Механическая трансмиссия

5.2.1 Элементы МКПП

Рассмотрим более подробно элементы механической трансмиссии автомобиля с классической компоновкой (если забыли, что такое компоновка, то вам стоит вернуться к главе 3 «Составные части автомобиля и компоновочные схемы»). Итак, трансмиссия при таком расположении агрегатов имеет следующие элементы (рисунок 5.1):

• сцепление;
• коробку передач;
• приводной вал с шарнирами;
• главную передачу вместе с дифференциалом.

Примечание
На изображении все элементы показаны схематически. С учетом того, что дифференциал находится внутри корпуса главной передачи, на рисунке 5.1 показана только главная передача.

Рисунок 5.1 Двигатель и составные части трансмиссии.

Внимание
Если автомобиль переднеприводный, то тяга от двигателя передается на передние колеса через два отдельных – правый и левый – приводных вала, которые с главной передачей и ступицами колес (о ступицах рассказано в главе «Ходовая часть») соединены шарнирно, о чем пойдет речь в разделе «Шарниры равных угловых скоростей». Такие же валы и шарниры установлены на автомобили с независимой подвеской задних ведущих колес, но об этом позже.
Стоит оговориться, что у полноприводных автомобилей – тех, у которых тяга от двигателя передается на все колеса – в трансмиссию включена еще и раздаточная коробка, о которой мы будем говорить ниже.

5.2.2 Назначение сцепления

Сцепление служит для временного отсоединения силовой передачи (тяги) от двигателя, а также для плавного их соединения. Отсоединение необходимо при остановке и торможении автомобиля и при переключении передач. Плавное соединение нужно при трогании автомобиля с места и после включения передач.

5.2.3 Устройство сцепления

Начальный и один из самых важных элементов всей механической трансмиссии — сцепление. Это муфта, которая предназначена для соединения и разъединения двух отдельных валов. Внешний вид обычного сцепления представлен на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 Сцепление.

Сцепление представляет собой два диска (показаны на рисунках 5.3 и 5.4): один из них — нажимной (ведущий), второй — ведомый. Нажимной диск установлен в кожухе на маховик, который, в свою очередь, крепится к коленчатому валу двигателя. Ведомый диск установлен на шлицы входного вала коробки передач и имеет возможность перемещаться по шлицам вала коробки.

5.2.4 Работа сцепления

На упрощенной схеме (рисунок 5.3) видно, что один диск сцепления соединен через кожух и маховик с коленчатым валом, а второй установлен на входном валу коробки передач. Также на данном рисунке (5.3) показано, что в кожух сцепления установлен прижимной (ведущий) диск, который имеет возможность перемещаться, так как крепится к диафрагменной пружине. Пружина эта, если посмотреть сбоку, имеет вид усеченного конуса с прорезями по всей окружности (пружину отчетливо видно на рисунке 5.2). Прорези образуют лепестки, при нажатии на которые весь этот «усеченный конус» будет выгибаться в обратную сторону. Вот и получается, что на концы лепестков давит выжимной подшипник, пружина выгибается, а так как к ее внешней окружности подсоединен прижимной диск сцепления, то он перемещается и высвобождает ведомый диск. В этот момент оба диска вращаются отдельно друг от друга, коленчатый вал вращается независимо от вала коробки передач, а значит, тяга на колеса не передается – сцепление выключено. Отпускаем плавно педали сцепления, выжимной подшипник отодвигается от диафрагменной пружины, та занимает свое исходное положение, прижимной диск плотно прижимает ведомый диск к маховику, соединяя тем самым коленчатый вал с валом коробки передач – сцепление включено.

Рисунок 5.3 Упрощенная схема конструкции сцепления.

Интересно
Если диски сцепления выполняют свою работу при сухих трущихся поверхностях, такое сцепление называется сухим. И наоборот, если рабочий процесс сцепления происходит в жидкостной ванне, то сцепление называется мокрым. Сцепление может быть однодисковым, двухдисковым и многодисковым. В данном случае определение зависит от количества ведомых дисков в сцеплении.
Привод выключения сцепления может быть тросовым или гидравлическим (в легковых автомобилях) и пневматическим или гидропневматическим (в грузовиках).
Также сцепление может быть механическим, полуавтоматическим и автоматическим.

Рисунок 5.4 Устройство однодискового сухого сцепления.

