Ограничивается и минимальная скорость. Дело в том, что автомобильный двигатель может устойчиво работать при определенной минимальной частоте вращения коленчатого вала. Обычно она составляет около 600 мин-1. Простой подсчет показывает, что при 600 мин-1 автомобиль может двигаться со скоростью не менее 16 км/ч. Видимо, такое ограничение не может удовлетворить водителя, так как иногда приходиться двигаться со значительно меньшей скоростью. В то же время при минимальной частоте вращения коленчатого вала двигатель никогда не может развить полной мощности. А ведь автомобилю приходиться работать в самых различных дорожных условиях: двигаться по асфальтированной дороге, преодолевать пески, снежные заносы и перевозить грузы на лесных и проселочных дорогах.
Вот здесь на помощь и приходит коробка передач. Она, как рассмотренная нами выше лебедка, позволяет водителю «проигрывать в расстоянии, но выигрывать в силе», т. е. позволяет значительно уменьшить скорость автомобиля и во столько же раз увеличить силу тяги. Отличие коробки передач от лебедки в том, что она позволяет водителю выбирать в зависимости от условий движения величину скорости и силу тяги.
Чем же достигаются такие возможности?
В коробку передач вводится несколько пар шестерен (передач) с разным передаточным числом. Одна из них (с большим передаточным числом) обеспечивает большую тяговую силу и используется для трогания автомобиля с места и движения с малой скоростью, другая передает крутящий момент от двигателя к главной передаче, не изменяя его величины (прямая передача). Она обычно используется для движения по ровной дороге на большой скорости. Кроме того, в коробке передач легковых автомобилей в зависимости от конструкции применяются одна или две промежуточные передачи, позволяющие более плавно увеличивать скорость в процессе разгона.
Например, на автомобиле «Москвич-412» предусмотрены две промежуточные передачи. Всего у этого автомобиля четыре передачи с передаточными числами 3,49; 2,04; 1,33; 1,0. Они соответствуют движению на I, 11, III и IV передачах. Поэтому, если максимальная скорость автомобиля на прямой передаче 140 км/ч, то на первой максимальная — 41 км/ч, а минимальная — 2,3 км/ч.
Коробка передач позволяет изменять в зависимости от условий движения автомобиля крутящий момент, создаваемый двигателем при его передаче к ведущим колесам. Она также может изменять направление движения автомобиля и на длительное время разъединять двигатель и ведущие колеса при движении автомобиля по инерции (накатом) и во время стоянки с работающим двигателем. Другими словами, коробка передач предназначена для изменения передаточного числа трансмиссии.
На автомобилях бывают в зависимости от количества передач для движения вперед трех, четырех- и пятиступенчатые коробки передач. На легковых автомобилях применяют трех- и четырехступенчатые. В последних моделях современных легковых автомобилей получили наибольшее распространение четырехступенчатые коробки передач.
Различают коробки передач и по количеству подвижных шестерен (или муфт), т. е. шестерен, имеющих «ход» для переключения передач: бывают двух- и трехходовые коробки передач. Для простоты рассмотрим трехступенчатую двухходовую коробку передач.
Простейшая коробка передач состоит из картера, ведущего, ведомого и промежуточного валов, опорных подшипников, набора шестерен, блока и оси шестерен заднего хода и крышки с механизмом переключения.
В картере коробки передач размещены на опорных подшипниках три вала: ведущий, ведомый и промежуточный, а на оси шестерня заднего хода (рис. 54, а). Все они расположены параллельно друг другу.
Рис. 54. Коробка передач
Ведущий вал выполнен как одна деталь с шестерней постоянного зацепления. На нем же нарезан зубчатый венец для включения прямой передачи и шлицы для соединения с ведомым диском сцепления (о нем было рассказано выше). Кроме того, он имеет две опорные шейки подшипников, из которых один установлен в торце коленчатого вала, а другой — в стенке картера. В торце ведущего вала сделана выточка. В ней установлен подшипник для переднего конца ведомого вала.
Промежуточный вал выполнен как одна деталь в виде набора нескольких шестерен различного диаметра. Он вращается в большинстве случаев на подшипниках, установленных в торцевых стенках картера коробки передач.
Ведомый вал является продолжением ведущего и устанавливается передним концом в его торце на игольчатом подшипнике. Вторая опорная шейка вала установлена на подшипнике в стенке картера. Почти по всей длине ведомого вала нарезаны шлицы, по которым в осевом направлении перемещаются шестерни включения передач. На ступицах этих шестерен сделаны кольцевые выточки, в которые входят вилки механизма переключения передач. Эти вилки могут перемещать шестерни вдоль оси вала, вводить их в зацепление с шестернями промежуточного и ведущего валов или выводить из зацепления.
