Gearhead 101: понимание механической коробки передач

 Gearhead 101: понимание механической коробки передач

James Roberts

Добро пожаловать в Gearhead 101 - серию статей об основах работы автомобилей для неофитов автомобильного дела.

Поскольку вы читаете "Искусство мужественности", вы знаете, как водить машину с переключением передач. Но знаете ли вы, что происходит под капотом, когда вы переключаете передачу?

Нет?

Что ж, сегодня ваш счастливый день!

В этом выпуске Gearhead 101 мы рассмотрим все тонкости работы механической коробки передач. К моменту завершения чтения этой статьи вы должны иметь базовое представление об этой жизненно важной части трансмиссии вашего автомобиля.

Давайте засучим рукава и приступим к работе.

Примечание: Прежде чем вы прочитаете, как работает трансмиссия, я настоятельно рекомендую ознакомиться с нашим материалом Gearhead 101 о том, как устроены двигатели и трансмиссии.

Что делают трансмиссии

Прежде чем перейти к рассмотрению особенностей работы механической коробки передач, давайте поговорим о том, что делают коробки передач в целом.

Как уже говорилось в нашем учебнике о том, как работает двигатель автомобиля, двигатель вашего автомобиля создает вращательную силу. Чтобы автомобиль двигался, нам нужно передать эту вращательную силу на колеса. Именно этим занимается трансмиссия автомобиля, частью которой является коробка передач.

Но есть несколько проблем с мощностью двигателя внутреннего сгорания. Во-первых, он обеспечивает полезную мощность, или крутящий момент, только в определенном диапазоне оборотов двигателя (этот диапазон называется диапазоном мощности двигателя). Двигайтесь слишком медленно или слишком быстро, и вы не получите оптимального количества крутящего момента, чтобы заставить автомобиль двигаться. Во-вторых, автомобилям часто требуется больший или меньший крутящий момент, чем тот, на который двигатель способен оптимальнообеспечивать в пределах своего диапазона мощности.

Чтобы понять вторую проблему, нужно понять первую проблему. А чтобы понять первую проблему, нужно понять разницу между двигателем скорость и двигатель крутящий момент .

Скорость двигателя - это скорость вращения коленчатого вала двигателя, которая измеряется в оборотах в минуту (RPMs).

Крутящий момент двигателя - это то, какое скручивающее усилие создает двигатель на своем валу при определенной скорости вращения.

Один автомеханик привел хорошую аналогию, чтобы понять разницу между скоростью вращения двигателя и крутящим моментом:

Представьте, что вы - двигатель и пытаетесь вбить гвоздь в стену:

Скорость = Сколько раз вы ударяете по шляпке гвоздя за минуту.

Крутящий момент = Насколько сильно вы каждый раз ударяете по гвоздю.

Вспомните, когда вы в последний раз забивали гвозди. Если вы били очень быстро, то, вероятно, заметили, что гвоздь не ударяется с большой силой. Более того, вы, вероятно, выдохлись от такого бешеного размахивания.

И наоборот, если вы не торопитесь между каждым взмахом, но следите за тем, чтобы каждый взмах был максимально сильным, вы вобьете гвоздь меньшим количеством взмахов, но это может занять у вас немного больше времени, потому что вы не делаете взмахи в постоянном темпе.

В идеале, вы должны найти такой темп забивания, который позволит вам ударить по шляпке гвоздя несколько раз с хорошей силой с каждым взмахом, не утомляя себя. Не слишком быстро, не слишком медленно, но просто правильно.

Мы хотим, чтобы двигатель нашего автомобиля делал то же самое. Мы хотим, чтобы он вращался с той скоростью, которая позволяет ему обеспечить необходимый крутящий момент, не работая так сильно, чтобы разрушить себя. Нам нужно, чтобы двигатель оставался в пределах своего диапазона мощности.

