Как это работает: механическая коробка передач

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.

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.

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.

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.

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.