Как это работает: механическая коробка передач

Механическая коробка переключения передач (МКПП) — в английском языке, на котором она именуется как Manual Gearbox (ручная коробка передач), принцип ее работы передается яснее, ведь и роботизированные, и автоматические коробки также состоят из механизмов, а значит, тоже могут считаться механическими. Основное различие заключается как раз в принципе переключения передач, который в механике осуществляется в прямом смысле руками.

Перед тем как приступить к инженерной «каше» из шестеренок, валов, муфт да синхронизаторов обратимся к основам. Итак, коробка переключения передач — механизм связывающий двигатель и ведущие колеса. Конечно, двигатель и колеса можно соединить напрямую, но идея эта, мягко говоря, не совсем удачная.

Во-первых, в реальных условиях приходится ездить не только передом, но и задом, а значит, нужно как-то управлять направлением вращения колес. Во-вторых, основными характеристиками двигателей внутреннего сгорания являются максимальная мощность и пиковый крутящий момент, которые вовсе не сидят и ждут, чтобы по нажатию педали газа отдаться первому водителю. Коробка передач как раз и является тем сачком, которым отлавливаются и необходимая мощность, и необходимая тяга двигателя. В-третьих, диапазон частоты вращения оборотов двигателя может колебаться от 500 до 9000 об/мин, а вот частота вращений ведущих колес — от 0 до 1800-2000 об/мин. Получается, из-за разницы в оборотах их напрямую и не соединишь вовсе. Вот для этого-то и нужна коробка переключения передач.

Первую так называемую «зубчатую» (с зацепляющимися шестеренками) коробку передач создал французский инженер Эмиль Левассор. В 1891 ее установили на автомобиль Panhard et Levassor. Но по-настоящему популярной коробку передач сделал другой француз, Луи Рено, который 24 декабря 1898 года на спор взобрался на своей модели Voiturette (на фото) вверх по крутой парижской улице на Монмартре, умело управляя не только колесами, но и коробкой передач. В тот же день он получил первые 12 заказов на автомобиль и коробка передач, что называется, пошла в серию.

Теперь рассмотрим, а что же скрывается за самим понятием «передача»? Мы уже выяснили, что в общем и целом речь идет о передаче крутящего момента двигателя на колеса. Но тогда возникает закономерный вопрос: а зачем этих самых передач делают не одну, а четыре, пять и даже шесть?

Все дело в несовершенстве самих двигателей внутреннего сгорания, которые за полтора века обзавелись уже и инжекторами, и системами изменения фаз газораспределения, и турбонагнетателями, но все равно по принципу троллейбуса работать не хотят. Другими словами, если передаваемое двигателем усилие на колеса было бы постоянным, то всегда приходилось бы чем-то жертвовать: или динамикой разгона, или максимальной скоростью. Эту дилемму как раз и решают многоступенчатые коробки, которые по сути представляют собой набор разных передаточных чисел. И вот тут-то мы и подошли к устройству механической коробки передач.

В принципе, ничего сложного в ее конструкции нет, а если использовать наглядное схематическое изображение, то все становится и вовсе проще паренной репы. Механика состоит из двух валов, на каждом из которых крепятся шестерни. Первый вал (ведущий) через сцепление соединяется с двигателем, а второй (ведомый) — с колесами.

В упрощенном варианте все выглядит примерно так: шестеренки ведущего вала постоянно крутятся вместе с ним, то есть закреплены к валу намертво. Шестерни же ведомого вала в обычном (нейтральном) состоянии прокручиваются относительно его оси, оставляя при этом сам вал недвижимым. Для того, чтобы вторичный вал начал крутиться и передавать крутящий момент на колеса, на него крепятся зацепляющие муфты, которые нередко называют синхронизаторами, поскольку помимо блокировки шестерни они также уравнивают крутящие моменты между шестеренкой и валом, делая переключение передачи плавным и безболезненным для механизмов.

Муфты крепятся к ведомому валу с помощью внутренних шлиц, которые позволяют им двигаться вдоль вала. Каждая муфта в свою очередь крепится на вилке, а последняя — на ползуне. Рычаг коробки передач, как известно, двигается влево/вправо, вперед/назад. Вот и получается, что поперечным перемещением мы выбираем нужную вилку ползуна, а продольным — перемещаем муфту и выбираем нужную передачу, то есть блокируем шестерню вторичного вала, которая и начинает его раскручивать.