Если двигатель крутится ниже диапазона мощности, у вас не будет крутящего момента, необходимого для движения автомобиля вперед. Если двигатель крутится выше диапазона мощности, крутящий момент начинает падать, и ваш двигатель начинает звучать так, как будто он вот-вот сломается от напряжения (это похоже на то, что происходит, когда вы пытаетесь забить молотком слишком быстро - вы бьете по гвоздю с меньшей силой и очень, очень устаете). Если вы увеличили обороты вашего двигателяПока тахометр не достигнет красной отметки, вы понимаете эту концепцию наглядно. Ваш двигатель звучит так, будто вот-вот заглохнет, но вы не двигаетесь быстрее.

Итак, вы понимаете, что автомобиль должен работать в своем диапазоне мощности, чтобы его работа была эффективной.

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

Например, когда вы заводите автомобиль на остановке, вам нужна большая мощность, или крутящий момент, чтобы заставить его двигаться. Если вы нажмете на педаль газа, вы заставите коленчатый вал двигателя вращаться очень быстро, в результате чего двигатель выйдет за пределы своего диапазона мощности и, возможно, разрушится в процессе. И самое неприятное, что вы даже не сдвинете автомобиль с места, потому что крутящий момент падает при движении.В этой ситуации нам нужен гораздо больший крутящий момент, но чтобы получить его, нам придется пожертвовать скоростью.

Хорошо, а если вы просто слегка надавите на газ? Ну, это, вероятно, не заставит двигатель вращаться достаточно быстро, чтобы войти в свой диапазон мощности, чтобы он мог обеспечить крутящий момент для движения автомобиля.

Давайте рассмотрим другой сценарий: Допустим, вы двигаетесь на автомобиле очень быстро, например, по автостраде. Вам не нужно передавать столько мощности от двигателя на колеса, потому что автомобиль и так движется в быстром темпе. Сила импульса делает большую часть работы. Поэтому вы можете позволить двигателю вращаться на более высокой скорости, не беспокоясь о количестве мощности.передается на колеса. Нам нужно больше вращательного движения скорость идущая к колесам, и меньше вращательная мощность .

Нам нужен какой-то способ умножить мощность, вырабатываемую двигателем, когда это необходимо (при старте с места, подъеме в гору и т.д.), но при этом уменьшить количество энергии, посылаемой двигателем, когда это не нужно (при спуске с горы или очень быстрой езде).

Введите передачу.

Трансмиссия обеспечивает оптимальную скорость вращения двигателя (не слишком медленную и не слишком быструю) и одновременно передает колесам необходимое количество энергии для движения и остановки автомобиля, в какой бы ситуации вы ни оказались.

Это достигается благодаря эффективной передаче мощности через ряд шестерен разного размера, которые используют силу передаточного числа.

Коэффициенты передачи

Внутри трансмиссии находится ряд зубчатых колес разного размера, которые создают крутящий момент. Поскольку шестерни, взаимодействующие друг с другом, имеют разные размеры, крутящий момент можно увеличивать или уменьшать, не меняя при этом скорость вращения двигателя. Это происходит благодаря передаточным числам.

Когда шестерни разного размера входят в зацепление друг с другом, они могут вращаться с разной скоростью и выдавать разную мощность.

Чтобы объяснить это, давайте рассмотрим тупую версию зубчатых передач в действии. Допустим, у вас есть входная шестерня с 10 зубьями (под входной шестерней я имею в виду шестерню, вырабатывающую энергию), соединенная с более крупной выходной шестерней с 20 зубьями (под выходной шестерней я имею в виду шестерню, получающую энергию). Чтобы раскрутить 20-зубую шестерню один раз, 10-зубая шестерня должна провернуться дважды, потому что она в два раза меньше 20-зубой.Это означает, что хотя 10-зубчатая шестерня вращается быстро, 20-зубчатая шестерня вращается медленно. И хотя 20-зубчатая шестерня вращается медленнее, она обеспечивает большее усилие, или мощность, потому что она больше. Передаточное число в этой схеме 1:2. Это низкое передаточное число.