Ось шестерни заднего хода жестко закреплена в отверстиях стенок картера. На ней свободно вращается шестерня или блок шестерен заднего хода.
Ведущий и ведомый валы, выходящие из картера, закрываются крышками. По крышке ведущего вала свободно перемещается нажимный подшипник сцепления.
При включении всех передач, кроме прямой, в зацеплении находится не одна пара шестерен, а несколько (две для движения вперед и три для движения задним ходом). Суммарное передаточное число определяется как произведение передаточных чисел каждой пары шестерен.
Как же достигается изменение направления вращения валов, т. е. как включается задний ход?
Возьмем два вала с шестернями, находящимися в зацеплении (рис. 54,б). При вращении шестерни а по часовой стрелке шестерня б вращается в противоположную сторону. Но стоит только ввести между шестернями а и б шестерню в, как шестерни а и б начинают вращаться в одну и ту же сторону.
Вот на этом принципе и основано включение заднего хода, т. е. в коробку передач введена дополнительно одна шестерня или блок шестерен. Подробно его работу рассмотрим позже.
Как происходит включение передач?
Этот процесс рассмотрим подробнее. При трогании автомобиля, как правило, требуется большой крутящий момент и небольшая скорость, т. е. необходима передача с большим передаточным числом.
Напомним, что шестерни ведущего и промежуточного валов всегда находятся в зацеплении, т. е. вращаются одновременно.
Если шестерню I передачи (на заднем конце ведомого вала) вилкой передвинуть по шлицам вперед (рис. 54, а), то она войдет в зацепление с малой шестерней промежуточного вала. Крутящий момент, развиваемый двигателем, с ведущего вала будет передан через пару шестерен постоянного зацепления промежуточному валу и далее через шестерни первой передачи ведомому валу. Так мы включили I передачу. Передаточное число — наибольшее из всех возможных для переднего хода, так как обе ведущие шестерни имеют самое малое число зубьев, ведомые самое большое.
После того как появляется потребность увеличить скорость, водитель включает II передачу, естественно, после выключения I. Опа включается вилкой при выключенном сцеплении перемещением шестерни II передачи назад до зацепления с шестерней II передачи промежуточного вала (рис. 54, г), крутящий момент будет передаваться с ведущего вала на ведомый через промежуточный вал и пару шестерен. Передаточное число меньше, так как число зубьев (а значит, и диаметр) шестерни II передачи на промежуточном валу несколько больше, а на ведомом — меньше.
После разгона автомобиля можно включить прямую передачу, которая обеспечит большую скорость. В этом случае частота вращения коленчатого вала непосредственно передается главной передаче.
При перемещении той же шестерни вперед происходит зацепление ее внутренних зубьев с зубчатым венцом ведущего вала. Включается III передача (прямая) и крутящий момент передается без изменения непосредственно ведомому валу (рис. 54, д).
Задний ход включается при введении вилкой в зацепление шестерни заднего хода (рис. 54, е). Крутящий момент от ведущего вала передается через шестерни постоянного зацепления на промежуточный вал и далее через шестерни заднего хода на ведомый вал. Передаточное число наибольшее.
Существует еще нейтральное положение шестерен, когда все подвижные шестерни не входят в зацепление и ведущий вал разобщен с ведомым. При этом ведущий и промежуточный валы вращаются вхолостую (см. рис. 54, а).
Для управления коробкой передач применяется механизм переключения передач. Он монтируется в крышке коробки. Вилки закреплены на стержнях, которые называются ползунами. Ползуны могут передвигаться в крышке вдоль своей оси вперед и назад. В крышке же выполнено шаровое гнездо. В него вставляется шаровая опора рычага. В рабочем положении рычаг постоянно прижимается пружиной и колпаком с резьбой к шаровому гнезду. Рычаг может качаться в шаровой опоре в двух плоскостях: в плоскости направления валов коробки передач и в плоскости, перпендикулярной ей (поперечной).
Если рычаг качать в поперечной плоскости вправо и влево, то его нижний конец будет заходить то в одну, то в другую прорезь в вилках, а если качать в продольной плоскости, то можно поочередно передвигать вилки вместе с ползунами, а следовательно, передвигать ту или иную подвижную шестерню по шлицам вала.
