Gearhead 101:Общие сведения о механической коробке передач

С возвращением на Gearhead 101 — серию статей об основах работы автомобилей для новичков в автомобилестроении.

Поскольку вы читали «Искусство мужественности», вы знаете, как управлять коробкой передач. Но знаете ли вы, что происходит под капотом всякий раз, когда вы переключаете передачу?

Нет?

Что ж, сегодня твой счастливый день!

В этом выпуске Gearhead 101 мы рассмотрим все тонкости работы механической коробки передач. К тому времени, когда вы закончите читать эту статью, у вас должно быть общее представление об этой важной части трансмиссии вашего автомобиля.

Засучим рукава и приступим.

Примечание. Прежде чем вы прочтете, как работает трансмиссия, я настоятельно рекомендую ознакомиться с нашими Gearhead 101, чтобы узнать все о двигателях и трансмиссиях.

Что делают передачи

Прежде чем мы углубимся в особенности работы механической коробки передач, давайте поговорим о том, что делают коробки передач в целом.

Как обсуждалось в нашем учебнике по работе автомобильного двигателя , двигатель вашего автомобиля создает мощность вращения. Чтобы двигать машину, нам нужно передать эту мощность вращения колесам. Это то, что делает трансмиссия автомобиля, частью которой является трансмиссия.

Но есть пара проблем с мощностью, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания. Во-первых, он обеспечивает полезную мощность или крутящий момент только в определенном диапазоне частоты вращения двигателя (этот диапазон называется диапазоном мощности двигателя). Двигайтесь слишком медленно или слишком быстро, и вы не получите оптимального крутящего момента, чтобы заставить машину двигаться. Во-вторых, автомобилям часто требуется больший или меньший крутящий момент, чем тот, который двигатель может оптимально обеспечить в своем диапазоне мощности.

Чтобы понять вторую проблему, нужно понять первую проблему. И чтобы понять первую проблему, нужно понимать разницу между оборотами двигателя и крутящий момент двигателя .

Частота вращения двигателя — это скорость вращения коленчатого вала двигателя. Измеряется в оборотах в минуту (об/мин).

Крутящий момент двигателя – это крутящее усилие, которое двигатель создает на своем валу при определенной скорости вращения.

Автомеханик привел эту прекрасную аналогию, чтобы понять разницу между частотой вращения двигателя и крутящим моментом двигателя:

Представьте, что вы паровоз и пытаетесь забить гвоздь в стену:

Скорость =сколько раз вы попадаете в шляпку гвоздя в минуту.

Крутящий момент =Насколько сильно вы каждый раз попадаете в гвоздь.

Вспомните, когда вы в последний раз забивали гвозди. Если вы били очень быстро, вы, вероятно, заметили, что не забиваете гвоздь с большой силой. Более того, вы, вероятно, утомились от такого безумного качания.

И наоборот, если вы не торопитесь между каждым ударом, но убедитесь, что каждый удар, который вы делаете, был максимально сильным, вы бы вбили гвоздь с меньшим количеством ударов, но это может занять у вас немного больше времени, потому что вы не раскачивается в постоянном темпе.

В идеале вы должны найти темп удара молотком, который позволит вам ударить шляпку гвоздя несколько раз с хорошей силой при каждом ударе, не утомляя себя. Не слишком быстро, не слишком медленно, а просто правильно.

Ну, мы хотим, чтобы двигатель нашей машины делал то же самое. Мы хотим, чтобы он вращался со скоростью, которая позволяет ему создавать необходимый крутящий момент, не работая так усердно, чтобы он сам себя разрушил. Нам нужно, чтобы двигатель оставался в своем диапазоне мощности.

Если двигатель вращается ниже своего диапазона мощности, у вас не будет крутящего момента, необходимого для движения автомобиля вперед. Если он выходит за пределы своего диапазона мощности, крутящий момент начинает падать, и ваш двигатель начинает звучать так, как будто он вот-вот сломается из-за нагрузки (что-то вроде того, что происходит, когда вы пытаетесь бить молотком слишком быстро — вы забиваете гвоздь с меньшей мощностью, и вы действительно, действительно устал). Если вы крутите двигатель до тех пор, пока тахометр не станет красным, вы интуитивно понимаете эту концепцию. Ваш двигатель звучит так, будто вот-вот заглохнет, но вы не двигаетесь быстрее.

