#читайдома: как работает автомобильная коробка передач

Мы уже рассказывали о том, как действует двигатель внутреннего сгорания. Пора посмотреть, как устроен и работает агрегат, помогающий передавать энергию двигателя колёсам, — коробка передач. Садитесь поудобнее: сейчас всё расскажем.

Сегодня в автомобилях используют коробки передач разных типов, радикально отличающихся по конструкции — каждая со своими достоин­ствами и недостатками. Но для начала давайте ответим на самый важный вопрос...

Зачем вообще автомобилю нужна коробка передач?

Из-за особенностей работы ДВС. При низких оборотах ему не всегда хватает сил (крутящего момента) вращать колёса и двигать автомобиль. Чтобы помочь мотору, нужно дать ему возмож­ность при маленькой скорости движения машины крутиться быстрее — для этого двигатель соединяют с колёсами через передачу.

Простейшая передача — это две шестерни разного размера, сцеплен­ные зубьями. Пред­ставьте, что у одной зубьев в три раза больше, чем у другой. Тогда за один оборот большой шестерни малая сделает уже три оборота. И напротив, соединив двигатель с маленькой шестернёй, а колёса — с большой, мы заставим их крутиться в три раза медленнее коленвала. Ещё один плюс: крутящий момент, вращающий колёса, тоже будет в три раза выше крутящего момента двигателя.

Но когда скорость автомобиля возрастёт вдвое, обороты мотора увеличатся уже в шесть раз. А он не может вращаться слишком быстро — топливо просто не будет успевать сгорать. Поэтому по мере разгона двигателю потребуется другая пара шестерён — с менее кардинальной разницей в количестве зубьев (её называют пере­даточным отношением). В совре­менных легковых автомобилях 5–6 разных передач (или ступеней), а у некоторых и девять. А коробка передач — это агрегат, в котором все они собраны вместе.

То есть коробка передач — это просто набор шестерён?

И да, и нет. В реальности всё сложнее. Помимо самих передач нужны ещё механизмы, которые позволяют эти передачи менять. Да и шестерни — лишь один из видов передач. За сто с лишним лет существо­вания автомобилей придумано множество механизмов — от простейших шкивов, между которыми пере­брасывался приводной ремень (подобно тому, как это делается с цепью на велосипедах), до совсем экзотических конструкций. И сегодня в автомобилях используют четыре типа коробок передач: механическую, гидро­механическую, роботизи­рованную и вариатор. Каждая работает по-своему.

Устройство механической коробки передач ближе всего к примеру, который мы рас­смотрели в самом начале. Передачи в ней — это как раз пары шестерён: ведущая плюс ведомая, с разными пере­даточными отношениями. Все ведущие шестерни насажены на входной вал от двигателя, а ведомые — на выходной, передающий крутящий момент колёсам. Но первые жёстко соединены с валом, а вторые могут свободно вращаться независимо от вала.

Если ведомую шестерню (на рисунке они внизу) любой из передач всё-таки зафикси­ровать на валу — жёстко с ним связать, то двигатель будет крутить колёса с соответ­ствующим передаточным отношением. 

Для фиксации шестерён на выходном валу в коробке передач применяются зубчатые муфты, которые могут двигаться вдоль его оси. Водитель, выжимая сцепление, отсоединяет входной вал (а с ним и ведомые шестерни) от двигателя. Потом водитель рычагом включает передачу — сдвигая муфту к нужной шестерне. Между шестернёй и муфтой есть ещё фрикци­онное кольцо — синхрони­затор. Движение муфты заставляет его прижиматься к шестерне и тормозить её или разгонять до скорости вращения вала. Когда скорости вращения шестерни и муфты выравнива­ются, муфта своими зубцами соединяется с шестернёй и передача включается. Водителю остаётся только аккуратно отпустить сцепление, снова подключив коробку передач к мотору.

Как устроен задний ход? Чтобы автомобиль поехал назад, выходному валу коробки нужно начать вращаться в обратную сторону. Для этого шестерни на входном и выходном валах просто соединяются ещё одной, промежуточной. А поскольку задний ход мы включаем на неподвижном авто­мобиле (когда валы в коробке не крутятся), заднему ходу не требуются синхронизатор и муфта. Обычно двигается вдоль своей оси сама промежуточная шестерня, цепляясь зубцами за остальные. 

