Как работает механическая коробка передач: подробно и наглядно.
Какой автомобильный агрегат приходит на ум сразу после двигателя? Что внушает ужас и трепет ученикам автошкол, но вызывает довольную улыбку на лицах водителей со стажем? С каким механизмом многие из нас работают по несколько часов в день, порой даже не подозревая о принципе его внутреннего устройства? Да, ответ лежит на поверхности: это механическая коробка передач. Рассказав об основных проблемах, возникающих с автоматическими коробками передач, разобравшись с мифами и слухами о бесступенчатых трансмиссиях, мы решили: хватит незаслуженно обделять вниманием самую главную, простую и, несмотря ни на что, популярную вариацию механизма, превращающего мотор из котла для сжигания топлива в сердце автомобиля.
Наглядное пособие
Специально для этого материала компания «PacPac» предоставила конструктор «FischerTechnik», схематично показывающий принцип работы механической коробки передач, и мы даже смогли его собрать. Обратим особое внимание на то, что он передает лишь самые базовые свойства, совершенно не учитывая ряд явлений, происходящих в реальной автомобильной КПП: в нем нет ни муфт, ни вилок, ни синхронизаторов, а выбор передачи реализуется посредством перемещения собственно первичного вала. Если бы это была реальная металлическая «механика», она прожила бы совсем недолго, разлетевшись уже после нескольких десятков переключений. Тем не менее, взглянув на эту маленькую бесстрашную «коробочку передачек», лихо подтыкающую их без синхронизации в неподвижный вторичный вал, можно увидеть и понять основное предназначение агрегата: давать возможность менять передаточное отношение при помощи шестерней различного размера. А это уже что-то.
Изобретая велосипед
Начиная повествование о коробке передач, стоит вкратце разобраться – а зачем вообще она нужна? Ведь всем известно, что главное в машине – двигатель, так неужели нельзя напрямую передать выполняемую им работу на колеса, не выдумывая сложных схем с кучей шестерней, третьей педалью в салоне и рычагом, который надо постоянно ворочать? К сожалению, нет.
Для ответа на этот очевидный вопрос лучше всего посмотреть на велосипед, точнее, его эволюцию. Простейший вариант представляет собой две звездочки, связанные цепной передачей. Вращая одну – ведущую – звездочку при помощи педалей, наездник приводит в движение вторую – ведомую, связанную непосредственно с колесом, таким образом вращая его. Велосипед движется вперед, все счастливы и довольны. По крайней мере, были до определенного момента – до тех пор, пока велосипед служил для перемещения по относительно ровным и горизонтальным поверхностям. Внезапно выяснив, что порой на пути встречаются подъемы, рыхлые грунты и прочие неудобства, люди задумались об усовершенствовании конструкции. Результатом стало как раз то, что можно назвать прообразом механической коробки передач – наборы звездочек спереди и сзади, позволяющие изменять передаточное отношение.
Передаточное отношение – частное, получаемое при делении скорости ведущей звезды на скорость ведомой, то есть количества их оборотов. Оно обратно передаточному числу, которое рассчитывается как отношение числа зубьев на ведомой звездочке к их числу на ведущей. Проще говоря, чем меньше ведущая звезда и больше ведомая, тем легче будет ее вращать и тем медленнее она будет двигаться. Снова вспоминаем старые велосипеды: спереди педалями приходилось вращать большую звезду, в то время как звездочка на задней втулке была маленькой. В результате, пытаясь в детстве тронуться на каком-нибудь «Урале», приходилось всем весом налегать на педали, чтобы провернуть заднее колесо. Ну а сейчас магазины изобилуют россыпью двухколесников, даже самые бюджетные из которых имеют по несколько звезд сзади и спереди. Благодаря этому можно, например, изменить набор: ведущая звездочка будет маленькой, а ведомая – большой. Тогда педали будут вращаться очень легко, но особо разогнаться не получится. Зато в горку можно будет ехать, а не тащить.
