Починаючи розповідь про коробку передач, варто коротко розібратися – а навіщо взагалі вона потрібна? Адже всім відомо, що головне в автомобілі – двигун, так невже не можна безпосередньо передати виконувану ним роботу на колеса, не вигадуючи складних схем з купою шестерней, третьою педаллю в салоні і важелем, який треба постійно переключати? На жаль немає.
Початок
Для відповіді на це очевидне запитання найкраще подивитися на велосипед, точніше, його еволюцію. Найпростіший варіант являє собою дві зірочки, пов’язані ланцюговою передачею. Обертаючи одну – ведучу – зірочку за допомогою педалей, водій надає руху другій – веденій, яка пов’язана безпосередньо з колесом, таким чином обертаючи його. Велосипед рухається вперед, всі щасливі і задоволені. По крайній мірі, були до певного моменту – до тих пір, поки велосипед служив для переміщення по відносно рівним і горизонтальних поверхнях. Раптово з’ясувавши, що часом на шляху зустрічаються підйоми та інші незручності, люди задумалися про вдосконалення конструкції. Результатом стало саме те, що можна назвати прообразом механічної коробки передач – набори зірочок спереду і ззаду, що дозволяють змінювати передаточне співвідношення.
Передаточне співвідношення отримується при розподілі швидкості ведучої зірки на швидкість веденої, тобто кількості їх оборотів. Простіше кажучи, чим менша ведуча зірка і більша ведена, тим легше буде її крутити і тим повільніше вона буде рухатися. Знову згадуємо старі велосипеди: спереду педалями доводилося обертати велику зірку, в той час як зірочка на задній втулці була маленькою. В результаті, намагаючись в дитинстві рушити на такому велосипеді, доводилося всією вагою налягати на педалі, щоб провернути заднє колесо.
До чого тут велосипед? Якраз до того, навіщо потрібна коробка передач взагалі: адже характеристики джерела енергії, будь то велосипедист або двигун внутрішнього згоряння, постійні. Перший розвиває певну м’язову силу, обмежену фізичними можливостями, а для другого можливості виражаються кількістю оборотів. Справа в тому, що в їх робочому діапазоні просто не можна підібрати таке передаточне співвідношення, яке дозволить і впевнено рушити з місця, і розігнатися до 150 і більше кілометрів на годину. Ситуація ускладняється тим, що якщо у велосипедиста максимальний «крутний момент» доступний практично «з холостих обертів», то з ДВС ситуація інша: для його досягнення обороти повинні бути досить високими. Який з цього висновок? Доведеться вдаватися до того ж прийому, що і на велосипеді: змінювати передаточне співвідношення. Між чим і чим? Зараз розберемося.
А тепер – до самої коробки передач
Принципово від велосипедної трансмісії автомобільна коробка передач відрізняється типом приводу: якщо в першій використовується ланцюг, то друга має в своїй основі шестерінчастий механізм. В цілому ж суть у них одна: і там, і там шестерні (зірки) мають неоднакові розміри, забезпечуючи різне передаточне співвідношення. До речі, спочатку, в КПП вони були простими прямозубими, а пізніше стали косозубими, так як в цьому випадку забезпечується більш тиха їхня робота.
У загальному вигляді механічна коробка передач являє собою набір паралельних валів, на яких «нанизані» шестерні. Їх завдання – передати крутний момент з маховика двигуна на колеса. У класичному випадку для цього використовується або два, або три вала. Розглянемо трьохвальний варіант, від якого буде простіше перейти до двохвального.
Отже, в трьохвальному варіанті є первинний, вторинний і проміжний вали. Перші два при цьому розташовані на одній осі, будучи ніби продовженням одна одної, але незалежні і обертаються окремо, а третій фізично розташовується під ними. Первинний вал короткий: одним кінцем він через зчеплення з’єднаний з маховиком двигуна, тобто приймає з нього крутний момент, а на другому кінці розташована одна-єдина шестерня, передає цей момент далі, на проміжний вал. Він, як ми пам’ятаємо, знаходиться нижче провідного і являє собою вже довгий стрижень з шестернями на ньому. Їх кількість збігається з кількістю передач, плюс одна для з’єднання з первинним валом.
