Как работает автомобильная коробка передач

Мы уже рассказывали о том, как действует двигатель внутреннего сгорания. Пора посмотреть, как устроен и работает агрегат, помогающий передавать энергию двигателя колёсам, — коробка передач. Садитесь поудобнее: сейчас всё расскажем.

Материал обновлён 30.08.2023 г.

Сегодня в автомобилях используют разные виды коробок передач. Они радикально отличаются по конструкции — каждая со своими достоинствами и недостатками. Но перед тем, как подробно разобрать типы коробок передач, ответим на самый важный вопрос...

Зачем вообще нужна «коробка» в машине?

Коробка переключения передач (именно так расшифровывается КПП) относится к одним из важнейших механизмов в автомобиле. Из-за особенностей работы ДВС, при низких оборотах ему не всегда хватает сил (крутящего момента) вращать колёса и двигать автомобиль. Чтобы помочь мотору, нужно дать ему возможность при маленькой скорости движения машины крутиться быстрее — для этого двигатель соединяют с колёсами через шестерни, сгруппированные в КПП — вот для чего нужна коробка передач.

Простейшая передача — это две шестерни разного размера, сцепленные зубьями. Представьте, что у одной зубьев в три раза больше, чем у другой. Тогда за один оборот большой шестерни малая сделает уже три оборота. И напротив, соединив двигатель с маленькой шестернёй, а колёса — с большой, мы заставим их крутиться в три раза медленнее коленвала. Ещё один плюс: крутящий момент, вращающий колёса, тоже будет в три раза выше крутящего момента двигателя.

Но когда скорость автомобиля возрастёт вдвое, обороты мотора увеличатся уже в шесть раз. А он не может вращаться слишком быстро — топливо просто не будет успевать сгорать. Поэтому по мере разгона двигателю потребуется другая пара шестерён — с менее кардинальной разницей в количестве зубьев (её называют передаточным отношением). В современных легковых автомобилях 5–6 разных передач (или ступеней), а у некоторых и девять. А коробка передач — это агрегат, в котором все они собраны вместе.

То есть коробка передач (КПП) — это просто набор шестерён?

И да, и нет. В реальности всё сложнее. Помимо самих передач нужны ещё механизмы, которые позволяют эти передачи менять. Да и шестерни — лишь один из видов передач. За сто с лишним лет существования автомобилей придумано множество механизмов — от простейших шкивов, между которыми перебрасывался приводной ремень (подобно тому, как это делается с цепью на велосипедах), до совсем экзотических конструкций. Итак, какие есть коробки передач сегодня? — в автомобилях используют четыре типа КПП: механическую, гидромеханическую, роботизированную и вариатор (CVT). Каждая работает по-своему.

Механическая коробка передач

Классификация начнётся с самой простой КПП. Устройство механической коробки передач ближе всего к примеру, который мы рассмотрели в самом начале. Передачи в ней — это как раз пары шестерён: ведущая плюс ведомая, с разными передаточными отношениями. Все ведущие шестерни насажены на входной вал от двигателя, а ведомые — на выходной, передающий крутящий момент колёсам. Но первые жёстко соединены с валом, а вторые могут свободно вращаться независимо от него.

Если ведомую шестерню (на рисунке они внизу) любой из передач всё-таки зафиксировать на валу — жёстко с ним связать, то двигатель будет крутить колёса с соответствующим передаточным отношением. 

Для фиксации шестерён на выходном валу в коробке передач применяются зубчатые муфты, которые могут двигаться вдоль его оси. Водитель, выжимая сцепление, отсоединяет входной вал (а с ним и ведомые шестерни) от двигателя. Потом водитель рычагом включает передачу — сдвигая муфту к нужной шестерне. Между шестернёй и муфтой есть ещё фрикционное кольцо — синхронизатор. Движение муфты заставляет его прижиматься к шестерне и тормозить её или разгонять до скорости вращения вала. Когда скорости вращения шестерни и муфты выравниваются, муфта своими зубцами соединяется с шестернёй и передача включается. Водителю остаётся только аккуратно отпустить сцепление, снова подключив коробку передач к мотору.

Как устроен задний ход? Чтобы автомобиль поехал назад, выходному валу коробки нужно начать вращаться в обратную сторону. Для этого шестерни на входном и выходном валах просто соединяются ещё одной, промежуточной. А поскольку задний ход мы включаем на неподвижном автомобиле (когда валы в коробке не крутятся), заднему ходу не требуются синхронизатор и муфта. Обычно двигается вдоль своей оси сама промежуточная шестерня, цепляясь зубцами за остальные. Так работает механическая КПП авто.