От велосипеда к автомобилю
К чему относился весь этот подробный велоликбез? Как раз к тому, зачем нужна коробка передач вообще: ведь характеристики источника энергии, будь то велосипедист или двигатель внутреннего сгорания, постоянны. Первый развивает определенную мышечную силу, ограниченную физическими возможностями, а для второго возможности выражаются количеством развиваемых оборотов. Дело в том, что в их рабочем диапазоне просто нельзя подобрать такое передаточное отношение, которое позволит и уверенно тронуться с места, и разогнаться до 150 и более километров в час. Ситуация усугубляется тем, что если у велосипедиста максимальный «крутящий момент» доступен практически «с холостых оборотов», то с ДВС ситуация иная: для его достижения обороты должны быть довольно высокими. Да и максимальная мощность, тоже немаловажная для движения, появляется в верхнем их диапазоне.
Какой из этого следует вывод? Придется прибегать к тому же приему, что и на велосипеде: изменять передаточное отношение. Между чем и чем? Сейчас разберемся.
А теперь – к самой коробке передач
Принципиально от велосипедной трансмиссии автомобильная коробка передач отличается типом привода: если в первой используется цепь, то вторая имеет в своей основе шестеренный механизм. В целом же суть у них одна: и там, и там шестерни (звезды) имеют неодинаковые размеры, обеспечивая разное передаточное отношение. Кстати, изначально, в ранних КПП они были простыми прямозубыми, а позже стали косозубыми, так как в этом случае обеспечивается более тихая их работа.
В общем виде механическая коробка передач представляет собой набор параллельных валов, на которых «нанизаны» шестерни. Их задача – передать крутящий момент с маховика двигателя на колеса. В классическом случае для этого используется либо два, либо три вала. Рассмотрим трехвальный вариант, от которого будет проще перейти к двухвальному.
Итак, в трехвальном исполнении в КПП есть первичный, вторичный и промежуточный валы. Первые два при этом расположены на одной оси, являясь будто продолжением друг друга, но независимы и вращаются отдельно, а третий физически располагается под ними. Первичный вал короткий: одним концом он через сцепление соединен с маховиком двигателя, то есть принимает с него крутящий момент, а на втором конце расположена одна-единственная шестерня, передающая этот момент дальше, на промежуточный вал. Он, как мы помним, находится ниже ведущего и представляет собой уже длинный стержень с шестернями на нем. Их количество совпадает с количеством передач, плюс одна для соединения с первичным валом.
Закреплены шестерни на промежуточном валу жестко, зачастую они вытачиваются из единой металлической заготовки. Их можно назвать ведущими (хоть и приводятся в движение они через первичный вал). Постоянно вращаясь, они передают крутящий момент на ведомые шестерни вторичного вала (их здесь, кстати, уже ровно столько же, сколько передач). Этот третий вал схож с промежуточным, но главное отличие в том, что шестерни на нем являются подвижным элементом: они не связаны с валом жестко, а нанизаны на него и вращаются на подшипниках. Их продольное перемещение при этом исключено, они расположены строго напротив шестерней промежуточного вала и вращаются вместе с ними (хотя существует и другой вариант, когда шестерни могут двигаться вдоль вала). Одним концом вторичный вал, как мы помним, обращен к первичному, а второй служит уже непосредственно для передачи крутящего момента на колеса – например, через кардан и редуктор заднего моста.
Итак, мы получили конструкцию, где первичный вал при сомкнутом сцеплении вращает промежуточный, а тот – одновременно все шестерни на вторичном валу. Однако сам вторичный вал по-прежнему неподвижен. Что нужно сделать? Включить передачу.
Включаем передачу
Включение передачи означает соединение одной из шестерней вторичного вала с ним самим, чтобы они начали вращаться вместе. Осуществляется это так: между шестернями располагаются специальные муфты, которые могут перемещаться вдоль вала, но вращаются вместе с ним. Они выполняют роль «замков», при помощи зубчатых венцов на своих соприкасающихся торцах жестко соединяющих вал с шестерней, к которой примыкает муфта. Она приводится в движение вилкой – этакой «рогаткой», которая, в свою очередь, соединена с рычагом КПП – тем самым, которым орудует водитель. Привод КПП может быть разным: рычажным (с использованием металлического вала), тросовым и даже гидравлическим (такой используют на грузовиках).
