Механическая коробка передач

Ручная коро́бка переда́ч (далее по тексту — РКП; встречается вариант РКПП — «ручная коробка перемены, или переключения, передач», вариант МКПП является калькой с англ. MT (Manual Transmissioni - Ручная Трансмиссия) и некорректно отражает суть объекта) — разновидность коробки передач, механизм, предназначенный для ступенчатого изменения передаточного отношения, в котором выбор передачи осуществляется оператором (водителем) вручную.

Коробка передач обеспечивает использование оптимального режима работы двигателя при движении в различных условиях. В ручной коробке передач это осуществляется за счёт ручного переключения ступеней (передач), имеющих различное передаточное число.

Назначение

Используемый на большинстве автомобилей двигатель внутреннего сгорания может работать лишь в достаточно узком диапазоне оборотов — как правило порядка 800…8000 об/мин. Между тем, диапазону скоростей, развиваемых автомобилем при эксплуатации, обычно соответствует частота обращения колёс примерно от 50 до 1500 об/мин (при полностью включенном сцеплении, без учёта его кратковременной пробуксовки, позволяющей автомобилю трогаться с места, когда скорость обращения ведущих колёс «отстаёт» от величины, заданной скоростью обращения коленчатого вала двигателя). Эти два диапазона принципиально несовместимы друг с другом, то есть, невозможно подобрать какое либо одно передаточное число, при котором будет обеспечиваться необходимый диапазон скоростей обращения колёс, и при этом — в полной мере использоваться рабочий диапазон оборотов двигателя.

Далее, сила тяги, приводящая автомобиль в движение, определяется скоростной характеристикой двигателя — зависимостью его эффективной мощности и крутящего момента от угловой скорости обращения коленчатого вала. Мощность двигателя характеризует его способность производить энергию, используемую для движения автомобиля, а крутящий момент — способность создавать тяговую силу на колёсах, преодолевающую сопротивление его движению. Таким образом, обе эти характеристики характеризуют по сути одно и то же — способность двигателя перемещать автомобиль в пространстве, но различным образом. Спор о том, что важнее — мощность или крутящий момент — бессмыслен, эти величины взаимосвязаны.

При невысоких оборотах развиваемая двигателем мощность мала, а максимальное её значение достигается лишь при оборотах несколько ниже максимальных — так называемых оборотах наибольшей мощности. Величина развиваемого двигателем крутящего момента меняется в меньшей степени, но тоже имеет максимум, достигаемый при оборотах максимального крутящего момента, обычно примерно посередине рабочего диапазона.

Для трогания с места и разгона автомобиля необходимо затратить большую работу в физическом смысле, следовательно — на его колёса требуется подать значительную мощность, которую можно получить лишь при достаточно высоких оборотах двигателя. Между тем, скорость движения автомобиля при трогании с места невысока. То же самое — при движении по бездорожью, когда высокие значения мощности и крутящего момента востребованы при невысокой скорости движения автомобиля.

При равномерном движении автомобиля в обычных дорожных условиях потребная мощность определяется величиной сопротивления его движению (главным образом — сопротивления качению и аэродинамического сопротивления), которое приходится преодолевать за счёт силы тяги двигателя — величина сопротивления же, в свою очередь, зависит от скорости движения. Для равномерного движения с невысокой скоростью не требуется большой мощности однако по мере роста скорости все виды сопротивления движению автомобиля резко возрастают — соответственно, растут и затраты мощности, которую, опять же, можно получить только при высоких оборотах двигателя.

При обгонах и перестроениях, маневре скоростью на трассе, когда автомобилю требуется резко ускориться во время движения, также необходимо затратить большую мощность.

Таким образом, необходимо обеспечить возможность эффективного использования мощности двигателя вплоть до максимальной как при низкой и средней скорости движения, когда угловая скорость обращения колёс невысока, так и при высокой скорости движения и, соответственно, высокой скорости обращения колёс.

Отсюда вытекает необходимость в осуществляющей передачу вращения с двигателя на колёса трансмиссии с определённым передаточным числом, причём это передаточное число должно быть переменным, позволяющим использовать различные соотношения между скоростями обращения коленчатого вала двигателя и ведущих колёс. Наиболее технически простым способом обеспечения переменного передаточного числа трансмиссии и является использование ступенчатой ручной коробки передач, в которой передаточное число меняется за счёт выбора одной из нескольких пар передающих крутящий момент шестерён с различным передаточным отношением. Отношение между наибольшим и наименьшим передаточными числами трансмиссии в целом называется её силовым диапазоном d или диапазоном регулирования. На легковых автомобилях общего назначения силовой диапазон трансмиссии обычно не превышает 5…6, у внедорожников может достигать 8…9 и более. Более широкий силовой диапазон позволяет для каждого режима работы двигателя подобрать наиболее экономичный и эффективный режим работы трансмиссии.

Низшие передачи (их обычно одна — две), задействованные при выборе которых пары шестерён имеют самые большие передаточные числа (на легковых автомобилях обычно от 5:1 до 3,5:1), используются для трогания с места и динамичного разгона, а также постоянного движения с невысокой скоростью и по бездорожью. Даже при больших оборотах двигателя на низших передачах автомобиль будет ехать сравнительно медленно, но при этом в полной мере используются его мощность и крутящий момент, создающий разгоняющую автомобиль избыточную тяговую силу на колёсах (разница между полной величиной тяговой силы и силой сопротивления движению).

Однако превышение определённого критического значения избыточной тяговой силы (его величина зависит от массы, приходящейся на ведущую ось, и коэффициента трения между шиной и дорогой) приводит к пробуксовке ведущих колёс. Некоторые автомобили в обычных дорожных условиях даже не могут нормально тронуться с места на первой передаче из-за пробуксовки — обычно это грузовики или внедорожники с очень низким передаточным отношениями на низших передачах, предназначенных для трогания с места в гружёном состоянии или в условиях бездорожья. При работе на низших передачах быстро растут обороты двигателя, что приводит к повышению уровня шума и расхода топлива (после оборотов наибольшего крутящего момента), а после превышения оборотов максимальной мощности — начинает падать и тяга двигателя. Кроме того, постоянная работа на высоких оборотах быстро изнашивает мотор. Таким образом, «перекручивать» мотор на низших передачах выше определённых оборотов невыгодно.