Поначалу точно так же, кстати, функционировали все передачи на первых механических коробках в автомобилях — но на ходу включить их было намного труднее синхронизированных, повышался износ зубьев. Так появились те коробки передач, которыми мы привыкли пользоваться сегодня.

Роботизированная коробка передач

Со временем инженеры захотели облегчить водителям жизнь, переложив работу со сцеплением и переключением передач на автоматику. Так виды КПП пополнила ещё одна — роботизированная коробка.

Самый простой вариант «робота» (так она чаще всего называется в быту) — это обычная механическая коробка, в которой муфты перемещаются с помощью сервоприводов по команде электроники. Другие сервоприводы в нужный момент выжимают и отпускают сцепление. Но на практике в простейших «роботах» электроника переключает передачи как водитель-новичок — грубо и медленно.

Куда лучше преселективные «роботы». В них передачи включаются так же — муфтами с синхронизаторами, а крутящий момент передаётся шестернями от входного вала к выходному. Только в преселективной коробке используется четыре вала. На одной паре стоят шестерни чётных передач, на второй — нечётных. Сцеплений тоже два, каждое для своего входного вала. Если совсем грубо, то преселективная роботизированная коробка — это две обычные КПП, совмещённые в одной.

Для чего нужна такая коробка передач? Пока автомобиль едет, например, на третьей передаче, автоматика заранее (отсюда и название «преселективная») включает четвёртую передачу — если машина разгоняется, или вторую — если автомобиль замедляется. При этом сцепление, которое связано с «чётным» валом, разомкнуто, и связи с двигателем у этой части коробки нет. Переход с третьей на четвёртую передачу происходит в момент, когда отключается одно сцепление и одновременно включается второе. После чего на недействующем теперь «нечётном» ведомом валу запускается пятая (или первая) ступень, и в нужный момент рокировка сцеплений происходит вновь. Смыкать и размыкать сцепления электроника умеет быстро и почти незаметно для водителя, поэтому и смена передач здесь молниеносная и практически без разрыва тяги. 

Именно поэтому такие виды коробок передач первоначально стали использоваться на спортивных автомобилях.

Гидромеханическая коробка передач

Коробка, которую в просторечии называют «автомат», потому что она тоже переключает ступени без участия водителя. Но основа её конструкции — не пары шестерён, а планетарный редуктор, который устроен сложнее (смотрите рисунок). В нём есть центральная (солнечная) шестерня, коронная шестерня — кольцо с зубцами на внутренней поверхности, и несколько сателлитов — маленьких шестерён, которые сцеплены одновременно с солнцем и с короной. Оси вращения сателлитов соединены между собой ещё одной деталью — водилом. При этом солнечная, коронная шестерня и водило могут вращаться вокруг одной воображаемой оси.

Уникальность планетарного редуктора в том, что его передаточное отношение не фиксированное, как у простейшей передачи с двумя шестерёнками, а может меняться — в зависимости от того, как вращаются его части. Когда коронная шестерня неподвижна, водило крутится в несколько раз медленнее солнечной. Но если и корона начнёт вращаться в ту же сторону, передаточное отношение от солнца к водилу будет уменьшаться — и когда корона «догонит» остальных, оно станет равным единице. А дальше с ростом её скорости передача станет повышающей, то есть выходной вал начнёт крутиться быстрее входного!

И если передавать вращение от входного вала коробки передач к выходному через несколько таких «планетарок», соединяя их части в разных комбинациях — и, за счёт этого, заставляя их крутиться с разными скоростями, то получится коробка с несколькими передачами. Можно даже заставить выходной вал вертеться в противоположную сторону — для заднего хода. Причём для 6-ступенчатого «автомата» достаточно всего трёх планетарных редукторов, а с четырьмя уже можно сделать 10 передач!

Однако в «автомате» намного сложнее, чем в «механике», переключать передачи — поэтому этим и занимается автоматика, а не человек. Для каждой передачи есть своя комбинация деталей, которые нужно соединить между собой. Или с корпусом коробки, остановив их вращение. Для этого в автоматических коробках передач используются многодисковые фрикционные муфты, которые работают по тому же принципу, что и сцепление: когда «бутерброд» из дисков сжимается, те перестают проскальзывать друг относительно друга – и скорости вращения деталей, с которыми диски соединены, выравниваются. Муфты в традиционном «автомате» сжимаются под давлением масла — а это давление создаёт насос с приводом от двигателя. Когда и к какой муфте подать масло, решает электроника, открывающая разные клапаны в гидроблоке и направляя жидкость по разным каналам.