Поначалу точно так же, кстати, работали все передачи на первых механи­ческих коробках в автомобилях — но на ходу включить их было намного труднее синхрони­зированных, повышался износ зубьев. Так появились те коробки передач, которыми мы привыкли пользоваться сегодня.

Со временем инженеры захотели облегчить водителям жизнь, переложив работу со сцеплением и пере­ключением передач на автоматику. Так появились роботи­зированные коробки.

Самый простой вариант «робота» — это обычная механическая коробка, в которой муфты пере­мещаются с помощью серво­приводов по команде электроники. Другие серво­приводы в нужный момент выжимают и отпускают сцепление. Но на практике в простейших «роботах» электроника пере­ключает передачи как водитель-новичок — грубо и медленно.

Куда лучше работают преселективные роботизиро­ванные коробки. В них передачи включаются так же — муфтами с синхрони­заторами, а крутящий момент пере­даётся шестернями от входного вала к выходному. Только в преселективной коробке использу­ется четыре вала. На одной паре стоят шестерни чётных передач, на второй – нечётных. Сцеплений тоже два, каждое для своего входного вала. Если совсем грубо, то пресе­лективная роботизи­рованная коробка — это две обычные коробки, совмещённые в одной.

Как это работает? Пока автомобиль едет, например, на третьей передаче, автоматика заранее (отсюда и название «преселективная») включает четвёртую передачу — если машина разгоняется, или вторую — если автомобиль замед­ляется. При этом сцепление, которое связано с «чётным» валом, разомкнуто, и связи с двигателем у этой части коробки нет. Переход с третьей на четвёртую передачу происходит в момент, когда отключа­ется одно сцепление и одно­временно включается второе. После чего на недействующем теперь «нечётном» ведомом валу запускается пятая (или первая) ступень, и в нужный момент рокировка сцеплений происходит вновь. Смыкать и размыкать сцепления электроника умеет быстро и почти незаметно для водителя, поэтому и смена передач здесь молниеносная и практически без разрыва тяги. 

Вот почему такие коробки стали часто использоваться на спортивных автомобилях.

Коробка, которую в просторечии называют «автомат», потому что она тоже переключает ступени без участия водителя. Но основа её конструкции — не пары шестерён, а планетарный редуктор, который устроен сложнее (смотрите рисунок). В нём есть центральная (солнечная) шестерня, коронная шестерня — кольцо с зубцами на внутренней поверх­ности, и несколько сател­литов — маленьких шестерён, которые сцеплены одно­временно с солнцем и с короной. Оси вращения сателлитов соединены между собой ещё одной деталью — водилом. При этом солнечная, коронная шестерня и водило могут вращаться вокруг одной воображаемой оси.

Уникальность планетарного редуктора в том, что его пере­даточное отношение не фиксированное, как у простейшей передачи с двумя шестерёнками, а может меняться — в зависи­мости от того, как вращаются его части. Когда коронная шестерня неподвижна, водило крутится в несколько раз медленнее солнечной. Но если и корона начнёт вращаться в ту же сторону, пере­даточное отношение от солнца к водилу будет уменьшаться — и когда корона «догонит» остальных, оно станет равным единице. А дальше с ростом её скорости передача станет повышающей, то есть выходной вал начнёт крутиться быстрее входного!

И если передавать вращение от входного вала коробки передач к выходному через несколько таких «планетарок», соединяя разные их части в разных комби­нациях — и, за счёт этого, заставляя их крутиться с разными скоро­стями, то получится коробка с несколькими передачами. Можно даже заставить выходной вал вертеться в противо­положную сторону — для заднего хода. Причём для 6-сту­пенчатого «автомата» достаточно всего трёх планетарных редукторов, а с четырьмя уже можно сделать 10 передач!