В большинстве автомобилей с механикой применяются селекторные коробки передач, в которых рычаг переключения перемещается по Н-алгоритму, но сами передачи могут находится в разных местах — тут автопроизводители пока разошлись во мнениях. Центральное положение рычага фиксируется с помощью пружин и соответствует нейтральной передаче. К примеру, для того, чтобы выбрать первую передачу, необходимо предварительно выжать сцепление, перевести рычаг в крайнее левое положение, затем переместить его вперед. Зачастую в этой же плоскости (на этой же вилке) находится и вторая передача, для включения которой рычаг необходимо просто перевести в левое нижнее положение. Обычно схема переключения нарисована на набалдашнике рычага. Удобство Н-алгоритма переключения заключается в том, что водителю удобно перескакивать передачи. Он может, например, с четвертой перейти сразу на вторую или с третьей — на пятую.

Первую передачу можно сравнить со спринтером, а пятую — с марафонцем. Другими словами, первой передаче хватит силенок тронуть машину с места и очень быстро разогнать ее, но уже где-то на отметке в 35 км/ч стрелка тахометра упрется в красную зону, то есть мотор раскрутится до максимальных оборотов. С пятой передачей все в точности до наоборот: тронуться и быстро ускоряться на ней не получится, зато именно на ней можно достичь максимальной скорости. Тут инженерам главное правильно подобрать передаточные числа, которые определяются количеством зубьев на соединенных шестеренках первичного и вторичного вала. Например, если на ведущей шестеренке 20 зубьев, а на ведомой их 60, то вторичный вал будет крутиться в три раза медленней (60:20=3). Но в то же время крутящий момент в таком случае будет увеличен в три раза, а значит на столько же будет улучшена и тяговитость.

А если сделать все наоборот: на ведущей шестеренке количество зубьев увеличить до 60, а на ведомой уменьшить до 20? В таком случае вторичный вал, передающий крутящий момент на колеса, будет крутиться в три раза быстрее первичного вала, получающего через сцепление крутящий момент от двигателя, но и тяговитость окажется в три раза хуже.

Вот и получается, что если на первой передаче достигнуть ее предельной скорости получится буквально за несколько секунд, то на пятой этот процесс растянется на десятки секунд. Конечно, не стоит принимать приводимые примеры буквально, ведь время разгона зависит от пикового крутящего момента, который у разных моделей тоже разный.

В переднеприводных машинах применяются двухвальные коробки передач, но в заднеприводных могут устанавливаться и трехвальные, структура которых изображена на рисунке. Как видим, на самом деле «суповой набор» коробки передач гораздо сложнее, чем мы его представили в упрощенной иллюстрации, и помимо валов, шестеренок и муфт включает также разные подшипники, втулки и уплотнители. Набор «специй» у каждого производителя отличается, но принцип работы от этого не меняется.

Альтернативой механическим (ручным) коробкам передач являются автоматизированные, в которых непосредственным переключением передач заведует не человек, а специальные механизмы. Все они делятся на следующие виды:

• гидротрансформаторные;
• роботизированные;
• вариаторные.

Существование и популярность автоматизированных коробок (например, в США автоматы выбирают около 90% автомобилистов) говорит о том, что у «механики» есть не только достоинства, но и недостатки. Примечательно, что и к первым и ко вторым относится сам процесс переключения. Ведь для того, чтобы сменить передачу, вначале необходимо выжать педаль сцепления, а затем нужно оторвать руку от руля и перевести рычаг к передаче. Для опытных водителей ничего сложного, но у начинающих могут возникать трудности. Да и в пробке постоянно переключаться с нейтральной передачи на первую и наоборот — тоже весьма сомнительное удовольствие.

Но у МКПП есть и ряд несомненных плюсов:

• передачи переключаются исключительно по веленью и хотенью водителя. Механика позволяет сменить передачу в удобный и подходящий момент. При необходимости на ней можно «подержать» передачу или проехаться накатом, а еще с помощью механики можно эффективно тормозить двигателем в скользкий зимний период, вовремя переключая ступени коробки вниз. До недавнего времени исполнять такое автоматизированные трансмиссии не умели. Да и сейчас далеко не все они обучены подобным приемчикам;
• застряв, к примеру, на снегу, на механике можно попробовать тронуться «в раскачку», быстро переключаясь между первой и задней передачами. На всякого рода автоматах провернуть то же самое хоть и возможно, но сложнее, поскольку подобное переключение забирает больше времени;
• и наконец, МКПП проста в конструкции, обслуживании и ремонте, а также существенно дешевле своих автоматизированных аналогов. Если в представительских автомобилях о механике уже давно забыли, то в бюджетном сегменте разница в стоимости между машиной с автоматической и ручной коробкой является серьезным аргументом в пользу последней.