Коробка передач в автомобиле: какие виды бывают, назначение, устройство, принцип действия

Конструкция коробки передач прошла сложный с инженерной точки зрения путь. Некоторые из первых КПП оказались настолько удачными, что используются по настоящее время. Одновременно инженеры разработали принципиально новые агрегаты с расширенными возможностями и улучшенными техническими характеристиками. Какие коробки передач производители устанавливают на свои модели сегодня, а какие больше не используются? Что такое МКПП, АКПП, РКПП, CVT, DSG, SMG, SRG, в чем между ними разница и какие они имеют преимущества и недостатки?

Что такое коробка передач

Коробка передач (сокращенно «КПП» или просто «коробка») – агрегат, с помощью которого крутящий момент от двигателя передается на элементы трансмиссии. Коробка не только меняет частоту вращения вала, но и изменяет усилие крутящего момента, позволяет автотранспорту передвигаться в прямом и реверсном (задним ходом) направлениях. С инженерной точки зрения коробка передач – усовершенствованный редуктор. Принципиальные задачи выполняет такие же, но за счет конструктивных особенностей в максимальной степени учитывает требования к техническим характеристикам автомобиля.

Первые автомобили не имели коробки передач, что создавало большие проблемы: недостаточная мощность двигателя не позволяла им преодолевать подъемы, а скорость зависела только от оборотов коленчатого вала. Первый прототип коробки передач придумал Карл Бенц в 1887 году. Он установил два шкива различных диаметров с ременным приводом. Скорость менялась за счет механического изменения положения ремней. В дальнейшем ремни заменили цепями, а гладкие шкивы звездочками – это исключило проскальзывание на больших нагрузках.

Гидротрансформатор, заменяющий сцепление, появился в 1903 году, изобретение запатентовал немецкий ученый Герман Феттингер. Его устройства начали использоваться на шведских автобусах, а первый легковой автомобиль с простейшей АКПП был выпущен в 1947 году.

Назначение коробки передач

Главное назначение коробки передач – передавать оптимальные тяговые усилия от мотора к ведущим колесам с учетом условий движения и технических характеристик двигателя. Устройство обеспечивает:

Любая коробка передач, вне зависимости от вида и принципа функционирования, решает вышеописанные задачи, но со своими особенностями.

Виды коробок передач

В связи с многообразием конструктивных решений, применяемых в коробках передач, существуют различные способы классификации КПП. Все типы коробок передач можно разделить по методу преобразования крутящего момента от коленвала на привод трансмиссии, способу управления функциями, конструктивными особенностями решения технических задач.

Типы КПП по способу преобразования крутящего момента

Существует несколько вариантов преобразования коробкой передач крутящего момента от двигателя на колеса. В соответствии с этими способами различают: ступенчатую, фрикционную и гидромеханическую коробки передач.

Ступенчатая коробка передач

Ступенчатая коробка передач — один из наиболее распространенных видов КПП. Характеристики вращения вала меняются ступенчато за счет изменения передаточного числа шестерней. Могут иметь несколько промежуточных валов и ступеней, для синхронизации угловых скоростей блокировочной муфты и соединяемой шестерни устанавливаются синхронизаторы. Относительная простота позволяет снизить стоимость и повысить надежность агрегата.

Фрикционная коробка передач

Во фрикционной коробке передач включение шестерен в зацепление делается не планетарными редукторами, а фрикционами. Металлические диски в постоянном сцеплении с ведущей шестерней, фрикционы вращают ведомую шестерню после включения привода.

При отключенной передаче фрикционы вращаются свободно, между ними нет трения, ведомая шестерня не вращается. Для включения в работу диски прижимаются друг к другу, за счет большого трения происходит передача усилия вращения шестерен. Одновременно на остальных передачах фрикционы отходят друг от друга, крутящий момент не передается. На фрикционных КПП нет общего сцепления — каждая передача имеет свое.

Гидромеханическая коробка передач

Гидромеханическая коробка передач — классический вариант автоматической КПП. Состоит из двух элементов: механической коробки передач и гидротрансформатора передачи крутящего момента от двигателя на первичный вал КПП. Механические коробки могут быть вальными и планетарными.

Механическая часть имеет классическую конструкцию. Гидротрансформатор состоит из насосного (ведущего) и турбинного (ведомого) рабочих лопаточных колес, выполняет функции традиционного сцепления. Благодаря особой геометрии лопаток гидротрансформатора двигатель нагнетает масло насосным колесом, передавая кинетическую энергия на ведомое, связанное с коробкой передач.

Типы КПП по способу управления переключением передач

По способу изменения усилия крутящего момента и частоты вращения вторичного вала различают механические, автоматические и полуавтоматические виды коробок передач.

Механическая коробка передач

В механической коробке передач (сокращенно МКПП, также называют «механика», «ручная», «ступенчатая») переключение скоростей выполняет водитель автомобиля вручную с помощью рычага КПП. Выбор передачи производится водителем согласно условиям движения. Механическая коробка передач состоит из первичного, промежуточных и вторичного вала, скорость и усилие вращения зависит от передаточного числа работающих пар шестерен. Для синхронизации угловой скорости вращения пар имеются синхронизаторы.

