Коробка передач

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
4-ступенчатая коробка передач, канонический вид

Коро́бка переда́ч (также коробка переключения скоростей, коробка) — механизм, применяемый в основном в автомобилях, для изменения передаточного отношения. Элемент трансмиссии колёсных и гусеничных транспортных средств, предназначенный для расширения диапазона частоты вращения и крутящего момента применяемого двигателя, возможности реверсивного движения, длительного отсоединения работающего двигателя от трансмиссии. По конструкции обычно представляет собой отдельный агрегат, в корпусе (картере) которого находятся те или иные механические передачи вращательного движения, осуществляющие разнонаправленную редукцию потока мощности в пределах некоего диапазона по фиксированным передаточным отношениям (передачам) на выбор. В случае двигателя внутренного сгорания входит в состав трансмиссии практически обязательно, но может быть заменена вариатором. Как правило, не применяется в трансмиссиях транспортных средств с паровыми или электрическими двигателями, имеющими высокую приспособляемость и гиперболическую (у паровых) или параболическую (у электродвигателей постоянного тока) тяговую характеристику.

Классификация[править | править код]

Коробки переменных передач классифицируются по нескольким признакам.

Вскрытая механическая 16-ступенчатая (2х4х2) КПП ZF 16S181, 2, 4, 5 — делитель (4х2), 7 — 10 — основная 4-ступенчатая КПП с задним ходом
Вскрытый планетарный демультипликатор (переключатель рядов, англ. range, 2х4х2) коробки передач ZF 16S181

По способу передачи потока мощности[править | править код]

  • Механические — коробки передач, в которых используются механические передачи, как правило — зубчатые.
  • С соосными валами — выполнены с использованием цилиндрических и конических зубчатых передач.
  • Планетарные — выполнены с использованием планетарных рядов.
  • Гидромеханические — коробки передач, в которых механические передачи, как правило, планетарные ряды, используются в сочетании с гидравлической передачей (гидромуфта, гидротрансформатор).
  • Вариаторные в основе имеют бесступенчатую механическую фрикционную передачу — вариатор, часто в сочетании с гидромуфтой и планетарными или простыми шестеренчатыми передачами.

По числу основных валов с шестернями[править | править код]

  • двухвальные с одной ступенью зацепления оси — наиболее просты, но не имеют прямой передачи (большинство переднеприводных и некоторые заднемоторные автомобили)
  • трёхвальные с двумя ступенями зацепления:
    • соосные — первичный и вторичный вал соосны — имеют прямую передачу, характеризуются уменьшенным поперечным габаритом, но увеличенным (несущественно) продольным (большинство заднеприводных автомобилей), позволяют получить в тех же габаритах больший диапазон редуцирования за счёт последовательного преобразования момента
    • с несоосными валами — не имеют прямой передачи (раздаточные коробки полноприводных автомобилей, КПП тракторов)
  • многовальные с переменным числом зацеплений — позволяют получать большое число передач (КПП тракторов, коробки скоростей и подач токарных станков)
  • многовальные с последовательным редуцированием — фактически объединяют в себе несколько последовательно включённых КПП (нашли применение на тракторах и бронетехнике, на станочном оборудовании)
  • безвальные КП
    • соосные безвальные КП (немецкий танк Pz.III)
    • несоосные безвальные КП (немецкий танк Pz.VI «Тигр»)

По числу ходов (подвижных шестерён-кареток или муфт): двух-, трёх-, четырёх- и пятиходовые.

По способу переключения ступеней:

  • с подвижными шестернями-каретками (только прямозубые). Применяются там, где переключение осуществляется при остановленных валах (станки, понижающие редукторы тракторов);
  • с торцевыми кулачковыми муфтами и шестернями постоянного зацепления (старые типы тракторов, мотоциклы, многоступенчатые КПП спортивных автомобилей)
  • с постоянным зацеплением шестерён и переключением с помощью зубчатых муфт:
    • без синхронизаторов (раздаточные коробки современных автомобилей)
    • с синхронизаторами
  • с фрикционным включением ступеней — подавляющее большинство гидромеханических КПП, ходоуменьшители тракторов, реверс-редукторы на речных судах
  • с включением ступеней инерционными или центробежными муфтами.