Хорошо, значит, вы понимаете, что для эффективной работы автомобиля необходимо поддерживать его работу в диапазоне мощности.

Но это подводит нас ко второй проблеме:в определенных ситуациях автомобилям требуется больший или меньший крутящий момент.

Например, когда вы заводите автомобиль на месте, вам нужна большая мощность или крутящий момент, чтобы заставить автомобиль двигаться. Если вы нажмете педаль газа в пол, вы заставите коленчатый вал двигателя вращаться очень быстро, в результате чего двигатель выйдет далеко за пределы своего диапазона мощности и, возможно, разрушится в процессе. И самое интересное, что вы даже не будете двигать машину так сильно, потому что крутящий момент двигателя падает, когда он выходит за пределы своего диапазона мощности. В этой ситуации нам нужно намного больше крутящего момента, но чтобы получить его, мы должны пожертвовать скоростью.

Хорошо, а что, если вы просто немного нажмете на газ? Ну, это, вероятно, не заставит двигатель вращаться достаточно быстро, чтобы войти в свой диапазон мощности в первую очередь, чтобы он мог обеспечить крутящий момент, чтобы заставить автомобиль двигаться.

Давайте рассмотрим другой сценарий:предположим, что ваша машина движется очень быстро, например, когда вы едете по автостраде. Вам не нужно передавать столько мощности от двигателя к колесам, потому что автомобиль и так движется в быстром темпе. Чистый импульс делает большую работу. Таким образом, вы можете позволить двигателю вращаться на более высокой скорости, не беспокоясь о количестве мощности, передаваемой на колеса. Нам нужно больше скорости вращения идет на колеса и меньше вращательная мощность .

Что нам нужно, так это какой-то способ умножить мощность, вырабатываемую двигателем, когда это необходимо (запуск с места, подъем в гору и т. д.), а также уменьшить количество энергии, отправляемой двигателем, когда она не нужна ( спускаться или двигаться очень быстро).

Введите передачу.

Трансмиссия гарантирует, что ваш двигатель вращается с оптимальной скоростью (ни слишком медленно, ни слишком быстро), одновременно обеспечивая ваши колеса необходимой мощностью, необходимой для движения и остановки автомобиля, независимо от ситуации, в которой вы оказались.

Он способен эффективно передавать мощность через серию шестерен разного размера, которые используют силу передаточного числа.

Передаточные числа

Внутри трансмиссии находится ряд зубчатых шестерен разного размера, создающих крутящий момент. Поскольку шестерни, которые взаимодействуют друг с другом, имеют разные размеры, крутящий момент можно увеличивать или уменьшать без существенного изменения скорости вращения двигателя. Это благодаря передаточному числу.

Передаточные числа представляют собой отношение шестерен друг к другу по размеру. Когда шестерни разного размера входят в зацепление, они могут вращаться с разной скоростью и передавать разную мощность.

Чтобы объяснить это, давайте посмотрим на упрощенную версию шестеренок в действии. Скажем, у вас есть входная шестерня с 10 зубьями (под входной шестерней я подразумеваю шестерню, которая генерирует мощность), соединенная с более крупной выходной шестерней с 20 зубьями (под выходной шестерней я имею в виду шестерню, которая получает мощность). Чтобы провернуть эту 20-зубую шестерню один раз, 10-зубчатой ​​шестерне нужно повернуться дважды, потому что она в два раза меньше 20-зубчатой ​​шестерни. Это означает, что хотя 10-зубая шестерня вращается быстро, 20-зубая шестерня вращается медленно. И хотя 20-зубчатая шестерня вращается медленнее, она обеспечивает большую силу или мощность, потому что больше. Соотношение в этой схеме 1:2. Это низкое передаточное число.

Или, скажем, две шестерни, соединенные друг с другом, имеют одинаковый размер (10 зубов и 10 зубов). Они оба будут вращаться с одинаковой скоростью, и оба будут выдавать одинаковую мощность. Передаточное отношение здесь 1:1. Это называется «прямой передачей», потому что две шестерни передают одинаковую мощность.