Поэтому после трогания и начального разгона на низших передачах становится необходимо задействовать более высокую передачу — одну из промежуточных, имеющих передаточные отношения обычно в пределах 2,5:1…1,5:1. Максимальные скорости, развиваемые на промежуточных передачах, выше, чем на низших, кроме того снижается шум за счёт меньших оборотов двигателя при той же скорости движения, однако приемистость (время, за которое двигатель под нагрузкой развивает максимальные обороты) на них хуже. Количество промежуточных передач и соотношение между передаточными числами соседних передач характеризуются величиной плотности ряда передач — чем она выше, тем меньше падение оборотов двигателя при переключении между соседними передачами, тем плавнее происходит разгон автомобиля, облегчается работа синхронизаторов. Однако при этом растёт нагрузка на водителя — малейшее изменение условий движения начинает требовать перемены передачи, передачи становятся очень «короткими», а вождение — утомительным.

Высшие передачи, соответствующие которым пары шестерён имеют самые малые передаточные числа (около 1:1 или даже менее) — используются для движения с постоянной высокой скоростью. Двигатель при этом работает в основном с оборотами выше средних, вплоть до максимальных, что соответствует его максимальной мощности, которая как раз и необходима для развития максимальной скорости.

Например, у автомобиля ВАЗ-2106 рабочий диапазон оборотов двигателя — примерно 850…6000 об/мин, а диапазон частоты обращения колёс — от 60 об/мин (при скорости 7 км/ч, соответствующей движению на первой передаче на холостом ходу) до 1460 об/мин (при максимальной скорости в 154 км/ч; расчёт сделан для радиуса качения колеса, равного 28 см).

На высшей IV передаче с передаточным отношением 1:1 (прямой, при которой коленчатый вал двигателя напрямую соединяется через первичный вал со вторичным валом коробки передач и присоединённым к нему карданным валом) общее передаточное число трансмиссии будет определяться передаточным отношением редуктора главной передачи — в данном случае 4,1:1. Таким образом, на IV передаче этот автомобиль может двигаться в диапазоне скоростей примерно от 22 км/ч (при минимальных 850 об/мин) до 154 км/ч (при максимальных оборотах), а реально — и в ещё более узком, так как при оборотах, близких к минимальным, мощности двигателя может не хватать даже для равномерного движения, и двигатель будет глохнуть.

На высшей передаче автомобиль не может трогаться с места и двигаться на низкой скорости, зато может передвигаться на скорости вплоть до максимальной при оборотах двигателя, находящихся в приемлемых рамках. Обычная для междугородной трассы скорость в 90-110 км/ч развивается ВАЗ-2106 на IV передаче в диапазоне 3500-4000 об/мин, что соответствует оборотам максимального крутящего момента двигателя и, во-первых, способствует экономии топлива, так как именно данный режим работы двигателя является оптимальным с точки зрения экономичности, а во-вторых — обеспечивает автомобилю запас мощности на случай обгона. При необходимости же более интенсивного ускорения водитель может перейти на промежуточную III передачу, максимальная скорость на которой составляет примерно 120 км/ч.

Напротив, на низшей I передаче с передаточным отношением 3,24:1 общее передаточное число трансмиссии составляет уже 13,284:1, а диапазон скоростей — от 7 до 48 км/ч. На этой передаче машина может трогаться с места, маневрировать на парковке, двигаться в тяжёлых дорожных условиях, при невысокой скорости используя максимальные значения мощности и крутящего момента двигателя, но её максимальная скорость ограничена.

Силовой диапазон трансмиссии ВАЗ-2106, таким образом, равен 3,24 (для позднего варианта с 5-ступенчатой КП и главной парой 3,9:1 — 4,58).

Скорость автомобиля при движении на передаче с заданным передаточным числом i определяется по формуле:

<math>V_a = 3,6 ~\pi N r_k / (30 i_0 i) = 0,377 N r_k / (i_0 i)</math>, где:

• <math>V_a</math> — скорость автомобиля [км/ч];
• <math>N</math> — число оборотов двигателя [об/мин];
• <math>r_k = S/(2 ~\pi n_k)</math> — радиус качения колеса [м];
• <math>S</math> — путь, пройденный автомобилем [м];
• <math>n_k</math> — число оборотов колеса на определённом отрезке пути [шт];
• <math>i_0</math> — передаточное число главной передачи;

Основы устройства

Принцип работы

Принцип работы ручной КП сводится к кинематическому соединению на различных ступенях входного и выходного валов различными комбинациями шестерен с разными передаточными числами.

Валы и шестерни

Любая коробка передач представляет собой набор расположенных в едином корпусе (называемом картером) параллельных валов с расположенными на них шестернями.

В трёхвальной КП автомобиля классической компоновки имеются первичный, вторичный и промежуточный валы.

• Первичный (ведущий) вал через сцепление соединяется с маховиком двигателя.
• Вторичный (ведомый) вал жёстко соединён с карданным валом.
• Промежуточный вал служит для передачи вращения от первичного вала вторичному.

Первичный и вторичный валы расположены последовательно, вторичный опирается при этом на подшипник, установленный в хвостовике первичного. Жёсткой связи они не имеют и вращаются независимо друг от друга. Промежуточный вал расположен под первичным и вторичным валами параллельно им, нередко со смещением вбок. На валах находятся блоки шестерён. Чтобы уменьшить шумность работы, шестерни обычно делают косозубыми.