При плавном отпускании педали сцепления в начале движения, происходит плавное включение сцепления, то есть прижимной диск постепенно прижимает к маховику ведомый диск (ведомый диск немного пробуксовывает); число оборотов коленчатого вала значительно отличается от числа оборотов коробки передач, но тяга уже начинает передаваться, автомобиль начинает движение, а вы продолжаете отпускать педаль сцепления. Ведомый диск все плотней прижимается к маховику, обороты коленчатого вала и вала коробки передач уравниваются. При полном отпускании педали сцепления муфта сцепления как бы объединяет два вала и тяга от двигателя в полной мере передается на коробку передач, а от нее — на колеса.

Полезно знать
Если длительное время не отпускать педаль сцепления, ведомый диск начнет как бы выгорать, так как его рабочая поверхность — это специальные неметаллические фрикционные накладки, которые имеют свойство изнашиваться. При выгорании ведомого диска сцепления салон автомобиля наполняется характерным, довольно неприятным, запахом.

5.2.5 Механический привод выключения сцепления

Если привод механический, то все предельно просто (в подтверждение этому рисунок 5.5): к педали сцепления крепится трос, второй конец которого подсоединен к рычагу. Рычаг, в свою очередь, воздействует на выжимной подшипник, а далее процесс происходит, как описано выше.

Рисунок 5.5 Тросовый привод выключения сцепления.

5.2.6 Гидравлический привод выключения сцепления

Если привод гидравлический, то все немного сложнее (но не настолько, как может показаться, при взгляде на рисунок 5.6). Есть небольшой цилиндр с поршнем (называется «главный цилиндр гидропривода выключения сцепления»), который через шток соединен с педалью сцепления с одной стороны и почти такой же цилиндр с поршнем (его название — «рабочий цилиндр гидропривода выключения сцепления»), соединенным через шток с вилкой выключения, которая имеет возможность воздействовать на выжимной подшипник.

Сейчас более распространена конструкция, в который выжимной подшипник и цилиндр выключения сцепления объединены в один модуль. С точки зрения надежности — все хорошо, а вот касательно обслуживания системы все намного печальней, по сравнению с классической схемой гидропривода, что описана выше.

Рисунок 5.6 Гидравлический привод выключения сцепления.

5.2.7 Регулировка привода выключения сцепления

Будь то гидравлический или механический привод выключения сцепления, конструкторами закладывается возможность его регулировки, поскольку либо после разборки элементов трансмиссии, либо из-за чрезмерного износа ведомого диска сцепления может понадобиться регулировка.

Полезно знать
Чем позже начинает «хватать» сцепление, тем более изношен ведомый диск сцепления (если, конечно, не проводились какие-либо разборочносборочные работы коробки передач). Речь идет о том, что чем выше находится педаль сцепления (когда ее медленно отпускают) при трогании автомобиля с места, тем больший износ имеет ведомый диск сцепления. Если вы выжали педаль сцепления, без проблем включили передачу, начали плавно отпускать педаль и почти сразу же автомобиль начал движение, значит все в порядке.
Если передачи включаются нормально, но автомобиль не может толком заехать на небольшую возвышенность, обороты двигателя порой зашкаливают, а машина едет с несоответствующей данным оборотам скоростью и при этом салон наполняется едким характерным запахом горелых фрикционных накладок, значит сцепление «буксует», его пора заменить (или необходимо отрегулировать привод выключения сцепления).
Если передачи, наоборот, включаются очень туго, порой с ударом (если это не ГАЗ-53, конечно), или не включаются вовсе, причина, опять же, может крыться в сцеплении. Оно попросту полностью не выключается, то есть, диски не разъединяются и коленчатый вал фактически полностью не отсоединяется от вала коробки передач, в таком случае говорят, что сцепление «ведет». В таком случае, скорее всего, виноват привод выключения сцепления, который необходимо как можно скорее отрегулировать, в противном случае может выйти из строя коробка передач.

5.2.8 Коробка передач

Коробка передач (КП) — очень простой механизм, который состоит из корпуса (состоящего, в свою очередь, из нескольких частей) и валов с шестернями внутри оного. Тяга от двигателя с одной стороны коробки передач подводится, а с другой стороны уже увеличенная тяга передается далее на главную передачу и колеса.

5.2.9 Функции коробки передач

Коробка передач также служит для изменения тягового усилия на колесах автомобиля и для получения заднего хода и постоянного разъединения тяги двигателя от передачи на ведущие колеса. Данное разъединение необходимо для того, чтобы не удерживать педаль выключения сцепления постоянно выжатой.

Одной из функций коробки передач является приспосабливаемость. Суть ее такова: тяговое усилие на колесах, необходимое для преодоления всех сопротивлений, возникающих при движении автомобиля, должно изменяться в зависимости от условий работы автомобиля.