Или, скажем, входная шестерня была больше (20 зубьев), а выходная шестерня меньше (10 зубьев). Чтобы провернуть 10-зубую шестерню один раз, 20-зубчатой ​​шестерне нужно будет повернуться только наполовину. Это означает, что хотя входная шестерня с 20 зубьями вращается медленно и с большей силой, выходная шестерня с 10 зубьями вращается быстрее и выдает меньшую мощность. Передаточное отношение здесь 2:1. Это называется высоким передаточным числом.

Вернемся к этой концепции к цели передачи.

Ниже вы найдете диаграмму потока мощности при включении различных передач автомобиля с 5-ступенчатой ​​механической коробкой передач.

Первая передача. Это самая большая шестерня в трансмиссии, зацепленная с маленькой шестерней. Типичное передаточное число, когда автомобиль находится на первой передаче, составляет 3,166:1. При включении первой передачи подается низкая скорость, но высокая мощность. Это передаточное число отлично подходит для запуска автомобиля с места.

Вторая передача. Вторая шестерня немного меньше первой, но все же находится в зацеплении с меньшей шестерней. Типичное передаточное число составляет 1,882:1. Скорость увеличилась, а мощность немного уменьшилась.

Третья передача. Третья передача немного меньше второй, но все же зацеплена с меньшей шестерней. Типичное передаточное число составляет 1,296:1.

Четвертая передача. Четвертая передача немного меньше третьей. Во многих транспортных средствах к моменту включения четвертой передачи выходной вал движется с той же скоростью, что и входной вал. Такая схема называется «прямой привод». Типичное передаточное число 0,972:1

Пятая передача. В автомобилях с пятой передачей (также называемой повышающей передачей) она связана со значительно большей передачей. Это позволяет пятой передаче вращаться намного быстрее, чем передача, передающая мощность. Типичное передаточное число составляет 0,78:1.

Детали механической коробки передач

Итак, к настоящему моменту у вас должно быть общее представление о назначении трансмиссии:она гарантирует, что ваш двигатель вращается с оптимальной скоростью (ни слишком медленно, ни слишком быстро), одновременно обеспечивая ваши колеса необходимой мощностью, необходимой им для движения и остановки. машину, в какой бы ситуации вы ни оказались.

Давайте посмотрим на части передачи, которые позволяют это сделать:

Входной вал. Входной вал идет от двигателя. Он вращается с той же скоростью и мощностью, что и двигатель.

Промежуточный вал. Промежуточный вал (также известный как промежуточный вал) находится чуть ниже выходных валов. Промежуточный вал соединяется непосредственно с входным валом через шестерню с фиксированной скоростью. Всякий раз, когда входной вал вращается, промежуточный вал вращается с той же скоростью, что и входной вал.

Помимо шестерни, принимающей мощность от первичного вала, промежуточный вал также имеет несколько шестерен, по одной на каждую из «передач» автомобиля (1-5-ю), включая задний ход.

Выходной вал. Выходной вал проходит параллельно промежуточному валу. Это вал, который передает мощность на остальную часть трансмиссии. Количество мощности, которую выдает выходной вал, зависит от того, какие шестерни на нем включены. Выходной вал имеет свободно вращающиеся шестерни, установленные на нем на шарикоподшипниках. Скорость выходного вала определяется тем, какая из пяти шестерен находится в «передаче» или включена.

Передачи с 1-й по 5-ю. Это шестерни, которые установлены на вторичном валу с помощью подшипников и определяют, на какой «передаче» находится ваш автомобиль. Каждая из этих шестерен постоянно находится в зацеплении с одной из шестерен на промежуточном валу и постоянно вращается. Это постоянно запутанное расположение — это то, что вы видите в синхронизированных трансмиссиях или трансмиссиях с постоянным зацеплением, которые используются в большинстве современных автомобилей. (Чуть позже мы рассмотрим, как все шестерни могут вращаться всегда и только одна из них на самом деле передает мощность на трансмиссию.)