Классификация планетарных КП[править | править код]

По числу степеней свободы при выключении всех фрикционных устройств:

  • с двумя степенями свободы;
  • с тремя степенями свободы;
  • с четырьмя и более степенями свободы.

По типу используемых планетарных рядов: КП с эпициклическими и с присоединёнными планетарными рядами внешнего или внутреннего зацепления.

По способу управления[править | править код]

  • С ручным включением передач — передачу включает водитель (оператор).
    • Непосредственного действия — используется только усилие оператора. Приводы непосредственного действия бывают механическими и гидравлическими.
    • Сервоприводы — используется усилие оператора и сервоустройства, при этом основную часть работы выполняет сервоустройство, а усилие оператора необходимо для управления работой сервоустройства. В зависимости от источника (преобразователя) энергии сервоприводы подразделяются на гидравлические, механические, электрические, вакуумные, смешанные и др. В автомобиле- и танкостроении наибольшее распространение получили гидросервоприводы.
  • Автоматические — в зависимости от внешних условий (например, частота вращения и нагрузка на коленчатом валу двигателя) передачи переключает автоматизированная система управления КП без участия водителя.
  • Роботизированная (аналог автоматической) работает так же, как и вышеупомянутая, но посредством компьютера (пример: коробка передач DSG компании Volkswagen).

По числу передач[править | править код]

Указывается число передач переднего, заднего и нейтрального хода.

Типы коробок передач[править | править код]

  • Механическая коробка передач — представляет собой многоступенчатый цилиндрический редуктор, в котором предусмотрено ручное переключение передач.
  • Автоматизированная коробка передач — обеспечивает автоматический (без прямого участия водителя) выбор соответствующего текущим условиям движения передаточного числа, в зависимости от множества факторов.
  • Роботизированная коробка передач — представляет собой механическую коробку передач, в которой автоматизированы функции выключения сцепления и переключения передач.

Пример[править | править код]

КП танка Т-72 можно классифицировать следующим образом: планетарная, с тремя степенями свободы, с присоединённым планетарным рядом внешнего зацепления и тремя эпициклическими планетарными рядами. Включение передач фрикционное с использованием гидросервоприводов управления. Обеспечивает семь передач вперёд и одну передачу заднего хода.

Коробки передач с конструктивной спецификой[править | править код]

Безвальная КП[править | править код]

Локомотивная 8-ступенчатая (+4;-4) 4-рядная безвальная КП модели Maybach Mekydro K-104
первые три ряда отвечают за 4 передачи, четвёртый ряд является реверс-редутором

В данной КП отсутствуют общие валы для набора шестерён, отсюда название схемы «безвальная». Цилиндрические шестерни расположены рядами по парам на двух параллельных осях, наподобие как если бы валы всё-таки были. Каждая пара шестерён одного ряда находится в постоянном зацеплении друг с другом. Все соосно расположенные шестерни соединяются друг с другом посредством блокировочных муфт, причём каждые две муфты двух шестерён одного ряда включаются по взаимоисключающему принципу: когда одна муфта включена, другая выключена. Ведущий вал здесь соединяется жёстко со своей шестернёй первого ряда. Ведомый вал аналогично со своей шестернёй последнего ряда. Оба вала могут располагаться соосно или не соосно, это некоторым образом влияет на расчёт передаточных отношений, но принципиального значения не имеет, за исключением того, что в при соосном расположении возможна прямая передача.