На первичном валу находится ведущая шестерня, приводящая промежуточный вал в движение. На промежуточном валу расположен блок шестерён, шестерни которого жестко соединены с валом и часто изготавливаются как единое целое с ним. На вторичном валу расположены ведомые шестерни, которые могут находиться на шлицах вала и перемещаться по ним, либо вращаются на ступицах, в этом случае их продольное перемещение исключено, а передача включается путём подключения шестерни к валу скользящей муфтой, часто снабженной механизмом, выравнивающим угловые скорости вала и шестерни — синхронизатором. В несинхронизированных КП спортивных автомобилей или спецтехники для этой же цели часто используются кулачковые муфты.

Переключение передач

Между шестернями ведомого вала расположены муфты включения передач (или шлицевые муфты). В отличие от шестерен, они закреплены на валу и вращаются вместе с ним, но могут двигаться вдоль его оси (вперёд-назад).

По числу муфт включения (или скользящих шестерён, если они использованы в конструкции вместо муфт) разделяют коробки передач двухходовые, трёхходовые, и так далее. Так, у трёхходовой коробки передач имеются три муфты включения, каждая из которых может блокировать на валу по две шестерни, соответствующие определённой передаче — то есть, у трёхходовой коробки передач может быть от 4 до 5 передач переднего хода (плюс задний ход). Четырёхходовая коробка может иметь 6, 7 (плюс задний ход) или 8 передач (без заднего хода) — последний вариант обычно применяется в сельхозтехнике, где задний ход обеспечивается отдельным реверс-редуктором.

На сторонах шестерён вторичного вала, обращённых к муфтам включения передач, имеются зубчатые венцы. Такой же венец имеет задний торец ведущего вала. Ответные зубчатые венцы находятся на муфтах включения.

При движении рычага переключения передач, при помощи специального привода через ползуны приводятся в движение вилки переключения передач, которые могут перемещать муфты включения в продольном направлении. Специальный блокирующий механизм (замок) при этом не допускает одновременного включения двух передач. Замок фиксирует два ползуна в нейтральном положении при движении третьего (в трехходовой КП), что исключает одновременное включение двух передач.

Когда муфта включения движется в направлении шестерни нужной передачи, их зубчатые венцы встречаются, и муфта включения, которая вращается вместе с валом, соединяется с шестернёй передачи, блокируя её. После этого они вращаются вместе, и коробка передач начинает передавать вращение от двигателя на главную передачу через карданный вал.

Синхронизаторы

Для безударного включения передач в КП используются синхронизаторы, уравнивающие окружную скорость шестерни и муфты включения и не дающие муфте заблокировать шестерню, пока их скорости не сравняются. Так как этот процесс занимает время порядка миллисекунд, без применения специальных приборов обнаружить сопротивление синхронизатора перемещению муфты при переключении передач невозможно — водитель его просто не успевает ощутить (см. также раздел «Синхронизированные и несинхронизированные РКП»).

Пример

Ниже схематично рассмотрена работа трёхвальной, трёхходовой четырёхступенчатой РКП заднеприводного легкового автомобиля, с шестернями постоянного зацепления и синхронизаторами на передачах переднего хода и скользящей шестернёй заднего хода. 1, 2, 3, 4, R — шестерни соответствующих передач, неподвижно закреплённые на промежуточном валу.

Цвета:

Ведущий (первичный) вал — оранжевый;
Ведомый (вторичный) вал — жёлтый;
Промежуточный вал — серый;
Вал заднего хода и соответствующий ползун — зелёный;
Ползун включения III—IV передач — фиолетовый;
Ползун включения I—II передач — голубой;

N — нейтральная передача: ни одна из муфт не зацеплена ни с одной шестернёй, первичный и промежуточные валы вращаются, вторичный в покое.

I передача: муфта первой-второй передач (ярко-голубой на илл.) блокирует шестерню первой передачи на вторичном валу; вращение передаётся сначала единственной шестернёй первичного вала на промежуточный, а с него — через шестерню первой передачи на вторичный вал, и далее на трансмиссию.

II передача: та же муфта перемещается и блокирует шестерню второй передачи;

III передача: муфта первой-второй передач в нейтральном положении; муфта третьей-четвёртой (фиолетовый на илл.) блокирует шестерню третьей передачи на ведомом валу, вращение передаётся с первичного вала на промежуточный, а с него через шестерню третьей передачи — на вторичный.

IV передача: муфта первой-второй передач в нейтральном положении; муфта третьей-четвёртой передач блокирует венец первичного вала, благодаря чему первичный и вторичный валы вращаются как единое целое. Промежуточный вал не задействован (но продолжает обращаться, так как постоянно зацеплен с первичным).

Такая передача, при которой вращение передаётся непосредственно с первичного вала на вторичный в обход шестерён промежуточного вала, всегда имеет одно передаточное отношение — 1:1, и называется прямой передачей, так как крутящий момент передается напрямую от первичного вала на вторичный. Этот режим работы КП является выгодным, так как уменьшаются потери и износ.

R — задний ход: муфты в нейтральном положении; скользящая шестерня заднего хода, вращающаяся на своём собственном валу, входит в зацепление с соответствующей шестерней промежуточного вала и с шестерней ведомого вала (шестерня промежуточного вала с шестерней ведомого вала не образуют зацепления), образуется нечетное число зацепляющихся пар (три пары), благодаря чему вторичный вал крутится в направлении, противоположном направлению вращения первичного вала.

Двухвальные и трёхвальные РКП

Наиболее ходовыми являются две конструкции РКП — двухвальные и трёхвальные, по числу имеющихся в них валов.

