эти колеса могут вращаться, а между ними устанавливают еще одно лопаточное колесо, которое неподвижно. Его называют реактором. Насос, турбина и реактор выполнены с радиальным расположением лопаток. Гидротрансформатор на 85-90% заполняется специальной жидкостью. Двигатель вращает насосное колесо, которое направляет поток жидкости на турбинное колесо. Лопатки неподвижного реактора помогают направить поток жидкости вновь к насосному колесу, повышая эффективность работы, а главное, повышая крутящий момент.
Рис. 4.16. Схема гидротрансформатора:
а — схема гидродинамической передачи; б — детали гидротрансформатора; 1 — ведущий вал; 2 — роликовый подшипник; 3 — реактор (Р); 4 — турбинное колесо (Т); 5 — насосное колесо (Н); 6 — корпус гидротрансформатора; 7 — ведомый вал; 8 — маховик
Причем изменение момента на турбине от максимального значения до значения, равного моменту на насосе, происходит автоматически. При малом числе оборотов двигателя происходит значительное отставание вращения турбины от вращения колеса или так называемое проскальзывание. Это аналогично выключенному сцеплению. По мере увеличения числа оборотов двигателя проскальзывание уменьшается по аналогии с включением сцепления. Понять принцип работы гидротрансформатора будет легко, если вы вспомните, как в детстве дули на лопасти вертушки, заставляя ее вращаться. Здесь все очень похоже, только вместо воздуха-жидкость, а с ее помощью насосное колесо, приводимое в действие двигателем, «дует» на турбинное. Пока дует» слабо, т.е. двигатель работает на низких оборотах, турбинное колесо на это не реагирует (как будто сцепление выключено), а когда обороты двигателя увеличиваются, жидкость увлекает за собой турбинное колесо и вращение передается дальше (как будто сцепление включено). Итак, в автомобиле с автоматической трансмиссией гидротрансформатор заменяет сцепление.
На рис. 4.17 показана принципиальная схема автоматической коробки передач, состоящей из гидротрансформатора, планетарной передачи и системы регулирования переключения передач.
Рис. 4.17. Принципиальная схема автоматической коробки передач
Автоматической коробкой передач управляет процессор, объединенный с электронным блоком управления двигателем либо выделенный в автономный модуль управления. Автоматика в зависимости от условий движения выбирает определенный режим работы планетарной передачи. Не вдаваясь в подробности, скажем, что планетарная передача позволяет реализовать различные передаточные числа без перемещения шестерен по валам. Шестерни в планетарной передаче находятся в постоянном зацеплении, однако, затормаживая некоторые ее элементы или, наоборот, позволяя им вращаться, получают различные передаточные отношения. Водитель управляет автоматической коробкой передач с помощью рычага селектора (рис. 4.18). Чаще всего он расположен в том же месте, где и рычаг управления обычной коробкой передач. Рычаг селектора может занимать несколько положений. Рассмотрим те из них, которые, как правило, есть в любом автомобиле с автоматической коробкой передач.
Рис. 4.18. Вариант схемы управления автоматической коробкой передач: 1,3-для перемещения рычага селектора необходимо нажать кнопку перемещения рычага селектора; 2 — для перемещения рычага селектора кнопку блокировки нажимать не требуется
«Р» (паркинг) — парковка. Стояночное положение рычага переключения, фиксирующее ведущие колеса автомобиля в неподвижном состоянии, при этом в коробке передач включена «нейтраль».
При нахождении рычага селектора в этом положении пускается двигатель, а приехав к месту назначения, перед тем как заглушить двигатель, рычаг селектора переводят именно в это положение. Современные автомобили с автоматическими коробками передач оборудуют множеством систем, помогающих водителям управлять ими. Например, на многих автомобилях вы не сможете вынуть ключ из замка зажигания, пока не переведете рычаг селектора в положение «Р».
Рычаг селектора переключения оборудован кнопкой фиксатора, не позволяющего случайно перевести рычаг из одного диапазона в другой. Без снятия с фиксатора рычаг селектора может перемещаться только из диапазона «N» в диапазон «D» или в зависимости от модели коробки из положения «D» в положение «2». При автоматической трансмиссии пуск двигателя стартером возможен только в положении «Р» или «N».
Во избежание несанкционированного движения автомобиля заводите двигатель при нахождении селектора в положении «Р».
Для начала движения необходимо нажать на педаль тормоза и перевести рычаг в нужный диапазон. После характерного легкого толчка, информирующего о готовности автоматической коробки к началу движения, и некоторого снижения оборотов двигателя можно отпускать педаль тормоза. При этом автомобиль начнет движение.
Итак, подчеркнем, все переводы рычага управления коробкой передач перед началом движения должны производиться при нажатой педали тормоза.
«R» — задний ход. Диапазон движения автомобиля задним ходом.
«N» — нейтраль. Передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колесам нет. При этом ведущие колеса не заблокированы. Этот режим может использоваться для буксировки автомобиля. Однако будьте внимательны. Обычно завод-изготовитель оговаривает расстояние, на которое может буксироваться автомобиль с неработающим двигателем, либо указывает предельное время буксировки. Связано это с тем, что при неработающем двигателе не происходит охлаждение жидкости в системе автоматической коробки, что может привести к выходу ее из строя.
«D» или «3» — движение. Диапазон движения автомобиля вперед с автоматическим переключением передач с первой до максимальной (и наоборот).
«2» — двойка. Диапазон движения автомобиля вперед с автоматическим переключением только с I на II передачу (и наоборот).
«1» — единица. Диапазон движения автомобиля вперед только на I передаче без каких-либо переключений.
Итак, в автомобиле с автоматической коробкой передач есть только две педали: газа и тормоза. Ими управляет только правая нога. Левая нога в таком автомобиле всегда отдыхает. Правая рука также свободна от постоянного переключения передач: вы лишь переведете рукой рычаг селектора в необходимое положение.