Чтобы включить I передачу, необходимо рычаг наклонить влево и двинуть назад (см. рис. 54, в): вилка введет в зацепление шестерни / передачи. Для включения II передачи сначала выключают первую, т. е. переводят рычаг в нейтральное положение, а затем, наклонив его вправо вперед, передвигают ползун назад. III передача включается перемещением рычага вправо и назад. Чтобы включить задний ход, необходимо рычаг до упора наклонить влево, преодолев упругость пружины, и переместить его вперед. Пружина поставлена для предохранения от случайного перемещения рычага.
Сразу две передачи включиться не могут, так как крайние положения ползунов, когда шестерни зацепляются по всей длине зуба, фиксируются специальными приспособлениями. На каждом ползуне сверху сделаны три углубления (на ползуне вилки заднего хода — два). Среднее углубление соответствует нейтральному положению шестерни. В крышке высверлены каналы, и в них вставлены фиксаторы, состоящие из шариков и пружин., Шарик входит под действием пружины в одну из выемок и препятствует перемещению ползуна. Теперь для перемещения ползуна необходимо приложить определенное усилие.
Чтобы не переместились два ползуна одновременно и не включились сразу две передачи, предусмотрены замки, которые запирают все ползуны, кроме одного, включающего передачу. Устроен он просто: в крышке в направлении, перпендикулярном ползунам, просверлен канал, а сбоку в ползунах сделаны выемки. В канал между ползунами ставят штифты или шарики, которые препятствуют перемещению ползунов, если включена какая-либо передача. Штифт отопрет ползун только тогда, когда будет включена нейтральная передача и боковые выемки станут напротив штифта. Теперь можно включить любую передачу.
Существуют некоторые особенности при переключении передач. Допустим, автомобиль движется на подъем на прямой передаче. Необходимо включить пониженную, иначе двигатель не осилит подъема. Водитель ставит рычаг в нейтральное положение, и если попытается сразу включить пониженную передачу, то раздастся скрежет, так как валы вращаются с разной частотой. Для выравнивания частот вращения валов можно использовать сцепление, работу которого мы рассмотрели. Но оно поможет это сделать лишь опытному водителю, «чувствующему» автомобиль. Молодой водитель не всегда справится с задачей, поэтому в помощь ему установлены синхронизаторы, которые перед включением передачи уравнивают скорости зубьев шестерен.
Как это делается?
Рассмотрим принцип работы синхронизатора четырехступенчатой коробки передач.
Ступица синхронизатора (рис. 55) на шлицах может передвигаться по ведомому валу между венцом ведущего вала и шестерней, свободно вращающейся на ведомом валу, но находящейся в постоянном зацеплении с шестерней промежуточного вала. Снаружи на ступице нарезаны зубья. Такие же зубья имеются на двух блокирующих кольцах слева и справа ступицы и на зубчатых венцах шестерен. Две пружины постоянно прижимают к муфте три блокирующих сухаря. Вилка переключения передач входит в кольцевой паз на муфте, имеющей на внутренней поверхности зубья.
Рис. 55. Синхронизатор
В момент включения передачи муфта под действием вилки при помощи сухарей перемещает перед собой блокирующее кольцо. Оно конической поверхностью касается конической поверхности шестерни и давит на него. Возникающая сила трения между коническими поверхностями уравнивает окружные скорости шестерни и ступицы синхронизатора. При дальнейшем передвижении зубья муфты свободно соединяют шестерни. Конструкция синхронизаторов может быть различная, но принцип действия их, как правило, всегда одинаков.
Синхронизаторами снабжаются обычно шестерни передач, переключаемых наиболее часто.
В современных коробках передач постоянно вводятся усовершенствования, способствующие облегчению труда водителя, повышению ее надежности и долговечности, уменьшающие трудовые затраты при техническом обслуживании. Например, рассмотренная коробка передач с прямыми зубьями имеет некоторые недостатки: издает некоторый шум при работе, не может передать большой крутящий момент, так как площадь контакта между зубьями небольшая. Введение шестерен с косыми зубьями позволяет избежать этого недостатка.
Итак, синхронизатор предназначен для выравнивания частот вращения шестерен, уменьшения шума при переключении передач и износа шестерен.
Естественно, как любой механизм с трущимися деталями, шестерни необходимо смазывать. Для этого в картер заливают трансмиссионное (вязкое) масло до нижней кромки заливного отверстия либо до метки на указателе уровня масла (щупе). Вращающиеся шестерни в процессе работы разбрызгивают масло по всему пространству.