На видео: Коробка передач FischerTechnik — Первая передача
Теперь картинка более-менее сложилась: передвинув муфту к одной из шестерней вторичного вала и замкнув их, мы добиваемся вращения вала и, соответственно, передачи крутящего момента на колеса. Но тут есть еще несколько «фишек», о которых нужно упомянуть.
Для этих целей используются детали, именуемые – внезапно – синхронизаторами. Принцип их работы прост настолько же, насколько и их название. Для синхронизации скоростей двух вращающихся узлов используется самое простое решение: сила трения. Перед тем, как войти в зацепление с шестерней, муфта подходит к ней вплотную. Контактная часть шестерни имеет коническую форму, а на муфте расположен ответный конус, на котором установлено бронзовое кольцо (или несколько колец, так как эти детали, как можно понять, подвергаются основному износу). Прижимаясь к зубчатому колесу через эту «прокладку», муфта разгоняет или тормозит его до своей скорости. Далее все идет уже как по маслу: поскольку теперь две детали неподвижны относительно друг друга, муфта легко, плавно, без рывков и толчков входит в зацепление с шестерней посредством зубчатых венцов, расположенных в зоне сопряжения, и они продолжают движение вместе.
Прямая и повышающая передачи
Переходим к следующему пункту. Представим себе, что, постепенно разгоняясь, мы достигли такой скорости движения автомобиля, при которой двигатель в состоянии обеспечить то, о чем мы говорили в самом начале, – непосредственное вращение колес без помощи дополнительных шестерней. Какое решение этой задачи будет наиболее простым? Вспоминая, что первичный и вторичный вал в трехвальной КПП располагаются на одной оси, мы приходим к простому выводу: нужно соединить их напрямую. Таким образом мы добиваемся желаемого результата: скорость вращения маховика двигателя совпадает со скоростью вращения вторичного вала, непосредственно передающего крутящий момент на колеса. Идеально! При этом передаточное отношение, очевидно, составляет 1:1, поэтому такая передача называется прямой.
На видео: Коробка передач FischerTechnik — Вторая передача
Прямая передача является весьма удобной и выгодной: во-первых, минимизируются потери энергии на вращение промежуточных зубчатых колес, а во-вторых, сами колеса гораздо меньше изнашиваются, так как на них не передается никакого усилия. Однако мы помним, что шестерни промежуточного и вторичного валов всегда находятся в зацеплении, и оно никуда не пропадает, так что они продолжают вращаться, но уже «вхолостую», не передавая крутящий момент.
А что если пойти еще дальше и сделать передаточное число меньше единицы? Нет проблем: это практикуется уже давно. На деле это означает, что ведомая шестерня будет меньше ведущей, а, следовательно, двигатель при той же скорости, что и на прямой передаче, будет работать на меньших оборотах. Преимущества? Снижаются потребление топлива, шум и износ двигателя. Однако крутящий момент в таких условиях будет далеко не самым высоким, и для передвижения нужно поддерживать большую скорость. Повышающая передача (ее еще называют овердрайв) служит в основном для поддержания этой скорости при постоянном движении, а при обгоне вам, скорее всего, придется переключиться на пониженную.
Задний ход
Ну вот, с тем, как ехать вперед, мы разобрались, а как же реализовать задний ход? Ведь вращение маховика не изменишь, а значит, и первичный вал будет всегда вращаться строго в одном направлении. На самом деле, здесь все еще проще.
На видео: коробка передач FischerTechnik, задняя передача
Имея ведущую и ведомую шестерни и необходимость изменить направление вращения последней, достаточно просто расположить между ними третью – промежуточную. Вопрос решен! Задний ход в автомобилях, как правило, выполнен именно так. Соответственно, ведущая и ведомая шестерни по-прежнему располагаются на своих местах, а вторичный вал при этом вращается в обратную сторону – противоположную первичному.
Двухвальные коробки передач
Как мы и обещали, от трехвальной КПП перейдем к двухвальной. На самом деле различий в их устройстве и работе – минимум. Главное заключается в том, что промежуточный вал отсутствует, а его роль в полном объеме берет на себя первичный. На нем располагаются неподвижные шестерни, и он же напрямую передает крутящий момент на вторичный вал.