Если автомобиль движется по ровной дороге с небольшой скоростью, то тяга, требуемая для преодоления сопротивления воздуха и потерь на вращение колес и всех механизмов, будет небольшой. Для получения этого тягового усилия нужна только небольшая часть той мощности, которую двигатель может развивать. Весь избыток мощности двигателя накапливается, пока водителю не понадобится разгон автомобиля с целью получения более высокой скорости его движения.

Но, когда автомобиль движется по плохой дороге или на подъеме, сопротивление движению значительно увеличивается. Для преодоления этих сопротивлений тяговое усилие на ведущих колесах необходимо соответственно увеличивать. Также, когда автомобиль трогается с места, тяговое усилие на его колесах должно быть особенно большим, так как при этом требуется помимо сопротивления всех механизмов преодолеть еще и инерцию автомобиля, связанную с его массой.

Примечание
При определенной мощности двигателя, его крутящем моменте и количествах оборотов коленчатого вала различные тяговые усилия на ведущих колесах автомобиля могут быть получены путем изменения соотношения количества оборотов коленчатого вала двигателя и ведущих колес.
При уменьшении числа оборотов колес по сравнению с числом оборотов коленчатого вала тяговое усилие на колесах возрастает, однако при этом снижается скорость движения автомобиля (вспомним о примере с велосипедом). При увеличении числа оборотов колес тяговое усилие на них снижается, а скорость автомобиля может быть повышена.

5.2.10 Устройство коробки передач

Изменение соотношения между количествами оборотов коленчатого вала двигателя и ведущих колес и изменение вследствие этого тягового усилия на колесах производится при помощи зубчатых колес (шестерен), из набора которых и состоит коробка передач. Пример зубчатой пары, которая состоит из ведущей и ведомой шестерни, приведен на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 Набор шестерен (зубчатая пара)

При вращении малой ведущей шестерни (рисунок 5.7) сцепленная с ней большая ведомая шестерня будет вращаться медленнее во столько раз, во сколько раз больше число ее зубьев. При этом крутящий момент на оси ведомой шестерни во столько же раз возрастет.

Отношение числа зубьев (или диаметров) ведомой шестерни к числу зубьев ведущей называется передаточным числом (или передаточным отношением). Чем больше передаточное число пары, тем значительнее изменяются число оборотов валов шестерен и крутящий момент на них. На изменении передаточных чисел путем введения в зацепление шестерен с различным числом зубьев и основано действие коробок передач.

Еще одна из немаловажных функций коробки передач — обеспечение возможности автомобиля ехать задним ходом. Эта функция основана на включении между ведущей и ведомой шестернями промежуточной шестерни — так называемой «паразитной шестерни».

Так, при передаче усилия в коробке без включения паразитной (промежуточной) шестерни ведущий вал (рисунок 5.8) и ведомый вал вращаются в одном направлении. При включении паразитной шестерни ведомый вал начинает вращаться в обратную сторону, автомобиль движется назад.

Интересно
Передаточные числа никогда не бывают целыми числами. Вернее, при расчете передаточных чисел стараются их так подобрать, чтобы они не были целыми. Для наглядности стоит привести пример: есть две шестерни, мы берем маркер и ставим две метки — одну напротив другой, на обеих шестернях. Так вот, если передаточное число между этими шестернями будет равно, к примеру, трем, то ровно через три оборота метки, нанесенные на шестерни, снова встретятся. Так каждые три оборота зубья будут устанавливаться в исходное положение. Это приведет к тому, что одна пара зубьев будет нагружена больше остальных в три раза и, как результат, быстрее износится или вообще поломается. Именно поэтому при подборе передаточных чисел их стараются сделать не целыми.

Рисунок 5.8 Упрощенная схема одноступенчатой коробки передач.

5.2.11 Виды коробок передач

В настоящее время в легковых автомобиля применяются пяти- и шестиступенчатые механические коробки передач. Это говорит о том, что у коробки передач пять или шесть передач переднего хода и одна передача заднего хода.

Конструктивно различают двух- и трехвальные коробки передач.

В легковых автомобилях, предназначенных для передвижения по дорогам общего пользования, в коробке передач применяются шестерни с косыми зубьями (показана на Рисунке 5.9).

Данное зубчатое зацепление используется для уменьшения габаритов шестерни, повышения плавности и бесшумности работы, а также для снижения износа в коробках передач.

В автомобилях спортивных (если быть точнее — раллийных), где бесшумность — это последний в списке требований показатель, используются прямозубые шестерни (Рисунок 5.10).

Во всех механических коробках передач для облегчения переключения передач применяют специальные механизмы, так называемые синхронизаторы.

Примечание
На рисунке 5.11 представлен один из вариантов синхронизатора включения передач.