В двухвальной КП крутящий момент передаётся непосредственно с шестерён соединённого с маховиком двигателя первичного (ведущего) вала на шестерни расположенного параллельно ему вторичного (ведомого). При этом коробка передач получается простой и компактной, но на всех передачах для передачи крутящего момента задействованы шестерни, что снижает КПД трансмиссии при движении на высшей передаче — правда, ценой некоторого его повышения на промежуточных благодаря меньшему количеству задействованных в передаче крутящего момента деталей. Главное же преимущество таких КП — возможность компоновочно объединить двигатель и всю трансмиссию автомобиля в единый компактный силовой агрегат. Таковы коробки передач тяжелых мотоциклов (отечественных «Урал» и «Днепр»), практически всех автомобилей с заднемоторной компоновкой и передним приводом. В трёхвальной коробке передач крутящий момент сначала парой шестерён передаётся с первичного вала на расположенный параллельно ему промежуточный, а уже с его шестерён — на шестерни расположенного соосно с первичным выходного вала. Такая КП получается более тяжёлой и габаритной, но в ней может быть реализована прямая передача, на которой крутящий момент передаётся без посредства шестерён, с первичного вала сразу на выходной, за счёт объединения их в одно целое скользящей зубчатой муфтой (правда, с распространением коробок передач с повышающей передачей — см. ниже — это их преимущество в значительной степени стало неактуально). Ещё одно преимущество трёхвальной КП — возможность достижения намного больших передаточных чисел и в целом более широкого силового диапазона.

В настоящее время большинство легковых автомобилей, в особенности — переднеприводных, имеет двухвальные коробки передач, в то время, как на грузовиках и внедорожниках по-прежнему наиболее распространены трёхвальные.

Синхронизированные и несинхронизированные РКП

Первые коробки передач представляли собой очень простые по устройству прямозубые шестерёнчатые редукторы, изменение передаточного числа в которых осуществлялось за счёт продольного перемещения шестерён, скользящих на продольных шлицах валов. При включении передачи одну из шестерён сдвигали вдоль вала, при этом её зубья входили в зацепление с зубьями соответствующей ответной шестерни, шестерни вступали друг с другом в зацепление и начинали передавать крутящий момент. Для того, чтобы зубчатые венцы шестерён вошли в зацепление, необходимо, чтобы их окружные скорости были хотя бы примерно одинаковыми. Однако окружные скорости пары обеспечивающих передачу крутящего момента шестерён в момент включения передачи обычно не совпадают, так что попытка просто переместить их зубчатые венцы друг навстречу другу вплоть до контакта приведёт к сильному удару в трансмиссии, сопровождающемуся характерным скрежетом и очень быстрым износом зубцов. Поэтому водителю приходилось, действуя педалью акселератора и используя специальные приёмы работы со сцеплением, грубо выравнивать окружные скорости шестерён, при умелом исполнении чего они в нужный момент бесшумно и безударно входили в зацепление друг с другом. Для грубого выравнивания окружной скорости шестерён при переключении передач служит способ, называемый «двойным выжимом»: для переключения между низшей и высшей передачей сначала выжимают педаль сцепления, выключают передачу (коробка в «нейтрали»), отпускают сцепление — при этом обороты первичного вала уравниваются с оборотами двигателя — а затем снова нажимают на его педаль и включают нужную передачу (см. [www.youtube.com/watch?v=pI3cHXnGEx4 видеоролик]). При переключении с высшей передачи на низшую применяют «двойной выжим с перегазовкой» — последовательность действий та же, но когда коробка передач находится в нейтрали производят «перегазовку» — нажимают на педаль акселератора, доводя обороты коленчатого вала двигателя и связанного с ним первичного вала коробки передач до примерно соответствующих оборотам трансмиссии и связанного с ней вторичного вала.

Впоследствии на смену прямозубым скользящим шестерням пришли бесшумные косозубые шестерни постоянного зацепления, которые из-за косого рисунка зубьев невозможно было в процессе работы коробки передач временно вывести из зацепления — при включенном сцеплении они всегда находятся во вращении, хотя и не всегда участвуют в передаче крутящего момента. Включение передач при этом стало осуществляться при помощи отдельных от шестерён скользящих зубчатых муфт, вращающихся вместе с валом и способных перемещаться вдоль него, в крайних положениях фиксируя на нём ту или иную из соседних шестерён. При включении передачи соответствующая ей зубчатая муфта смещается из нейтрального положения в одно из крайних и фиксирует соответствующую шестерню на валу, переходя на выполненный как одна деталь с этой шестернёй зубчатый венец с прямыми зубьями. Этот зубчатый венец, как и сама зубчатая муфта, служит не только для включения передачи, но и участвует в передаче крутящего момента. Это несколько облегчило работу водителя благодаря снизившемуся усилию на рычаге (усилие сдвига муфт намного меньше, чем самих шестерён, передающих крутящий момент), но не избавило его от вышеописанных приёмов.

На некоторых спортивных автомобилях и мотоциклах с несинхронизированными РКП передачи обычно переключают без выжима сцепления, что требует от водителя большого опыта (необходимо на уровне автоматизма достаточно точно «подгадывать» необходимые в момент переключения обороты двигателя).

На легковых автомобилях полностью несинхронизированные РКП применялись в основном до середины 1930-х… конца 1940-х годов (в практике советского автомобилестроения — ГАЗ-А, М-1, ранние серии «Победы», «Москвич-400»), после чего на большинстве новых моделей стали синхронизированными хотя бы высшие передачи переднего хода.

Однако на тяжёлых грузовиках и тракторах, КП которых имеют большое количество передач — иногда до двух десятков — установка синхронизаторов технически очень сложна, так как значительно увеличивает габариты, стоимость и массу КП, а кроме того — резко снижает долговечность, так как синхронизаторы являются одним из наиболее изнашивающихся элементов РКП. Управляющие такими машинами водители-профессионалы специально обучены осуществлять переключение передач на несинхронизированной КП.

Кроме того, несинхронизированные РКП иногда используют на современных спортивных автомобилях и мотоциклах по двум причинам: во-первых, опытный водитель переключает не синхронизированные передачи быстрее (с меньшей задержкой), а во-вторых (что более важно), такие коробки более живучи при характерных для спорта высоких нагрузках. Правда, в них обычно используется кулачковый механизм выбора передач (шестерни фиксируются на валу не зубчатой, а кулачковой муфтой) и секвентальное управление, несколько облегчающее работу водителя. Кулачковые коробки с секвентальным механизмом управления используются и на большинстве мотоциклов.