Визуально наличие в автомобиле механической коробки передач распознаётся по трем педалям (сцепление, тормоз, газ) и характерному рычагу переключения передач с обозначением и выбором ступеней (их может быть 4, 5, 6 или 7, плюс режим заднего хода и нейтральное положение).

Плюсы МКПП:

Минусы МКПП:

Автоматическая коробка передач

Автоматическая коробка передач (или АКПП, автоматическая трансмиссия, «автомат») способна самостоятельно менять динамику езды с учетом оборотов и нагрузки двигателя. В настоящее время устанавливается на большинство автомобилей. АКПП бывают с несколькими типами приводов переключения скоростей, передаточное число автоматически меняется в зависимости от условий движения. Классический «автомат» — гидромеханическая коробка передач.

К автоматическим коробкам передач принято относить все виды КПП, в которых водителю не требуется вручную выбирать скорости. «Вариатор», «робот», гидромеханическая КПП — эти все виды считаются автоматическими или «двухпедальными» коробками. Водитель работает только с двумя педалями (газ и тормоз), а с помощью рычага управления (селектора) выбирает только режим работы коробки (движение вперед, движение назад, нейтральное положение, паркинг, спорт-режим).

Плюсы АКПП:

Минусы АКПП:

Полуавтоматическая коробка передач

Полуавтоматическая коробка передач (ПАКП, «полуавтомат») имеет два сцепления — одно для четных передач, другое для нечетных. Каждое сцепление связано со своей группой шестерней в КПП. Автоматика анализирует параметры передвижения и подготавливает второе сцепление к включению следующей передачи.

Как и у автоматической коробки переключения передач, у «полуавтомата» нет педали сцепления. Переключение передач производится автоматически, когда водитель убирает ногу с педали «газа». Устройство КПП предусматривает возможность переключения передач в ручной режим.

Плюсы «полуавтомата»:

Минусы «полуавтомата»:

Типы КПП по конструктивным особенностям

Конструкторы автомобилей постоянно работают над усовершенствованием технических характеристик коробок передач. Используются различные виды приводов и управления, в зависимости от этих характеристик КПП бывают бесступенчатыми, роботизированными, преселективными, секвентальными, безвальными, несинхронизированными.

Бесступенчатая

Бесступенчатая коробка переключения передач («вариатор», CVT) дает возможность менять передаточное число между первичным и вторичным валами плавно во всем скоростном диапазоне. Состоит из ведущего и ведомого шкивов с изменяющимися диаметрами рабочих конусов. Увеличение и уменьшение диаметра шкивов позволяет регулировать обороты ведущих колес. Крутящий момент передается особо прочным резиновым клиновым ремнем, есть варианты с металлическими цепями. Вариатор является одной из наиболее сложных конструкций КПП.

Главная особенность вариатора — неограниченное количество передаточных чисел, поэтому они и называются бесступенчатыми. С технической точки зрения называть «вариатор» коробкой передач не совсем некорректно, так как передач здесь нет.

Плюсы «вариатора»:

Минусы «вариатора»:

Роботизированная

Роботизированная коробка передач (РКП, «робот») с одним сцеплением изготавливается на основе механической. Отличие – выключение сцепления и переключение передач выполняют активаторы (сервоприводы). Активаторы могут быть электрическими и гидравлическими, выбор скоростных режимов контролирует электронный блок управления, обрабатывающий сигналы от специальных датчиков. Один сервопривод управляет сцеплением, второй переключает передачи в коробке. Возможно ручное управление с помощью селектора КПП или подрулевых «лепестков».

С технической точки зрения в роботизированной коробке передач механическая часть сходна с классической МКПП, а за работу сцепления отвечает автоматика. С точки зрения управления такой коробкой для водителя отличий от АКПП нет — всё те же стандартные режимы (D, P, N, R). Педали сцепления нет.

Плюсы «робота»:

Минусы «робота»:

Преселективная

Современная преселективная коробка передач (DSG) — роботизированная коробка передач с двумя сцеплениями, улучшенный вариант «роботов» с одним сцеплением. В своей конструкции имеет два первичных вала с автономными сцеплениями на каждом. Одно из сцеплений используется для четных передач, второе — для нечетных и заднего хода. Главная особенность коробки передач DSG — предварительное (преселективное) включение повышенной или пониженной передачи (в зависимости от условий движения). Это позволяет реализовать быстрое переключение передач без потери мощности.

Переключение скоростей преселективной коробки передач делается автоматикой, встроенной в корпус, сигналы на действие поступают от датчиков. Предусматривается переход на ручное переключение. Работа водителя с такой КПП ничем не отличается от обычного «автомата».

Плюсы DSG:

Минусы DSG:

Секвентальная

Секвентальная коробка передач (последовательная, прямозубая, SMG) является одним из подвидов механических коробок. Главная особенность – прямые зубья шестерен, в традиционных же механических — шестерни косозубые. Переключение делается автоматически специальными гидроприводами или в ручном режиме. Передачи можно включать только последовательно: с первой на вторую, со второй на третью и так далее. Перескакивать и включать после первой третью или после второй четвертую невозможно.