5.2.12 Двухвальные коробки передач

Примечание
Коробки передач такой конструкции зачастую применяются на автомобилях с передним приводом колес или с передним приводом с подключаемым задним мостом.

В данной конструкции имеется вал ведущий и вал ведомый. Ведущий вал через сцепление соединен с коленчатым валом. Шестерни на ведущем валу установлены жестко и входят в зацепление с шестернями на ведомом валу, вращение от которого, в свою очередь, передается на главную передачу и дифференциал, а оттуда — на колеса.

Примечание
На рисунке 5.12 приведен пример двухвальной коробки передач с указанием пути тяги от двигателя на главную передачу и колеса в зависимости от включенной в данный момент передачи.

Рисунок 5.12 Пример двухвальной коробки передач. Поток мощности при включении различных передач.

Преимуществом данной конструктивной схемы является компактность (в подтверждение слов рисунок 5.13), а также простота обслуживания и ремонта. Привод переключения передач в данном случае осуществляется тягами (устаревший способ привода) или тросами, которые с легкостью можно отрегулировать.

Рисунок 5.13 Разрез двухвальной механической коробки передач

5.2.13 Трехвальные коробки передач

Примечание
Трехвальные КП получили широкое применение в автомобилях с продольным расположением силового агрегата, где необходимо было сделать так, чтобы выходной вал вращался в ту же сторону, что и входной.

Особенностью конструкции данной коробки передач является наличие трех валов:

• входного (ведущего);
• промежуточного;
• выходного (ведомого).

Входной вал соединяется через сцепление с коленчатым валом. Тяга от входного вала далее через шестерни передается на промежуточный вал, а от него — на вал выходной, затем — к главной передаче и колесам.

Примечание
На рисунке 5.14 представлен пример конструкции и потока мощности при включении различных передач в трехвальной коробке передач.

Рисунок 5.14 Пример трехвальной коробки передач. Поток мощности при включении различных передач.

5.2.14 Трехвальная коробка передач с двумя выходным валами

Чтобы сделать коробку передач максимально компактной, производители идут на различные конструкторские ухищрения. Одним из таких ухищрений является использование в конструкции двух выходных валов. Приводятся оба ведомых вала от одного входного вала и передают далее тягу через шестерни на главную передачу (пример приведен на рисунке 5.15). Все передачи синхронизированы (то есть для включения передач используются синхронизаторы). Долговечность и компактность – основные преимущества данной схемы расположения элементов коробки передач. Все дело в том, что нагрузка, которая в двухвальной коробке передач приходится на один выходной вал, в трехвальной распределяется на два вала.

Рисунок 5.15 Пример трехвальной коробки передач с двумя выходными валами.

5.2.15 Секвентальные коробки

Хочется упомянуть и секвентальные коробки передач (пример которой приведен на рисунке 5.16). В этих коробках передач можно переключать передачи исключительно последовательно и поочередно. От коробки передач классического типа такая коробка отличается принципом работы механизма переключения передач. Такой механизм крайне целесообразно использовать, когда к рычагу переключения требуется тянуться ногой (например, на мотоцикле) или когда необходимо максимально быстро переключать передачи (например, на спортивном автомобиле).

Механизм переключения передач может быть как прямого действия, например на мотоциклах, так и с сервоприводом (автоматизированным или неавтоматизированным).

Рисунок 5.16 Секвентальная коробка передач.

5.2.16 Назначение раздаточной коробки

Если на легковом автомобиле тяговое усилие от двигателя необходимо передать не на одну, а на обе оси, то есть сделать его полноприводным, то возникает вопрос – каким образом? Решением сего задания есть установка промежуточного механизма – раздаточной коробки. Механизм этот занимается тем, что распределяет тяговое усилие от двигателя на передней и задней оси. Раздаточная коробка устанавливается сразу после коробки передач. На рисунке 5.17 приведен пример устройства раздаточной коробки.

Раздаточные коробки могут быть одноступенчатыми или с понижающим рядом.

Рисунок 5.17 Пример раздаточной коробки.

Примечание
Выходной вал коробки передач соединен со входным валом раздаточной коробки. У раздаточной коробки есть два выходных вала: один — на задний мост, другой – на передний. Так вот, если есть возможность сделать так, чтобы количество оборотов выходных валов раздаточной коробки было меньше количества оборотов выходного вала коробки передач, значит говорят, что в раздаточной коробке есть понижающий ряд.

Существуют раздаточные коробки с возможностью полного отключения переднего или заднего моста.

Управление раздаточной коробкой может осуществляться непосредственно приводным рычагом или с помощью сервомеханизмов, действия которых подконтрольны небольшим переключателям на центральной консоли или на приборной панели.