В синхронизированной РКП специальные устройства — синхронизаторы — не дают включающей муфте перейти с одной шестерни на другую, пока их скорость не выравняется, а также обеспечивает выравнивание их окружных скоростей. Простейший конусный синхронизатор (типа Borg-Warner) представляет собой бронзовое блокирующее кольцо, расположенное на валу между зубчатым венцом шестерни соответствующей передачи и скользящей муфтой включения. Кольцо имеет внутреннюю коническую поверхность, обращённую в сторону шестерни, и зубчатый венец, обращённый в сторону муфты. Материал блокирующего кольца отличается износостойкостью и высоким коэффициентом трения. Оно соединено со скользящей муфтой при помощи сухарей таким образом, что её перемещение вдоль вала вызывает перемещение соответствующего блокирующего кольца в том же направлении. При включении передачи вилка переключения начинает сдвигать муфту в сторону соответствующей шестерни. Для включения передачи муфта должна перейти на зубчатый венец шестерни, зафиксировав её на валу, но в данный момент это невозможно, так как окружные скорости шестерни и муфты с блокирующим кольцом не равны, при этом венец блокирующего кольца удерживает муфту от контакта с зубчатым венцом шестерни, предотвращая их повышенный износ. Через сухари движение муфты передаётся блокирующему кольцу, которое тоже начинает смещаться по валу в сторону шестерни, на которой имеется коническая поверхность, ответная конической поверхности блокирующего кольца. Своей конической поверхностью блокирующее кольцо вступает во взаимодействие с конической поверхностью шестерни. Сила трения между блокирующим кольцом, вращающимся с той же скоростью, что и муфта, и шестерней выравнивает их угловые скорости, проворачивая блокирующее кольцо в такое положение, что зубья его венца, скользящей муфты и венца шестерни передачи встают в один ряд, после чего муфта может легко перейти на зубчатый венец шестерни, фиксируя её на валу и тем самым включая передачу.

Синхронизаторы могут располагаться на любом из валов коробки передач, или даже на нескольких валах одновременно. В прошлом синхронизированными были лишь высшие передачи. Например, в коробке передач «Волги» ГАЗ-21 и многих автомобилей того же времени синхронизированы были только II и III передачи, а I передача и передача заднего хода — синхронизаторов не имели. В этом случае вождение автомобиля было всё же существенно проще, чем с полностью несинхронизированной коробкой передач: большую часть времени водитель старался двигаться на синхронизированных высших передачах, переходя на несинхронизированные лишь при большой необходимости (например, инструкция к ГАЗ-21 рекомендовала переходить на первую передачу лишь при замедлении до скорости в 5 км/ч), а для бесшумного и безударного включения несинхронизированных передач применяется специальный приём — выжав сцепление, сначала рычаг переключения передач переводят в положение, соответствующее одной из синхронизированных передач, а затем, не отпуская педали сцепления, включают нужную не синхронизированную передачу. При этом происходит выравнивание скоростей валов коробки передач, что даёт эффект, практически аналогичный наличию на этой передаче синхронизаторов. Применение этого приёма позволяет не только избежать неприятного скрежета при включении несинхронизированной передачи, но и значительно увеличить ресурс её шестерней. В плотном потоке транспорта это, однако, часто вызывало малоприятные задержки при трогании с места, поэтому к середине шестидесятых годов на новых моделях был совершён переход к полностью синхронизированным коробкам передач, более адаптированным к изменившимся условиям городского движения.

У абсолютного большинства современных легковых автомобилей синхронизированы все передачи как минимум переднего хода, а у очень многих — и заднего. Применяются многоконусные синхронизаторы, позволяющие повысить эффективность синхронизации и уменьшить требуемое усилие за счёт увеличения количества пар трения.

Количество ступеней

Число ступеней считают по номеру передачи переднего хода с наименьшим передаточным отношением.

• Двухступенчатые: некоторые из первых серийных автомобилей, например Ford T, из соображений удешевления имели коробку передач с двумя передачами переднего хода, плюс одна-две передачи заднего;
• Трёхступенчатые: ещё в 1910-х годах распространились коробки передач с тремя ступенями переднего хода, которые были широко распространены в Европе — до конца 1960-х годов, а в Северной Америке — до второй половины 1970-х; после середины 1930-х в них как правило были синхронизированы как минимум вторая и третья передачи; вплоть до конца 1950-х — начала 1960-х большинство автомобилей имело именно трёхступенчатые коробки передач, в СССР даже существовали дорожные знаки, требующие от водителя по мере приближения к железнодорожному переезду переключаться с третьей (первый знак — три чёрточки) сначала на вторую (второй — две чёрточки), а затем и на первую (третий — одна чёрточка) передачу;
• Четырёхступенчатые: уже на многих ранних автомобилях использовались четырёхступенчатые коробки передач, но без синхронизаторов; с появлением синхронизаторов большинство производителей массовых автомобилей ограничило количество ступеней тремя; только в конце 1950-х годов на массовых моделях стали появляться четырёхступенчатые коробки передач «со сближенными передаточными числами», имевшие две промежуточные передачи (II и III), что обеспечивало более интенсивный и плавный разгон, делало более удобным управление в плотном потоке транспорта за счёт меньшей разницы в передаточных числах I и II передач. В США они долго рассматривались как спортивная опция, а в Европе с начала 1960-х стали устанавливаться на большинство автомобилей;
• Пятиступенчатые: в 1960-е годы появились, а в 1980-е получили массовое распространение РКП с четырьмя основными передачами переднего хода и дополнительной пятой, которая представляла собой встроенную в саму коробку повышающую передачу (см. ниже);
• Шестиступенчатые: в 1990-е годы появились шестиступенчатые коробки передач. Они могли представлять собой как РКП с четырьмя базовыми ступенями и двумя — повышающими (для ещё большей экономии топлива), так и РКП с пятью базовыми и одной повышающей ступенью (для ещё более динамичного разгона);
• Семиступенчатые и далее: в 2000-е годы появляются ручные коробки передач с пятью базовыми ступенями и двумя повышающими (например, Bugatti Veyron или BMW M5).