Первая передача является самой большой передачей, и передачи постепенно уменьшаются по мере того, как вы переходите к пятой передаче. Помните, передаточные числа. Поскольку первая шестерня больше, чем шестерня промежуточного вала, с которой она связана, она может вращаться медленнее, чем первичный вал (помните, промежуточный вал движется с той же скоростью, что и первичный вал), но передает большую мощность на выходной вал. По мере повышения передачи передаточное число уменьшается, пока вы не достигнете точки, когда входной и выходной валы движутся с одинаковой скоростью и передают одинаковую мощность.

Промежуточная шестерня. Промежуточная шестерня (иногда называемая «промежуточной шестерней заднего хода») находится между шестерней заднего хода на выходном валу и шестерней на промежуточном валу. Промежуточная шестерня — это то, что позволяет вашему автомобилю двигаться задним ходом. Задняя передача — единственная передача в синхронизированной трансмиссии, которая не всегда находится в зацеплении или вращается с шестерней промежуточного вала. Он движется только тогда, когда вы действительно переключаете автомобиль на задний ход.

Воротники/рукава синхронизатора. Большинство современных автомобилей имеют синхронизированную трансмиссию, а это означает, что шестерни, передающие мощность на выходной вал, постоянно находятся в зацеплении с шестернями на промежуточном валу и постоянно вращаются. Но вы можете подумать:"Как могут все пять шестерен постоянно сцепляться и постоянно вращаться, но только одна из этих шестерен на самом деле передает мощность на выходной вал?"

Другая проблема, возникающая при постоянном вращении шестерен, заключается в том, что ведущая шестерня часто вращается с другой скоростью, чем выходной вал, к которому она подключена. Как синхронизировать вращение шестерни с другой скоростью, чем выходной вал, и плавно, чтобы не было сильного скрежета?

Ответ на оба вопроса:муфты синхронизатора.

Как упоминалось выше, шестерни 1-5 установлены на выходном валу через шарикоподшипники. Это позволяет всем шестерням свободно вращаться одновременно при работающем двигателе. Чтобы задействовать одну из этих шестерен, нам нужно прочно соединить ее с выходным валом, чтобы мощность передавалась на выходной вал, а затем на остальную часть трансмиссии.

Между каждой из шестерен находятся кольца, называемые муфтами синхронизатора. В пятиступенчатой ​​трансмиссии есть муфта между 1-й и 2-й передачами, между 3-й и 4-й передачами, а также между 5-й и передачей заднего хода.

Всякий раз, когда вы переключаете автомобиль на передачу, муфта синхронизатора переключается на движущуюся передачу, которую вы хотите включить. На внешней стороне шестерни имеется ряд конусообразных зубьев. Воротник синхронизатора имеет канавки для приема этих зубьев. Благодаря отличной механике муфта синхронизатора может соединяться с шестерней с очень небольшим шумом или трением даже во время движения шестерни и синхронизировать скорость шестерни с первичным валом. Как только муфта синхронизатора входит в зацепление с ведущей шестерней, эта ведущая шестерня передает мощность на выходной вал.

Всякий раз, когда автомобиль находится в нейтральном положении, ни один из синхронизаторов не зацепляется с ведущей шестерней.

Ошейники синхронизатора также легче понять визуально. Вот короткий небольшой клип, который отлично объясняет, что происходит (начинается примерно с отметки 1:59):

Переключение передач. Переключение передач — это то, что вы двигаете, чтобы включить передачу автомобиля.

Штанга переключения. Тяги переключения - это то, что перемещает муфты синхронизатора в направлении передачи, которую вы хотите включить. На большинстве автомобилей с пятью скоростями есть три тяги переключения. Один конец тяги переключения передач соединен с рычагом переключения передач. На другом конце штока переключения находится вилка переключения, удерживающая муфту синхронизатора.

Вилка переключения. Вилка переключения удерживает муфту синхронизатора.

Сцепление. Сцепление находится между двигателем и коробкой передач. Когда сцепление выключено, оно отключает поток мощности между двигателем и коробкой передач. Это отключение питания позволяет двигателю продолжать работать, даже если остальная часть трансмиссии автомобиля не получает мощности. Когда мощность двигателя отключена от трансмиссии, переключение передач становится намного проще и предотвращается повреждение шестерен трансмиссии. Вот почему всякий раз, когда вы переключаете передачу, вы нажимаете на педаль сцепления и выключите сцепление.