Также из несоосного расположения вторичного вала относительно первичного проистекает второе отличие двухвальной КПП: отсутствие прямой передачи в силу банальной физической невозможности жестко соединить напрямую эти два вала. Это, конечно, не мешает подобрать передаточное отношение повышенных передач таким образом, чтобы оно стремилось к значению 1:1, но привод в любом случае будет осуществляться через шестерни со всеми сопутствующими этому потерями.
Из явных плюсов двухвальной коробки можно отметить ее компактность по сравнению с трехвальной, но из-за отсутствия промежуточного ряда шестерней сокращается вариативность подбора передаточных отношений. Таким образом, ее можно использовать там, где меньший вес и размеры играют большую роль, чем высокий крутящий момент и широкий диапазон передаточных чисел.
Вместо заключения
Разумеется, в этом материале мы оставили за бортом некоторые технические тонкости и нюансы. Точное устройство синхронизаторов с сухарями, пружинами, шариками и стопорными кольцами, особенности эксплуатации несинхронизированных КПП, различия и преимущества существующих типов привода муфт включения передач – все это было сознательно оставлено в стороне, чтобы не перегружать детальной информацией тех, кто только пытается разобраться в принципах работы «механики». Как раз для такой аудитории этот текст и написан – вряд ли человек, знакомый с внутренним устройством коробки передач, почерпнет из него что-то новое. А вот для новичков, желающих узнать, что же там, на другом конце салонного рычага МКПП, статья может быть полезна. Ведь знания дают не только теоретическую подкованность – теперь многим станет ясно и то, как правильно эксплуатировать свой автомобиль: почему не стоит включать передачи, не предназначенные для движения на выбранной скорости, почему не стоит торопиться в переключениях или изображать раллийного гонщика с «секвенталкой» при эксплуатации гражданского автомобиля в обычных городских условиях, почему все же нужно менять масло не только в двигателе, но и в коробке передач. И если кто-то задумается или сделает для себя новые выводы – значит, все это было написано не зря. А это, как известно, самое важное.
Компас покупателя. Как не ошибиться с выбором мотора, коробки и привода? Отвечаем на примере Kia Sportage
За последние годы в нашей стране срок жизни автомобиля у первого владельца сильно вырос: многие пользуются машиной по 7-9 лет, но и это не предел. Такая тенденция предполагает обстоятельный выбор личного транспорта, чем, увы, пренебрегают многие покупатели. Как результат – разочарование в покупке и быстрая смена автомобиля. Правильно выбрать модификацию, то есть двигатель и коробку передач у приглянувшейся модели важно ещё и потому, что выбор версий на нашем рынке очень скудный, хотя в той же Европе, на том же европейском рынке представлены по полтора-два десятка версий одной модели! При этом навязчивая реклама – часто коварная, с невидимыми подводными камнями – подталкивает человека к бездумной покупке. Сегодня мы посмотрим на примере Kia Sportage, какой мотор, какую коробку и тип привода нужно выбирать, исходя из насущных потребностей будущего владельца. Можно ли, не заплатив лишнего, не разочароваться в покупке уже через несколько месяцев эксплуатации?
Kia Sportage – это в каком-то смысле знаковый для нас автомобиль, ровесник современной России. Он встал на конвейер калининградского «Автотора» в «лихие девяностые» в виде рамного внедорожника с продольно расположенным силовым агрегатом и цепной «раздаткой». Прошло время, и к четвёртому поколению Sportage преобразился в элегантный кроссовер, пользующийся популярностью и в Европе, и в США. На российском рынке Sportage постоянно борется за первенство в сегменте компактных SUV. В этом смысле многие потенциальные покупатели давно определились с моделью – Sportage и ничего другого.
Тот факт, что Sportage «продаёт сам себя», вне всякого сомнения становится одним из побудительных мотивов к покупке: такая массовая популярность может объясняться только выигрышным сочетанием потребительских качеств и привлекательной цены. Для многих именно это делает делает покупку Sportage в сегменте компактных кроссоверов практически безальтернативной. Однако встаёт закономерный вопрос: какую модификацию выбрать? На российском рынке покупателям Sportage предлагают лишь два бензиновых «атмосферника» объёмом в 2,0 и 2,4 литра, но на самом деле вариантов куда больше, потому что в понятие «модификация» входит не только двигатель, но и коробка, и тип трансмиссии.