Шестерні на проміжному валу жорстко закріплені, часто вони виточуються з єдиної металевої заготовки. Їх можна назвати провідними (хоч і приводяться в рух вони через первинний вал). Постійно обертаючись, вони передають крутний момент на ведені шестерні вторинного валу (їх тут, до речі, вже рівно стільки ж, скільки передач). Цей третій вал схожий з проміжним, але головна відмінність в тому, що шестерні на ньому є рухомим елементом: вони не пов’язані з валом жорстко, а нанизані на нього і обертаються на підшипниках. При цьому повздовжнього переміщення вони не мають, розташовані строго навпроти шестерней проміжного вала і обертаються разом з ними (хоча існує й інший варіант, коли шестерні можуть рухатися уздовж вала). Одним кінцем вторинний вал, як ми пам’ятаємо, звернений до первинного, а другий служить вже безпосередньо для передачі крутного моменту на колеса – наприклад, через кардан і редуктор заднього моста.
Отже, ми отримали конструкцію, де первинний вал при зімкнутому зчепленні обертає проміжний, а той – одночасно всі шестерні на вторинному валу. Однак сам вторинний вал як і раніше нерухомий. Що потрібно зробити? Включити передачу.
Включення передачі
Включення передачі означає з’єднання однієї з шестернею вторинного вала з ним самим, щоб вони почали обертатися разом. Здійснюється це так: між шестернями розташовуються спеціальні муфти, які можуть переміщатися уздовж вала, але обертаються разом з ним. Вони виконують роль «замків», за допомогою зубчастих вінців на своїх дотичних торцях жорстко з’єднують вал з шестернею, до якої примикає муфта. Вона приводиться в рух виделкою – такою собі «рогаткою», яка, в свою чергу, з’єднана з важелем КПП – тим самим, яким орудує водій. Привід КПП може бути різним: важільним (з використанням металевого вала), тросовим і навіть гідравлічним (такий використовують на вантажівках).
Тепер картинка більш-менш склалася: пересунувши муфту до однієї з шестерней вторинного вала і замкнувши їх, ми добиваємося обертання валу і, відповідно, передачі крутного моменту на колеса. Але тут є ще кілька «фішок», про які потрібно згадати.
Синхронізатори
Для початку уявімо собі перемикання передачі при русі автомобіля. Муфта, відходячи від шестерні, розблокує її і піде до сусідньої (або ж в справу вступить інша муфта, між іншими шестернями). Здавалося б, ніяких проблем тут немає. Однак все не так гладко: адже муфта (і, відповідно, вторинний вал) тепер має одну швидкість обертання, задану попередньою шестернею, а шестерня наступної передачі – іншу. Якщо просто різко поєднати їх, відбудеться удар, який, хоч і моментально зрівняє швидкості, нічого доброго не принесе: по-перше, шестерні та їх зуби можуть банально пошкодитися, а по-друге, перемикати передачі таким чином – взагалі не найкраща справа. Як же бути? Відповідь проста: перед включенням передачі швидкості руху шестерні і муфти потрібно синхронізувати.
Для цих цілей використовуються деталі, іменовані синхронізаторами. Принцип їх роботи простий настільки ж, наскільки і їх назва. Для синхронізації швидкостей двох обертових вузлів використовується найпростіше рішення: сила тертя. Перед тим, як увійти в зачеплення з шестернею, муфта підходить до неї впритул. Контактна частина шестерні має конічну форму, а на муфті розташований у відповідь конус, на якому встановлено бронзове кільце (або кілька кілець, так як ці деталі, як можна зрозуміти, піддаються основному зносу). Притискаючись до зубчастого колеса через цю «прокладку», муфта розганяє або гальмує його до своєї швидкості. Далі все йде вже як по маслу: оскільки тепер дві деталі нерухомі відносно один одного, муфта легко, плавно, без ривків і поштовхів входить в зачеплення з шестернею за допомогою зубчастих вінців, розташованих в зоні сполучення, і вони продовжують рух разом.