Однако в «автомате» намного сложнее, чем в «механике», переключать передачи — поэтому этим и занимается автоматика, а не человек. Для каждой передачи есть своя комбинация деталей, которые нужно соединить между собой. Или с корпусом коробки, остановив их вращение. Для этого в автомати­ческих коробках передач используются много­дисковые фрикционные муфты, которые работают по тому же принципу, что и сцепление: когда «бутер­брод» из дисков сжимается, те перестают проскаль­зывать друг относительно друга – и скорости вращения деталей, с которыми диски соединены, выравниваются. Муфты в традиционном «автомате» сжимаются под давлением масла — а это давление создаёт насос с приводом от двигателя. Когда и к какой муфте подать масло, решает электроника, открывающая разные клапаны в гидроблоке и направляя жидкость по разным каналам.

Фрикционные муфты срабатывают плавнее зубчатых и не требуют, чтобы мотор при пере­ключении передач полностью отключался от коробки. Поэтому и крутящий момент от двигателя передаётся коробке передач не сцеплением, а гидротранс­форматором — из-за него коробку и называют гидромеханической. В гидро­трансформаторе есть три соосных колеса с лопатками как у турбины: ведущее, вращающееся вместе с мотором, ведомое, соединённое с входным валом «автомата», и так называемый реактор, который может быть неподвижным или свободно вращаться в одном направлении. Простран­ство между этими колёсами заполнено маслом. Лопатки ведущего колеса закручивают поток масла, в реакторе поток меняет своё направ­ление и, в свою очередь, раскручивает ведомое колесо. Жёсткой связи между двигателем и коробкой нет, поэтому «автомат» переключается плавно, без грубых рывков и ударов.

Это, пожалуй, самая сложная по устройству коробка передач, используемая в автомобилях. И если раньше «автоматы» не любили за медли­тельность и низкую эффектив­ность (часть энергии двигателя тратилась на бесполезное пере­меши­вание масла в гидротранс­форматоре), то сегодня этот тип трансмиссий вплотную приблизился к традици­онным механическим коробкам передач по эффектив­ности, и к роботизированным — по скорости смены передач.

А в вариаторе вообще нет передач, из-за чего его называют бесступенчатой трансмиссией. Точнее, передача как бы и есть, но всего одна, зато с изменяемым пере­даточным числом. А крутящий момент передаётся с ведущего вала на ведомый не через непосред­ственное зацеп­ление вращающихся шкивов, а посредством соединяющего их ремня. Подобно тому, как работал ножной привод швейной машинки у наших бабушек.

Но и шкивы, и ремень у вариатора непростые. Каждый шкив — это два конуса на одном валу, обращённые вершинами друг к другу. Зазор между ними, в котором находится ремень, может меняться — становиться больше или меньше. Если конусы раздвинуть, ремень окажется ближе к оси их вращения и при вращении шкива будет двигаться по малому радиусу. И наоборот, при сближении конусов ремень будет вытесняться наружу и радиус увеличится.

Разница в радиусах на ведущем и ведомом валах и определяет передаточное отношение ременного привода. Таким образом, его можно менять — сдвигая конусы на одном валу и одновременно раздвигая на другом. Главное, чтобы ремень на шкивах не проскаль­зывал — для этого он набран из множества поперечных металли­ческих пластинок, соединённых в петлю стальными же лентами. Иногда вместо ремня используют специальную цепь, но принцип работы вариатора это не меняет.

Конусы сдвигаются-раздвигаются примерно также, как сжимаются фрикци­онные муфты в «автомате» — давлением масла, которое регулирует электроника. Есть у вариатора и другие общие с гидро­механической коробкой узлы. Например, гидротранс­форматор, который позволяет автомобилю с вариатором трогаться и останав­ливаться. Или планетарный редуктор — для включения заднего хода. 

Сегодня вариатор часто применяют на недорогих автомобилях в качестве более доступной альтернативы традици­онным автоматическим коробкам передач. 

Так какая из коробок лучше?

Однозначного ответа на этот вопрос нет, поэтому они сегодня и существуют в авто­мобильном мире параллельно. Одна работает очень плавно, но имеет меньше КПД — а значит автомобиль с ней расходует больше топлива. Другая пере­ключается быстро и потерь в ней минимум — но слишком дорога и не очень надёжна. У каждой есть свои достоин­ства и недостатки. Автопроизво­дитель, решая, какую коробку поставить на будущий авто­мобиль, учитывает много разных факторов: его цену, условия эксплуатации и даже вкусы покупателей. Расскажите, какую коробку предпочитаете вы и почему?