А вот как выглядят полноприводная (справа) и переднеприводные (слева) версии Kia Sportage со стороны днища: исполнение 4WD отличается наличием муфты, которая подаёт мощность на задние колёса.
Статистика с арифметикой
Напомним, что в России Sportage был некогда представлен с бензиновым турбомотором и дизелем, однако эти версии у нас не прижились, и теперь Kia предлагает покупателю ориентироваться на классические «атмосферные» двигатели, показывающие наибольшую надёжность. Обратимся к статистике первой половины нынешнего года и посмотрим на распределение популярности модификаций. На версии с 2,0-литровым бензиновым мотором остановились 9904 покупателя, что составляет 91% от всего объёма продаж. Из них 4953 отдали предпочтение версии с передним приводом. Из этого числа любителей ручной коробки нашлось только 660 человек, то есть подавляющее большинство покупателей базовой версии не желает играть сцеплением в пробках. Из поклонников полного привода в сочетании с базовым 2,0-литровым мотором только 553 человека выбрали ручную коробку, любителей автоматов – опять в несколько раз больше, а именно 4398 человек. Что касается поклонников мощных моторов, то все они ездят с полноприводной трансмиссией и автоматами, поскольку этот двигатель в России не представлен в иных исполнениях.
Покупатель Kia Sportage голосует рублём: на версии с базовым 2,0-литровым двигателем приходится большая часть продаж
Причины описанного распределения симпатий вполне очевидны: основная масса покупателей Kia Sportage рассматривает практичность как способ сэкономить при покупке, однако многие из приобретших такую версию потом жалуются, что не получили ожидаемого. Причина – в слабом погружении рядового автомобилиста в технические особенности машины и в сильном доверии к слухами и стереотипам. К примеру, многие считают, что чем меньше мощность двигателя, тем меньший расход топлива покажет автомобиль. Это, конечно, совсем не так, потому что ни в коем случае нельзя рассматривать двигатель отдельно от машины (точнее, от её массы), от типа коробки передач, от манеры езды водителя и наиболее вероятных условий эксплуатации.
Давайте рассмотрим все эти факторы и определим, в каких случаях 2,0-литровый двигатель лучше, чем 2,4-литровый. Мы провели расчёты энерговооруженности всех версий Sportage (2,0 АТ 2WD, 2,0 МТ 2WD, 2,0 АТ 4WD, 2,0 МТ 4WD и 2,4 АТ 4WD) и оценили каждую из них в зависимости от нагрузки. Зачем это нужно? Дело в том, что одним из ключевых потребительских параметров так или иначе становится расход горючего, поэтому нам нужно понять, какая из модификация будет потреблять меньше бензина в случаях, когда в салоне находится или только водитель, или четыре человека плюс полный увесистой поклажи багажник.
Мы не будем погружать читателей в нашу нехитрую арифметику, а сразу предложим выводы. Если вы планируете ездить на машине в одиночку и большей частью за городом или по относительно свободному городу, то даже без привязки к типу коробки передач смело выбирайте базовый 2,0-литровый двигатель. А что с 2,4-литровым агрегатом? Оказывается, он тащит доверху загруженный Sportage ровно с теми же затратами, что 2,0-литровый машину с одним-двумя людьми. Отсюда – простой вывод. Чем в более тяжёлых условиях вы планируете эксплуатировать Sportage, тем нужнее вам 2,4-литровый мотор.
Данные на экране бортового компьютера сгруппированы на нескольких вкладках, которые можно листать кнопкой, размещённой на спице рулевого колеса
Как показывают опросы и обсуждения на профильных форумах, больше всех недовольны своим Sportage те покупатели, кто неверно соотнёс свои потребности с характеристиками приобретаемого автомобиля. Что это за люди? В основном это те, кого в народе их называют «шестисоточниками». Они по большей части используют машину для семейных поездок на дачу, путь к которой омрачён тягучими пробками в пятницу при выезде из города и в воскресенье при въезде в город. Большинство из этой категории выбрали базовый 2,0-литровый мотор, решив поменьше заплатить при покупке, и коробку-автомат, чтобы комфортнее преодолевать пробки. При этом очевидно, что именно им нужен был более мощный 2,4-литровый мотор, поскольку дачники, как правило, всегда ездят загруженными, а режим вялотекущей пробки с постоянными разгонами и остановками в этом случае не лучшим образом сказывается на расходе горючего.