С распространением полуавтоматизированных систем переключения передач (как на том же Bugatti Veyron) с возможностью переключения передач только «вверх» или «вниз» при помощи электроники, по сути стало возможно иметь почти сколько угодно передач с сохранением возможности для водителя адекватно переключать их. Тем не менее, на современном этапе большинство массовых легковых автомобилей обходятся пятью-шестью.

Повышающие передачи

Повышающая передача или овердрайв (англ. Overdrive) — передача с передаточным числом менее единицы. Повышающей она называется постольку, поскольку при таком передаточном числе ведомый вал вращается быстрее ведущего.

До 1970-х годов овердрайв на легковых автомобилях обычно оформляли в виде отдельного от КП агрегата. Например, на Volvo 240 с четырёхступенчатой трансмиссией можно было заказать дополнительный овердрайв с различными вариантами передаточных чисел. Такой овердрайв мог включаться как вручную водителем (на илл. слева), так и автоматически, по достижении определённой скорости при движении на прямой передаче (на илл. справа). См. также [www.youtube.com/watch?v=zqfyciV0FwQ видео] работы водителя при переключении передач на автомобиле с 3-ступенчатой коробкой передач и включаемым тумблером на панели приборов овердрайвом — продемонстрировано последовательно переключение из нейтрали на первую, вторую, вторую с овердрайвом, третью и третью с овердрайвом передачи.

Например, на автомобилях Ford 1950-х — 1960-х годов овердрайв автоматически включался при движении на прямой передаче при превышении скорости в 27 миль в час (около 45 км/ч), а отключался при её снижении ниже 21 мили в час (около 35 км/ч) или при резком нажатии на педаль акселератора (так называемый кик-даун, режим включения пониженной передачи для обгона).

Иногда овердрайв встраивался в картер заднего моста, образуя единый агрегат с главной передачей.

С начала 1970-х годов овердрайв стали встраивать в четырёхступенчатые РКП как пятую передачу, что стало обычной практикой в 1980-е. В наши дни в КП может быть более одной повышающей передачи.

Вопреки распространённому мнению, в большинстве случаев наличие повышающей передачи существенно не увеличивает максимальной скорости автомобиля. На автомобилях с трёхвальными КП максимальная скорость достигается уже на прямой передаче (с передаточным отношением 1:1) — на повышающей передаче при прочих равных лишь уменьшаются обороты коленчатого вала, следовательно — расход топлива и износ двигателя, кроме того за счёт её наличия увеличивается крейсерская скорость движения по трассе. У автомобилей с двухвальными коробками передач, у которых прямая передача отсутствует, максимальная скорость достигается именно на повышающей передаче, но от развиваемой на предшествующей передаче, с передаточным числом, обычно вплотную приближающимся к 1:1, она отличается лишь незначительно. Субъективно ощущаемое водителем увеличение максимальной скорости автомобиля после установки на него КП с повышающей передачей в основном относится на счёт снижения шумности и нагрузки на двигатель при сохранении той же максимальной скорости.

Планетарные коробки передач

Некоторые автомобили использовали планетарные ручные коробки передач, например Ford T. Зубчатые колеса в планетарном механизме совершают помимо вращательного движения вокруг своей оси вращательное движение еще и вокруг так называемого «солнечного колеса».

Особенность этих коробок в том, что все шестерни в них находятся в постоянном зацеплении, а изменение передаточного числа происходит за счёт блокирования отдельных вращающихся элементов планетарного механизма ленточными тормозами и пакетами фрикционов, что меняет характер его работы. Так как при переключении передач в планетарной коробке зубчатые венцы не вводятся друг с другом в зацепление, нет необходимости разобщать двигатель и трансмиссию для прерывания потока мощности на время переключения, благодаря чему отпадает потребность в обычном сцеплении (сцепление в таких коробках ставят только на выходном валу, и служит оно не для переключения передач, а лишь для полного разобщения двигателя и трансмиссии). Кроме того, такая КП получается гораздо компактнее обычной с тем же числом передач.

Между тем, управление автомобилем с такой КП очень специфично — например, на Ford T для переключения передач использовались рычаг стояночного тормоза и две педали, а сама она достаточно дорога в производстве. Поэтому ручные планетарные КП не получили распространения на автомобилях — зато нередко применяются на велосипедах, а также на танках и иных гусеничных машинах.

Кроме того, практически все гидроручные автоматические трансмиссии используют планетарную ручную часть, которая легко автоматизируется и может работать в паре с гидротрансформатором без сцепления.

Механизмы управления

В классической РКП для выбора нужной передачи служит рычаг переключения передач. С его помощью в любой момент можно включить любую из имеющихся передач (кроме заднего хода, включение которого допустимо после разблокирования специального предохранителя).

Расположение рычага и система привода могут в значительной степени варьироваться в зависимости от компоновки автомобиля.

• Рычаг расположен на крышке коробки передач (обычно сверху или сбоку), либо на специальном удлинителе, и непосредственно либо при помощи расположенных внутри удлинителя штоков воздействует на вилки выбора передач. В этом случае все механизмы переключения расположены внутри корпуса коробки и рычаг непосредственно перемещает вилки переключения передач, воздействующие на муфты переключения передач или скользящие шестерни. Основной плюс такой схемы — наивысшая чёткость переключения передач, причём практически не страдающая даже после длительной эксплуатации. Кроме того, для неё характерны высокие надёжность и долговечность. Недостатки — из-за особенностей компоновки рычаг, расположенный на корпусе коробки, может оказаться относительно места водителя сильно вынесен вперёд либо — при вагонной компоновке — смещен назад (РАФ-2203, ГАЗ-66), что делает переключение передач неудобным; также ввиду того, что рычаг расположен непосредственно на силовом агрегате, на него передаются вибрации, что особенно заметно при использовании неуравновешенных двигателей, вроде рядных «четвёрок». Применимость такого привода резко ограничена компоновкой автомобиля, при которой КП расположена относительно недалеко от водителя.