С точки зрения механики работы, в данной схеме для каждой из двух шестерён любого ряда кроме первого и последнего нет жёстко закреплённой роли, типа ведущая-ведомая. При формировании разных передаточных отношений одна и та же шестерня промежуточного ряда может быть ведущей в одном случае и ведомой в другом. Эта особенность позволяет получать большее число доступных передаточных отношений, и в общем случае их количество всегда есть показательная функция вида 2 в степени х-1, где х есть число рядов. Каждое передаточное отношение может формироваться более чем одним рядом, вплоть до одновременного использования всех рядов. Муфты включения передач здесь могут включаться группами, что может требовать применения некоей вспомогательной автоматики и различных устройств центральной синхронизации.

Относительно схемы на валах безвальная схема позволяет не просто увеличить число передач в обе стороны, но увеличить силовой диапазон КП при уменьшении габаритов, что будет тем ощутимее, чем больше число рядов шестерён. Например: 4 ряда шестерён — 8 передач (либо 8 вперёд, либо 4 вперёд и 4 назад); 5 рядов шестерён — 16 передач (+16;0 или +8;-8). Неустранимыми недостатками схемы являются затруднённость (или даже невозможность) получения произвольной разбивки силового диапазона по нужным передаточным отношениям, а также невозможность создания КП в чисто механическом виде без вспомогательной автоматики.

КП безвальной схемы разработала и продвигала немецкая компания Maybach. Известность получили три модели: Variorex, Olvar и Mekydro. Первые две в разных вариантах применялись на немецких танках и бронетранспортёрах военного периода. КП Mekydro в сборе с гидротрансформатором применялась на немецких магистральных тепловозах с гидромеханической трансмиссией. С безвальными КП экспериментировали в СССР после войны, но до практического применения дело не дошло. Чрезвычайно редкая в использовании схема, в современных трансмиссиях не применяемая ввиду своих недостатков.

Несинхронизированная КП[править | править код]

Многоступенчатая несинхронизированная КП американского седельного тягача

Под таковой подразумевается механическая КП, в конструкции которой отсутствуют синхронизаторы (причём, это может быть как схема на скользящих шестернях, в которой синхронизаторы невозможны в принципе, так и схема на шестернях постоянного зацепления). Переключение передач на такой КП требует от водителя определённых навыков по самостоятельной синхронизации угловых скоростей муфт и шестерён посредством определения длительности процесса перехода с одной передачи на другую и параллельной корректировки оборотов педалью газа. И то и другое обычно делается на основе ощущений от скорости движения и оборотов мотора на основе прикладного опыта езды на конкретной машине, при этом дополнительную помощь может оказывать тахометр.

Практически все довоенные механические КП были несинхронизированными. В современной транспортной технике несинхронизированными КП оснащаются седельные тягачи и самосвалы американского производства, некоторые трактора, мотоциклы и гоночные машины. На некоторых КП синхронизаторы могут отсутствовать не на всех, а только на части передач. К эксплуатации несинхронизированных КП имеют отношение такие термины как «перегазовка» и «двойной выжим сцепления», хотя фактически современные несинхронизированные КП позволяют переключать передачи без использования сцепления.

Кулачковая КП[править | править код]

Кулачковый профиль зуба в сравнении с обычным

Под таковой подразумевается несинхронизированная механическая КП на валах и шестернях постоянного зацепления с включением передач муфтами с кулачковым профилем зуба. Отличие подобных КП от таких же, но с включением передач муфтами с иными профилями зубьев, в том, что кулачковый профиль допускает более грубую работу при переключениях и с точки зрения синхронизации угловых скоростей и с точки зрения силового воздействия. При этом все такие КП более шумные, так как при каждом знакопеременном ускорении муфта может чуть проворачиваться относительно блокируемой шестерни. Ввиду того, что подобными КП зачастую оснащаются гоночные машины, где постоянное присутствие шума является некоей нормой, здесь нередко применяются шестерни с прямозубой нарезкой, что даёт ещё больше шума, но увеличивает КПД самой КП.

Секвентальная КП[править | править код]

Секвентальная коробка передач

Под секвентальной подразумевается КП, у которой механизм переключения передач не допускает произвольного выбора следующей передачи относительно той, которая включена в данный момент, а ограничивает диапазон доступных передач только одной передачей выше и одной передачей ниже. Переход в нейтраль на такой КП обычно возможен только с двух передач — первой и заднего хода (на мотоциклах возможен с первой и второй). Некоторые секвентальные КП могут оснащаться механизмами для быстрого выхода в нейтраль с любой передачи, но это не есть правило.