Или, скажем, две шестерни, соединенные друг с другом, имеют одинаковый размер (10 зубьев и 10 зубьев). Они обе вращаются с одинаковой скоростью, и обе передают одинаковое количество энергии. Передаточное отношение здесь 1:1. Это называется "прямой передачей", потому что две шестерни передают одинаковое количество энергии.

Допустим, входная шестерня больше (20 зубьев), а выходная меньше (10 зубьев). Чтобы прокрутить 10-зубую шестерню один раз, 20-зубая шестерня должна провернуться только наполовину. Это означает, что хотя 20-зубая входная шестерня вращается медленно и с большим усилием, 10-зубая выходная шестерня вращается быстро и дает меньшую мощность. Передаточное число здесь 2:1. Это называется высокой передачей.соотношение.

Смотрите также: Как произвести гражданский арест

Давайте вернем эту концепцию к цели передачи.

Ниже приведена диаграмма потока мощности при включении различных передач в 5-ступенчатой механической коробке передач автомобиля.

Первая передача. Это самая большая шестерня в коробке передач, зацепленная с малой шестерней. Типичное передаточное отношение при включении первой передачи - 3,166:1. При включении первой передачи обеспечивается низкая скорость, но высокая мощность. Такое передаточное отношение отлично подходит для запуска автомобиля с места.

Вторая передача. Вторая передача немного меньше первой, но все равно входит в зацепление с меньшей передачей. Типичное передаточное число составляет 1,882:1. Скорость увеличивается, а мощность немного уменьшается.

Третья передача. Третья передача немного меньше второй, но все равно зацепляется с меньшей шестерней. Типичное передаточное отношение составляет 1,296:1.

Четвертая передача. Четвертая передача немного меньше третьей. Во многих автомобилях к моменту включения четвертой передачи выходной вал движется с той же скоростью, что и входной. Такая схема называется "прямой передачей". Типичное передаточное число составляет 0,972:1.

Пятая передача. В автомобилях с пятой передачей (также называемой "овердрайв") она соединена с шестерней, которая значительно больше. Это позволяет пятой передаче вращаться намного быстрее, чем шестерня, передающая мощность. Типичное передаточное отношение составляет 0,78:1.

Детали механической коробки передач

Итак, к настоящему моменту вы должны иметь базовое представление о назначении трансмиссии: она обеспечивает оптимальное вращение двигателя (не слишком медленное и не слишком быстрое), одновременно предоставляя колесам необходимое количество мощности для движения и остановки автомобиля, независимо от ситуации, в которой вы оказались.

Давайте рассмотрим детали трансмиссии, которые позволяют это сделать:

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

Контрвал. Контрастный вал (он же накладной вал) располагается непосредственно под выходными валами. Контрастный вал соединяется непосредственно с входным валом через шестерню с фиксированной скоростью. Когда входной вал вращается, вращается и контрастный вал, причем с той же скоростью, что и входной вал.

Помимо шестерни, которая получает питание от входного вала, на контрвале также есть несколько шестерен, по одной на каждую из "передач" автомобиля (1-я-5-я), включая задний ход.

Выходной вал. Выходной вал проходит параллельно над контрвалом. Это вал, который передает мощность остальной трансмиссии. Количество мощности, передаваемой выходным валом, зависит от того, какие шестерни на нем включены. Выходной вал имеет свободно вращающиеся шестерни, которые закреплены на нем шарикоподшипниками. Скорость вращения выходного вала определяется тем, какая из пяти шестерен находится в зацеплении.

1-5-я передачи. Это шестерни, которые крепятся на выходном 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 контрвале и постоянно вращается. Это постоянное зацепление - то, что вы видите в синхронизированных трансмиссиях или трансмиссиях с постоянным зацеплением, которые используются в большинстве современных автомобилей. (Мы еще поговорим о том, как все это происходит.шестерни могут постоянно вращаться, в то время как только одна из них фактически передает мощность на трансмиссию, о чем мы расскажем чуть позже).