Автомат или «ручка»?
Самое время перейти к коробке. Спору нет: у автомата, тем более классической гидромеханической конструкции, какой и предлагает на своём компактном кроссовере Kia, много преимуществ, однако в приложении к базовому двигателю и езде с полной загрузкой это оборачивается высоким – более 12 л/100 км – расходом топлива. Однако тяга к комфорту перевешивает «экономические соображения», и более 80% выбирают АКП, хотя владеющий «механикой» водитель при движении по городу с лёгкостью заставит мотор потреблять не более 8,5 л/100 км.
Для всех версий с 6-ступенчатой автоматической коробкой предусмотрена система управления режимами силового агрегата Drive Mode
Кстати говоря, не забудем и о главном преимуществе классических АКП перед автоматами с двумя сцеплениями, на которые «подсадил» своих покупателей Volkswagen, и вариаторами, на которые так упирают японские и даже некоторые европейские бренды. Мы могли бы долго рассуждать, как влияют конструктивные особенности всех этих типов автоматических коробок на стоимость эксплуатации автомобиля и, самое главное, на надёжность, однако приведём только один аргумент: именно АКП классической конструкции менее всего уменьшают остаточную стоимость автомобиля. Об этом мало задумываются при покупке, а вот когда приходит время менять машину, владельцы горько сожалеют, что в своё время погнались за новомодными техническими новинками. Итак, обратимся к результатам исследования авторитетного агентства Автостат. Согласно полученным данным, Nissan X-Trail и VW Tiguan теряют в цене в два раза больше, чем Kia Sportage – во многом благодаря классической автоматической коробке!
Мультифункциональное рулевое колесо входит в базовое оборудование, что выгодно отличает Kia Sportage от некоторых конкурентов
Графика базового экрана центральной панели – на высоком уровне
Лаконичная базовая панель приборов Sportage – образец качественной эргономики
Между тем, если водитель не умеет обращаться с ручной коробкой, то «автомат» в принципе становится безальтернативным. Проще говоря, выбор типа коробки настолько индивидуальная позиция, что мы на сей счёт своих советов давать не будем, ограничившись напоминанием преимуществ АКП и «механики».
Для бездорожья или нет?
Теперь перейдём к такой важной позиции как трансмиссия. В базовом варианте, то есть с мотором в 2,0 Kia Sportage – переднеприводный автомобиль. Давайте разберёмся, так ли уж нужен владельцам этой версии полный привод, ведь современные переднеприводные автомобили, во-первых, вполне себе комфортны для вождения, во-вторых, при умелом пользовании позволяют уверенно чувствовать себя в городе даже в снежную зиму. Кроме того, элементы полного привода – это дополнительный вес, который тоже нужно «тянуть» двигателю. Карданный вал, муфта, задний дифференциал с главной передачей и приводные валы весят как минимум 50 кг, то есть сопоставимы с массой взрослого пассажира, ну или, по крайней мере, подростка. Повышение массы ведёт к повышенному расходу горючего – нужно ли это? Кроме того, узлы полноприводной трансмиссии требуют дополнительного обслуживания, а значит – лишние траты в эксплуатации. Об этом потенциальным покупателям полноприводного Sportage хорошо бы помнить.
Версию с полным приводом выдаёт кнопка принудительной блокировки многодисковой муфты
А это центральный тоннель переднеприводного Kia Sportage
Теперь – несколько слов для подкованных покупателей, тех, кто хотя бы в общих чертах знаком с устройством автомобиля. Основной элемент полного привода – многодисковая муфта, которая передаёт мощность к задним колёсам. По своей конструкции муфта Sportage куда лучше, надёжнее, чем фрикционы других типов. Однако и с ней Sportage не превращается в настоящего внедорожника, и причин тут две. Во-первых, она не рассчитана на перегрузки тяжёлого бездорожья, а во-вторых, многие покупатели не владеют навыком использования муфты на бездорожье и не знают, какие действия нужно совершить перед съездом с асфальта.