Так, на автомобиле ГАЗ-69 применялась трёхступенчатая двухходовая РКП, имеющая привод от рычага, непосредственно расположенного на боковой крышке. Автомобиль «Волга» ГАЗ-24 и все последующие модели ГАЗ (кроме самых последних) имеют трехходовые РКП с рычагом, расположенным на специальном выступе верхней крышки КПП, что позволило сместить рычаг назад, расположив его над удлинителем картера КП, обеспечив более удобное переключение. Микроавтобусы РАФ, имеющие в основе агрегаты «Волги» ГАЗ-24, на той же волговской РКП имеют крышку несколько иной конструкции с вынесенным вперёд рычагом, что при вагонной компоновке делает рычаг более или менее доступным для водителя — однако для такой компоновки это скорее исключение из правила. Заднеприводные модели ВАЗ имеют рычаг, размещённый на задней крышке КП сверху.

Из иностранных автомобилей аналогичная конструкция ещё недавно широко применялась на заднеприводных моделях, таких, как Ford Sierra, Ford Scorpio, старые модели Volvo с КП моделей M40, M41 и подобными, и многие другие.

В настоящее время такой привод КП применяется сравнительно редко, так как автомобили классической компоновки встречаются в основном в премиум-сегменте рынка, где к уровню эргономики, вибраций и шумов предъявляются повышенные требования, что заставляет применять весьма сложные приводы выбора передач, вроде тросового. Тем не менее, он широко распространён на пикапах и внедорожниках, где существенными оказываются более высокие уровни надёжности и долговечности, а также спортивных моделях. В частности, можно отметить трансмиссии фирмы Borg-Warner, такие, как легендарная Tremec T-5 (Ford Mustang, Chevrolet Camaro, Pontiac Firebird и др.), и модельный ряд фирмы Chrysler, главным образом марки Dodge и Jeep.

• Рычаг расположен дистанционно (напольно, на рулевой колонке или на панели приборов) и связан с КП при помощи расположенных вне корпуса коробки тяг (называемых обычно «кулисой»), валика или тросов Боудена (в последние десятилетия этот вариант применяется особенно широко). Плюсы такого решения — удобное расположение рычага, отсутствие передачи на него вибраций и практически полная свобода в компоновке автомобиля. При этом привод тягами менее долговечен и со временем допускает разбалтывание, что требует регулировки или замены кулисы. Кроме того, чёткость переключения передач с таким механизмом переключения обычно значительно хуже, чем при непосредственном расположении рычага на корпусе КП. Такой привод имеют все автомобили «Москвич», ГАЗ-20 и ГАЗ-21, УАЗ вагонной компоновки (микроавтобусы, «головастики»), «Запорожец» (как и все заднемоторные модели) и все без исключения автомобили с поперечно расположенным двигателем (то есть, большинство современных моделей).
• Также на некоторых моделях использовались (используются) пневматические или электроручные системы привода. Распространены они главным образом на тяжелых грузовиках, автобусах и тракторах, на которых коробка передач зачастую расположена вдалеке от места водителя, к тому же непосредственное переключение вручную было бы слишком затруднено большим потребным для перемещения муфт усилием.

Кроме того, существуют ручные коробки передач с так называемым «секвентальным», то есть последовательным (от лат. sequence — последовательность) переключением передач, у которых при помощи рычага-качалки, рычага-джойстика с двумя положениями — обычно, «+» и «—», или специальных «лепестков» на рулевой колонке передачи можно переключать только одну за другой. Как правило, управление сцеплением в таких системах автоматизировано. Они находят применение на мотоциклах (очень широко) и некоторых спортивных автомобилях.

Например, у большинства отечественных мотоциклов для переключения передач используется копирный вал с фигурным пазом, управляющим движением вилок переключения передач, в свою очередь воздействующих на скользящие шестерни на валах. Передачи при этом переключаются связанной с копирным валом педалью в виде качалки, которая может проворачивать его в том или ином направлении на определённый угол. Нажатие носком ноги на её переднюю площадку вызывает переключение на передачу вниз, пяткой на заднюю (или поднятие носком передней площадки) — на передачу вверх, а «нейтраль» расположена между I и II передачами.

Раскладки переключения

С напольным рычагом

На абсолютном большинстве современных автомобилей ручная коробка передач управляется рычагом, расположенным напольно. Под этим понимается расположение рычага непосредственно на полу автомобиля, на центральной консоли или в нижней части панели приборов.

Способ выбора конкретной передачи в различных РКП с напольным рычагом может значительно отличаться. Общим является лишь то, что выбор нужной передачи осуществляется наклоном рычага переключения в продольной и поперечной плоскостях, то есть, траектория движения рычага при переключениях напоминает букву H (H-Pattern). Обычно качанием рычага в поперечной плоскости водитель выбирает вилку переключения передач, которую необходимо сдвинуть, а толкая его вперёд и назад — при помощи выбранной вилки сдвигает в соответствующем (обычно противоположном направлению движения головки рычага) направлении синхронизатор или муфту переключения передач в корпусе коробки, этим включая ту или иную передачу. Как правило, в нейтральном положении рычаг удерживается при помощи одной или нескольких пружин.

• На большинстве автомобилей переключение передач осуществляется по следующему принципу (N — нейтральная передача, R — передача заднего хода):

Именно так переключаются передачи на большинстве отечественных заднеприводных автомобилей.