Первая передача - самая большая, и по мере продвижения к пятой передаче шестерни становятся все меньше. Помните, передаточные числа. Поскольку первая передача больше, чем шестерня контрвала, с которой она соединена, она может вращаться медленнее, чем входной вал (помните, что контрвал движется с той же скоростью, что и входной вал), но передавать большую мощность на выходной вал. По мере продвижения вверх по передачам передаточное отношениеуменьшается, пока вы не достигнете точки, когда входной и выходной валы будут двигаться с одинаковой скоростью и выдавать одинаковое количество мощности.

Ведомая шестерня. Ведомая шестерня (иногда ее называют "шестерней заднего хода") находится между шестерней заднего хода на выходном валу и шестерней на контрвале. Ведомая шестерня позволяет автомобилю двигаться задним ходом. Шестерня заднего хода - единственная шестерня в синхронизированной коробке передач, которая не всегда находится в зацеплении или вращается с шестерней контрвала. Она движется только тогда, когда вы действительно переключаете автомобиль на задний ход.

Синхронизирующие воротники/рукава. Большинство современных автомобилей имеют синхронизированную трансмиссию, то есть шестерни, передающие мощность на выходной вал, постоянно сцеплены с шестернями на контрвале и постоянно вращаются. Но вы, возможно, думаете: "Как все пять шестерен могут быть постоянно сцеплены и постоянно вращаться, но только одна из них действительно 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 шестерню, вращающуюся с другой скоростью, чем выходной вал, причем плавно и без сильного скрежета?

Ответ на оба вопроса: хомуты синхронизатора.

Как упоминалось выше, шестерни 1-5 закреплены на выходном валу на шарикоподшипниках. Это позволяет всем шестерням свободно вращаться одновременно во время работы двигателя. Чтобы включить одну из этих шестерен, нам нужно прочно соединить ее с выходным валом, чтобы мощность передавалась на выходной вал, а затем на остальную трансмиссию.

Между каждой из шестерен находятся кольца, называемые синхронизаторами. В пятиступенчатой коробке передач кольцо находится между 1-й и 2-й передачами, между 3-й и 4-й передачами, а также между 5-й и задней передачей.

Каждый раз, когда вы переключаете автомобиль на передачу, муфта синхронизатора перемещается к движущейся шестерне, которую вы хотите включить. На внешней стороне шестерни есть ряд конусообразных зубьев. Муфта синхронизатора имеет пазы для приема этих зубьев. Благодаря превосходной механике, муфта синхронизатора может соединяться с шестерней с очень низким уровнем шума или трения даже во время движения шестерни,Как только муфта синхронизатора входит в зацепление с ведущей шестерней, эта шестерня передает мощность на выходной вал.

Когда автомобиль находится в "нейтральном" положении, ни один из хомутов синхронизатора не входит в зацепление с ведущей шестерней.

Синхронизирующие ошейники также легче понять визуально. Вот короткий небольшой ролик, который отлично объясняет, что происходит (начинается примерно с отметки 1:59):

Переключение передач. Переключение передач - это то, что вы перемещаете, чтобы перевести автомобиль на передачу.

Шток переключения передач. Штоки переключения - это то, что перемещает хомуты синхронизатора в направлении передачи, которую вы хотите включить. На большинстве пятиступенчатых автомобилей есть три штока переключения. Один конец штока переключения соединен с механизмом переключения передач. На другом конце штока переключения находится вилка переключения, которая удерживает хомут синхронизатора.

Вилка переключения передач. Вилка переключения удерживает хомут синхронизатора.

Сцепление. Сцепление находится между двигателем и коробкой передач трансмиссии. Когда сцепление выключается, оно разъединяет поток мощности между двигателем и коробкой передач. Это разъединение мощности позволяет двигателю продолжать работать, даже если остальная трансмиссия автомобиля не получает мощности. Когда мощность двигателя отключена от трансмиссии, переключение передач становится намного проще и легче.предотвращает повреждение шестерен коробки передач. Именно поэтому при переключении передач вы нажимаете на педаль сцепления и выключаете сцепление.