Принцип работы секвентальной КПП исключает включение неоптимальной передачи. Педали сцепления обычно нет — за отключение вала отвечает автоматика. Секвентальные коробки устанавливаются главным образом на гоночных автомобилях и имеют свои достоинства и недостатки.

Плюсы SMG:

Минусы SMG:

Безвальная

Безвальная коробка передач (SRG) состоит из нескольких пар шестерен (до пяти), которые находятся в постоянном зацеплении. Наименование «безвальная» означает, что шестерни не имеют общего вала, а каждая работает на своем. Передачи изменяются за счет соединения кулачковыми муфтами шестерен в определенной комбинации. Каждая следующая пара с шестернями количество комбинаций скоростей увеличивает в два раза. Соответственно, четыре пары шестерен дают восемь скоростей, а не четыре. Как в обыкновенных коробках. Для заднего хода используется дополнительная пара, соответственно, и реверс имеет много скоростей.

Для управления безвальной коробкой передач требуется два рычага (смотрите пример на фото выше). Один отвечает за выбор передачи, другой — за направление движения (вперед, назад, нейтраль), есть варианты полуавтоматического включения. Безвальная КПП используется редко, устанавливалась на некоторых типах немецких танков и старых тракторах, в легковых автомобилях не встречается.

Плюсы безвальной КПП:

Минусы безвальной КПП:

Несинхронизированная

Несинхронизированная коробка передач относится к первым разработкам, самая простая и самая неудобная. Не имеет синхронизаторов, соответственно скорости вращения шестерней автоматически не выравниваются — делать это приходится водителю самостоятельно. При переключении с низшей передачи на высшую надо выжать сцепление и выключить передачу, затем включить сцепление и таким образом выровнять скорости вращения шестерен. Включение высшей передачи выполняется после повторного выключения сцепления.

Еще сложнее переключаться с высшей передачи на низшую. После перехода на нейтральную необходимо резко увеличить обороты двигателя (сделать так называемую «перегазовку), опять выжать сцепление и только после этого можно переходить на низшую передачу. Но даже такие манипуляции без серьезного практического опыта и «чувства автомобиля» не гарантируют плавное зацепление шестерней. Скорости включаются со скрежетом, что становится причиной их быстрого износа. В настоящее время этот тип КПП не используется.

Плюсы несинхронизированной КПП:

Минусы несинхронизированной КПП:

Как запомнить отличия коробок передач

Большое количество типов коробок передач и их различные названия могут ввести в заблуждение даже технарей. Как не запутаться? Конструкторы рассматривают все эти устройства как редуктор. Задачи редуктора – изменять количество оборотов вала от привода на входе и на выходе. Меняются обороты – автоматически меняется усилие вращения. Все согласно законам физики: работа = усилие × на путь. Чем меньше оборотов (меньше путь), тем больше усилие на выходном (вторичном) валу при одинаковом значении работы.

Редукторы (КПП) бывают двух типов: шестеренчатые и вариаторные. Соответственно, все типы коробок передач по большому счету можно разбить на две эти категории. Далее названия менялись с учетом совершенствования механизмов. Вместо одного главного сцепления появились два на первичных валах (преселективная), затем каждая шестерня получила свое сцепление и могла включаться отдельно (автоматическая). Вместо дискового сцепления появилось гидравлическое (гидротрансформатор), такие коробки начали называться гидромеханическими. Вместо прямых зубьев шестерен (секвентальная) начали использовать косые. Если ранее шестерни размещались на общих валах (первичный, промежуточный, вторичный), то был разработан вариант размещения каждой шестерни отдельно (безвальная). Вал (ось) у шестерен есть, но общего нет, что позволило изменить принцип изменения угловых скоростей.

Приводы переключателей скоростей бывают двух видов: механические и гидравлические. Но они не влияют на параметры самой коробки передач, как редуктора. Каждое усовершенствование улучшало эксплуатационные характеристики КПП, но одновременно агрегат становился сложнее в ремонте и обслуживании, и дороже. Согласно аксиоме проектирования любых механизмов – чем больше в нем деталей, тем выше вероятность, что какая-нибудь из них выйдет из строя. Итог – в целом надежность коробок переключения передач уменьшается.

Соответственно, по приведенной выше классификации одну и ту же коробку передач можно одновременно относить к нескольким категориям. К примеру, механическая ступенчатая, вально-шестеренчатая, секвентальная, безвальная, несинхронизированная ­– все относятся к типу шестеренчатых ступенчатых коробок с ручным способом переключения передач (механика). Сюда же следует отнести и гидромеханическую. Только у нее, в отличие от вышеперечисленных, крутящий момент от двигателя передается не дисковым сцеплением, а гидротрансформатором (гидромуфтой). Но тип муфты, строго говоря, отношения к КПП не имеет и с инженерной точки зрения не влияет, из чего состоит коробка.