Фрикционные муфты срабатывают плавнее зубчатых и не требуют, чтобы мотор при переключении передач полностью отключался от коробки. Поэтому и крутящий момент от двигателя передаётся коробке передач не сцеплением, а гидротрансформатором — из-за него коробку и называют гидромеханической. В гидротрансформаторе есть три соосных колеса с лопатками как у турбины: ведущее, вращающееся вместе с мотором, ведомое, соединённое с входным валом «автомата», и так называемый реактор, который может быть неподвижным или свободно вращаться в одном направлении. Пространство между этими колёсами заполнено маслом. Лопатки ведущего колеса закручивают поток масла, в реакторе поток меняет своё направление и, в свою очередь, раскручивает ведомое колесо. Жёсткой связи между двигателем и коробкой нет, поэтому «автомат» переключается плавно, без грубых рывков и ударов.

Зачем нужна такая коробка передач, ведь это, пожалуй, самая сложная по устройству КПП, используемая в автомобилях? Раньше «автоматы» не любили за медлительность и низкую эффективность (часть энергии двигателя тратилась на бесполезное перемешивание масла в гидротрансформаторе), но сегодня этот тип трансмиссий вплотную приблизился к традиционным механическим коробкам передач по эффективности, и к роботизированным — по скорости смены передач.

Вариатор

А в вариаторе вообще нет передач, из-за чего его называют бесступенчатой трансмиссией. Но ведь все виды коробок как раз и созданы для того, чтобы менять передачу. Если быть совсем точными, то и здесь есть ступень, но всего одна. Зато с изменяемым передаточным числом. А крутящий момент передаётся с ведущего вала на ведомый не через непосредственное зацепление вращающихся шкивов, а посредством соединяющего их ремня. Подобно тому, как работал ножной привод швейной машинки у наших бабушек.

Для чего служит каждый элемент в вариаторе? Каждый шкив — это два конуса на одном валу, обращённые вершинами друг к другу. Зазор между ними, в котором находится ремень, может меняться — становиться больше или меньше. Если конусы раздвинуть, ремень окажется ближе к оси их вращения и при вращении шкива будет двигаться по малому радиусу. И наоборот, при сближении конусов ремень будет вытесняться наружу и радиус увеличится.

Разница в радиусах на ведущем и ведомом валах и определяет передаточное отношение ременного привода. Таким образом, его можно менять — сдвигая конусы на одном валу и одновременно раздвигая на другом. Главное, чтобы ремень на шкивах не проскальзывал — для этого он набран из множества поперечных металлических пластинок, соединённых в петлю стальными же лентами. Иногда вместо ремня используют специальную цепь, но принцип работы вариатора это не меняет.

Конусы сдвигаются-раздвигаются примерно также, как сжимаются фрикционные муфты в «автомате» — давлением масла, которое регулирует электроника. Есть у вариатора и другие общие с гидромеханической коробкой узлы. Например, гидротрансформатор, который позволяет автомобилю с вариатором трогаться и останавливаться. Или планетарный редуктор — для включения заднего хода. 

Сегодня вариаторная коробка скоростей чаще применяется на недорогих автомобилях в качестве более доступной альтернативы традиционным автоматическим коробкам передач. 

Так какая коробка передач лучше?

Однозначного ответа на этот вопрос нет, поэтому они сегодня и существуют в автомобильном мире параллельно. Одна работает очень плавно, но имеет меньше КПД — а значит автомобиль с ней расходует больше топлива. Другая переключается быстро и потерь в ней минимум — но слишком дорога и не очень надёжна. У каждой есть свои достоинства и недостатки. Автопроизводитель, решая, какую коробку поставить на будущий автомобиль, учитывает много разных факторов: его цену, условия эксплуатации и даже вкусы покупателей. Расскажите в комментариях: какую коробку предпочитаете вы и почему?

Частые вопросы о коробке передач 

Что значит КПП в машине, расшифровка?

КПП расшифровывается как «коробка переключения передач».

Для чего нужна коробка передач в машине?

Коробки передач позволяют преобразовать энергию, вырабатываемую двигателем, во вращение колёс. Причём в той пропорции, в которой это необходимо в данный момент.

Какие бывают коробки передач?

На современных автомобилях с ДВС используют четыре типа КПП: механическую, роботизированную, гидромеханическую (автомат) и вариатор. 

Чем отличаются коробки передач?

Внутренними устройством, физическими принципами, лежащими в их работе, надёжностью и быстродействием.