Когда сцепление включено — ваша нога отрывается от педали — мощность между двигателем и трансмиссией восстанавливается.

Как работает механическая коробка передач

Итак, давайте соберем все это вместе и рассмотрим, что происходит всякий раз, когда вы переключаете передачу в автомобиле. Мы начнем с запуска автомобиля и переключения на вторую передачу.

Когда вы заводите автомобиль с механической коробкой передач, прежде чем повернуть ключ, вы выключите сцепление. нажатием на педаль сцепления. Это отключает поток мощности между входным валом двигателя и трансмиссией. Это позволяет вашему двигателю работать, не передавая энергию остальной части автомобиля.

При выключенном сцеплении вы переключаете переключатель передач на первую передачу. Это приводит к перемещению стержня в коробке передач, чтобы переместить вилку переключения к первой шестерне, которая установлена ​​на выходном валу через шарикоподшипники.

Эта первая шестерня на выходном валу находится в зацеплении с шестерней, соединенной с промежуточным валом. . Промежуточный вал соединяется с входным валом двигателя через шестерню и вращается с той же скоростью, что и входной вал двигателя.

К вилке переключения прикреплен кольцо синхронизатора. . Втулка синхронизатора выполняет две функции:1) она надежно прикрепляет ведущую шестерню к выходному валу, чтобы шестерня могла передавать мощность на выходной вал, и 2) обеспечивает синхронизацию шестерни со скоростью вторичного вала.

Как только муфта синхронизатора входит в зацепление с первой передачей, шестерня прочно соединяется с выходным валом, и теперь автомобиль находится на передаче.

Чтобы заставить автомобиль двигаться, вы слегка нажимаете на педаль газа (что увеличивает мощность двигателя) и медленно отпускаете педаль сцепления (что приводит к включению сцепления и воссоединению мощности между двигателем и коробкой передач).

Поскольку первая передача большая, она заставляет выходной вал вращаться медленнее, чем входной вал двигателя, но передает большую мощность остальной части трансмиссии. Это благодаря чудесам передаточных чисел. .

Если вы все сделали правильно, машина начнет медленно двигаться вперед.

Как только вы заведете машину, вам захочется ехать быстрее. Но с автомобилем на первой передаче вы не сможете ехать очень быстро, потому что передаточное число заставляет выходной вал вращаться с определенной скоростью. Если вы нажмете на педаль газа на первой передаче, вы просто заставите входной вал двигателя вращаться очень быстро (и, возможно, повредите двигатель в процессе), но не увидите увеличения скорости автомобиля.

Чтобы увеличить скорость вторичного вала, нам нужно переключиться на вторую передачу. Поэтому мы нажимаем сцепление, чтобы отключить питание между двигателем и коробкой передач и переключиться на вторую передачу. Это перемещает шток переключения, который имеет вилку переключения и муфту синхронизатора, в сторону второй передачи. Втулка синхронизатора синхронизирует скорость второй передачи с выходным валом и надежно фиксирует ее на вторичном валу. Выходной вал теперь может вращаться быстрее, без бешеного вращения входного вала двигателя для производства мощности, необходимой автомобилю.

Для остальных пяти передач нужно промыть, вымыть и повторить.

Исключение составляет задняя передача. В отличие от других передач, при которых вы можете переключаться на более высокую передачу, не останавливая автомобиль полностью, для переключения на заднюю передачу вам нужно стоять на месте. Это связано с тем, что шестерня заднего хода не находится в постоянном зацеплении с шестерней на промежуточном валу. Чтобы вставить шестерню заднего хода в соответствующую шестерню промежуточного вала, необходимо убедиться, что промежуточный вал не движется. Чтобы промежуточный вал не вращался, необходимо полностью остановить автомобиль.

Конечно, вы можете заставить движущийся вперед автомобиль включить заднюю передачу, но это не будет звучать или ощущаться красиво, и вы можете серьезно повредить трансмиссию.

Теперь всякий раз, когда вы включаете передачу, вы будете знать, что происходит под капотом. Далее:автоматические коробки передач.