В своём каноническом виде секвентальные КП применяются на гоночных машинах и любых мотоциклах. Механизм переключения передач здесь обычно представляет собой барабан с пазами, трансформирующий одноходовое возвратно-поступательное движение тяги рычага переключения передач во вращение. Конструкция механической передачи в секвентальной КП может быть практически любой и к секвентальности механизма переключения передач отношения не имеет, хотя наиболее часто секвентальная КП предполагает схему на шестернях постоянного зацепления с включением передач кулачковыми муфтами. Существуют планетарные секвентальные КП (танк Чифтен). Конструкция узла, ответственного за выбор и переключение передач, здесь также может быть различна: чисто механическая (кулачковые КП мотоциклов), гидравлическая (некоторые танковые планетарные КП), электронно-гидравлическая (КП большинства современных гоночных машин). Переключение передач здесь возможно как одноходовой ручкой, имеющей лишь два нефиксируемых положения передача вверх и передача вниз, так и ножной педалью с аналогичной механикой работы. Электронноуправляемые полуавтоматические КП гоночных машин типа Формулы-1 с переключением передач клавишами на руле также, вероятно, можно считать секвентальными. Имитацией секвентальной КП можно считать автоматические КП типа Типтроник-Порше и все аналогичные системы автоматических КП с наличием в них опционального режима последовательного переключения передач по команде водителя.

Преселективная КП[править | править код]

Селектор выбора передач довоенного автомобиля MG Magna

В исторической ретроспективе под таковой подразумевается КП, в которой выбор следующей передачи происходит до момента переключения на неё. Термин обычно используется применительно к разработкам межвоенного периода прошлого века, как решение по упрощению процесса переключения передач в условиях отсутствия как синхронизированных механических КП, так и автоматические КП. Устройством преселекции оборудовались либо планетарные КП, либо безвальные КП; на КП вально-шестерёнчатой схемы устройства преселекции не применялись. Управление преселективной КП осуществлялось посредством селектора передач, которым предварительно выбиралась следующая передача, и либо педалью сцепления, кратковременное нажатие на которую непосредственно определяло сам момент переключения, либо кратковременным переводом селектора в нефиксируемое положение (в случае использования центробежного сцепления на легковых машинах). Какая-либо квалификация и специфические навыки от водителя не требовались.

Преселективные КП использовались на совершенно разноплановой технике: немецкие безвальные КП Maybach Variorex бронетранспортёров SdKfz 250 и танков PzKpfw III; безвальные КП Maibach Olvar танков Тигр и Королевский Тигр; немецкие планетарные КП гоночных Auto Union и представительских Maybach; британские планетарные КП Уилсона танков Матильда II, автобусов AEC RT-type, легковых Armstrong Siddeley, Deimler, MG, Riley; французские планетарные КП Cotal и Talbot легковых машин Delage, Delahaye, Talbot, Bugatti; американские планетарные КП машин Cord и Tacker.

В своём изначальном виде преселективные КП на современных ТС не применяются. На седельных тягачах на некоторых механических КП, в конструкции которых имеется планетарный двускоростной делитель, ряд передач может включаться через преселекцию кнопкой на основном рычаге КП. Также применительно к современным разработкам преселективными могут называться любые КП с двумя сцеплениями, так как здесь вспомогательная автоматика всегда предварительно выбирает повышающую или понижающую передачу в зависимости от текущего режима движения, независимо от того, определяется ли момент перехода на новую передачу автоматически или водителем.

См. также[править | править код]

Источники информации[править | править код]

  1. Чобиток В. А., Данков Е. В. и др. Конструкция и расчёт танков и БМП. Учебник. — М.: Воениздат СССР, 1984.

Ссылки[править | править код]