Пряма і повишена передачі
Уявімо собі, що, поступово розганяючись, ми досягли такої швидкості руху автомобіля, при якій двигун в змозі забезпечити те, про що ми говорили на самому початку, – безпосереднє обертання коліс без допомоги додаткових шестерней. Яке рішення цього завдання буде найбільш простим? Згадуючи, що первинний і вторинний вал в трьохвальній КПП розташовуються на одній осі, ми приходимо до простого висновку: потрібно з’єднати їх безпосередньо. Таким чином ми домагаємося бажаного результату: швидкість обертання маховика двигуна збігається зі швидкістю обертання вторинного валу, безпосередньо передає крутний момент на колеса. Ідеально! При цьому передаточне співвідношення, очевидно, становить 1:1, тому така передача називається прямою.
Пряма передача є дуже зручною і вигідною: по-перше, мінімізуються втрати енергії на обертання проміжних зубчастих коліс, а по-друге, самі колеса набагато менше зношуються, так як на них не передається ніякого зусилля. Однак ми пам’ятаємо, що шестерні проміжного і вторинного валів завжди знаходяться в зачепленні, і воно нікуди не пропадає, так що вони продовжують обертатися, але вже «вхолосту», не передаючи крутний момент.
А що якщо піти ще далі і зробити передавальне число менше одиниці? Немає проблем: це практикується вже давно. На ділі це означає, що ведена шестерня буде менше ведучої, а, отже, двигун при тій же швидкості, що і на прямій передачі, буде працювати на менших оборотах. Переваги? Знижуються споживання палива, шум і знос двигуна. Однак крутний момент в таких умовах буде далеко не найвищим, і для пересування потрібно підтримувати велику швидкість. Повишена передача (її ще називають овердрайв) служить в основному для підтримки цієї швидкості при постійному русі, а при обгоні вам, швидше за все, доведеться переключитися на знижену.
Задній хід
Ну ось, з тим, як їхати вперед, ми розібралися, а як же реалізувати задній хід? Адже обертання маховика не зміниш, а значить, і первинний вал буде завжди обертатися суворо в одному напрямі. Насправді, тут все ще простіше.
Маючи ведучу і ведену шестерні і необхідність змінити напрямок обертання останньої, досить просто розташувати між ними третю – проміжну. Питання вирішено! Задній хід в автомобілях, як правило, виконаний саме так. Відповідно, ведуча і ведена шестерні і раніше розташовуються на своїх місцях, а вторинний вал при цьому обертається в зворотну сторону – протилежну первинного.
Двохвальна коробка передач
Насправді відмінностей в їх пристрої і роботі – мінімум. Головне полягає в тому, що проміжний вал відсутній, а його роль в повному обсязі бере на себе первинний. На ньому розташовуються нерухомі шестерні, і він же безпосередньо передає крутний момент на вторинний вал.
Розташування вторинного вала не на одній осі з первинним виникає друга відмінність: відсутність прямої передачі в силу банальної фізичної неможливості жорстко з’єднати безпосередньо ці два вала. Це, звичайно, не заважає підібрати передаточне співвідношення підвищених передач таким чином, щоб воно прямувало до значення 1:1, але привід в будь-якому випадку буде здійснюватися через шестерні з усіма супутніми цьому втратами.
З явних плюсів двохвальної коробки можна відзначити її компактність в порівнянні з трьохвальною, але через відсутність проміжного ряду шестерней скорочується варіативність підбору передавальних відносин. Таким чином, її можна використовувати там, де менша вага і розміри відіграють велику роль, ніж високий крутний момент і широкий діапазон передавальних чисел.
Зрозуміло, в цьому матеріалі ми залишили за бортом деякі технічні тонкощі і нюанси. Чітке визначення синхронізаторів з сухарями, пружинами, особливості експлуатації несинхронізованих КПП, відмінності і переваги існуючих типів приводу муфт включення передач – все це було свідомо залишено осторонь, щоб не перевантажувати детальною інформацією тих, хто тільки намагається розібратися в принципах роботи «механіки». Якраз для такої аудиторії цей текст і написаний – навряд чи людина, яка знайома з внутрішньою будовою коробки передач, почерпне з нього щось нове. А ось для новачків, охочих дізнатися, що ж там, на іншому кінці важеля МКПП, стаття може бути корисна.