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

Как работают механические коробки передач

Итак, давайте соберем все это вместе и рассмотрим, что происходит при переключении передач в автомобиле. Начнем с того, что заведем автомобиль и переключимся на вторую передачу.

Когда вы заводите автомобиль с механической коробкой передач, перед тем как повернуть ключ, вы отключаете сцепление нажатием на педаль сцепления. Это отключает поток мощности между входным валом двигателя и трансмиссией. Это позволяет двигателю работать без передачи мощности на остальные части автомобиля.

При выключенном сцеплении вы перемещаете переключение передач на первую передачу. Это вызывает шток переключения в коробке передач вашей трансмиссии для перемещения вилка переключения по направлению к первой передаче, которая закреплена на выходной вал через шарикоподшипники.

Эта первая шестерня на выходном валу зацепляется с шестерней, которая соединена с контрвал Контрвал соединяется с входным валом двигателя через шестерню и вращается с той же скоростью, что и входной вал двигателя.

К вилке переключения передач прикреплен вороток синхронизатора Муфта синхронизатора выполняет две задачи: 1) прочно закрепляет ведущую шестерню на выходном валу, чтобы шестерня могла передавать мощность на выходной вал, и 2) обеспечивает синхронизацию шестерни со скоростью выходного вала.

Смотрите также: Раскрепостите свой брак: 4 способа встречаться с женой заново

Когда муфта синхронизатора входит в зацепление с шестерней первой передачи, шестерня прочно соединяется с выходным валом, и автомобиль переходит на передачу.

Чтобы заставить автомобиль двигаться, вы слегка нажимаете на газ (что создает большую мощность двигателя) и медленно снимаете ногу со сцепления (что включает сцепление и восстанавливает связь между двигателем и коробкой передач).

Поскольку первая передача большая, она заставляет выходной вал вращаться медленнее, чем входной вал двигателя, но при этом передавать больше мощности на остальные части трансмиссии. Это происходит благодаря чудесам передаточные числа .

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

Но 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).увидеть увеличение скорости автомобиля.

Чтобы увеличить скорость выходного вала, нам нужно переключиться на вторую передачу. Поэтому мы включаем сцепление, чтобы отключить питание между двигателем и коробкой передач, и переключаемся на вторую передачу. Это перемещает шток переключения, который имеет вилку переключения и муфту синхронизатора в направлении второй передачи. Муфта синхронизатора синхронизирует скорость второй передачи с выходным валом и прочно крепит его кВыходной вал теперь может вращаться быстрее без того, чтобы входной вал двигателя бешено вращался для получения необходимой автомобилю мощности.

Для остальных пяти передач - полоскание, мытье и повторение.

Задняя передача является исключением. В отличие от других передач, где можно переключиться вверх, не останавливая полностью автомобиль, для переключения заднего хода необходимо находиться в состоянии покоя. Это происходит потому, что передача заднего хода не находится в постоянном зацеплении с шестерней на контрвале. Чтобы вставить шестерню заднего хода в соответствующую ей шестерню контрвала, необходимо убедиться, что контрвал не движется. Чтобы убедиться в этом, необходимо убедиться, что шестерня заднего хода не движется.контрвал не вращается, необходимо, чтобы автомобиль был полностью остановлен.

Конечно, вы можете принудительно переключить движущийся вперед автомобиль на заднюю передачу, но это не будет звучать и ощущаться красиво, и вы можете нанести большой ущерб трансмиссии.

Теперь, переключая передачу, вы будете знать, что происходит под капотом. Далее: автоматические трансмиссии.

James Roberts

Джеймс Робертс — писатель и редактор, специализирующийся на мужских интересах и темах образа жизни. Обладая более чем 10-летним опытом работы в отрасли, он написал бесчисленное количество статей и сообщений в блогах для различных изданий и веб-сайтов, охватывающих широкий спектр тем, от моды и ухода за собой до фитнеса и отношений. Джеймс получил степень журналиста в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и работал в нескольких известных изданиях, включая Men's Health и GQ. Когда он не пишет, ему нравится ходить в походы и исследовать природу.