На заднеприводных «Москвичах» (408ИЭ, большая часть выпуска М-412 и все 412ИЭ, все М-2138/2140) использовался несколько видоизменённый вариант: чтобы включить передачу заднего хода, необходимо было наклонить рычаг вправо и передвинуть вперёд, а не назад:

На некоторых автомобилях существует блокировка включения заднего хода: передачу заднего хода нельзя включить, пока не приведён в действие этот механизм. Обычно для этого надо надавить на рычаг вниз (пример — заднеприводные автомобили ВАЗ), нажать на специальный рычажок (кнопку), поднять скользящую по рычагу шайбу, и т. п.. В иных случаях никакой блокировки не предусмотрено и передачу заднего хода можно по ошибке включить на ходу, что при большой скорости движения теоретически может привести к серьёзным поломкам КП (на практике водителю вряд ли хватит сил для полного включения задней передачи на большой скорости, однако усиленный износ шестерён КП при такой попытке вполне реален).

• В случае пятиступенчатой трансмиссии к раскладке добавляется пятая передача, обычно чтобы включить её необходимо наклонить рычаг вправо и затем перевести его вперёд, так что раскладка приобретает вид двойной буквы Н:

Эта раскладка используется на ВАЗах «классического» семейства с пятиступенчатой РКП и «Москвиче-2141», 2-м поколении «Лады Калины», «Приорах» позднего выпуска, а также, к примеру, большинстве современных моделей фирмы Ford с 5-ступенчатыми КП.

• Многие европейские автомобили (в том числе переднеприводные ВАЗы) используют другую разновидность этой раскладки, в которой задняя передача включается движением «влево-вперёд»:

Однако в этом случае достаточно велик риск случайного включения задней передачи вместо первой, особенно при изношенном приводе. Поэтому на многих современных автомобилях предусмотрена блокировка его включения (показана на примере РКП-6 «Renault Duster»):

Отключение блокировки осуществляется утапливанием рычага «внутрь», либо перемещением подвижного элемента на рычаге коробки передач, например, подъёмом кольца на нем, либо утапливанием кнопки.

• Некоторые спортивные автомобили (например, старые BMW третьей серии с РКП фирмы Getrag), старые модели американских и созданных под американским влиянием автомобилей, грузовики Урал, внедорожники ЛуАЗ и некоторые другие модели используют совершенно иной вариант раскладки переключения (в англоязычных странах её называют «собачья нога» — Dogleg):

Преимущество в данном случае состоит в том, что положения, соответствующие второй и третьей передаче, находятся на одной линии, что ускоряет переключение. У спортивных машин с мощными двигателями, основной разгон происходит именно на второй и третьей передачах, первая же служит только для трогания с места.

При применении данной раскладки на внедорожниках (ГАЗ-69) облегчается раскачивание автомобиля в случае его застревания путём последовательного включения первой-задней-первой-задней передач (передачи находятся на одной линии, что позволяет их очень быстро переключать). То же касается грузовика, первая передача которого используется, в основном, в тяжёлых дорожных условиях.

Кроме того, многие из КП с такой раскладкой переключения не имеют синхронизаторов либо имеют их только на высших передачах, в этом случае положительным моментом является и то, что при переключении с первой передачи на вторую автоматически возникает некоторая задержка, что упрощает переключение между несинхронизированной первой с синхронизированной второй передачами.

Из отечественных автомобилей такую раскладку использовал, к примеру, ГАЗ-69, коробка передач которого была трёхступенчатой. При переделке на напольный рычаг коробки передач «Волги» ГАЗ-21 она также приобретает такую раскладку.

На грузовых автомобилях КамАЗ раскладка сходна, но позиции первой передачи и заднего хода противоположны показанному на рисунке.

• На грузовике Studebaker US6 с пятиступенчатой коробкой первая передача располагалась напротив передачи заднего хода, чтобы облегчить «раскачку» автомобиля на бездорожье:

Практически такая же раскладка использовалась и на советских полноприводных грузовиках марки ЗИС / ЗИЛ, например ЗИЛ-131 — отличие заключалось в противоположном расположении положений, соответствующих IV и V передачам.

• Многие американские и некоторые европейские автомобили ранее использовали раскладку, в которой первая передача включалась простым движением рычага вперёд (вторая — назад, и т. д.):

Из распространённых на территории России моделей, такую раскладку имели, к примеру, Ford Taunus, Volvo 240 и некоторые модели BMW, вроде BMW E30. Кроме того, она использовалась практически на всех североамериканских «Фордах» 1960-х — 1970-х годов с РКП.

• Некоторые современные автомобили, например, Bugatti Veyron, имеют автоматизированное управление коробкой передач. Это позволяет использовать для управления трансмиссией т. н. Paddle shifter с возможностью выбирать передачи лепестками на рулевом колесе. При этом рычаг движется только вперёд-назад, как у некоторых АКП, выбор передач осуществляет последовательным перебором.

С подрулевым рычагом

В прошлом наиболее распространённым на легковых автомобилях с РКП было расположение рычага КП на рулевой колонке. Эта мода появилась в США во второй половине 1930-х годов, широко распространилась в Европе в конце 1940-х. Иногда такой механизм встречается и в наши дни.

Привод от подрулевого рычага осуществляется сложными тягами (кулисами), сочленения которых подвержены износу, а на старых автомобилях — требуют периодической регулировки и смазки. Существуют две основные схемы работы такого привода. В первой, применяемой обычно с двухходовыми коробками передач (например, на «Победе» и ГАЗ-21) каждая тяга постоянно соединена со своей вилкой переключения и через неё управляет своей муфтой включения (или скользящей шестернёй), а выбор задействованной в данный момент тяги осуществляется штифтом на валу переключения передач, который входит в пазы ступицы то одного, то другого рычага, соединённого с соответствующей тягой. Во второй, применяемой с трёхходовыми коробками передач (пример — «Москвичи» с четырёхступенчатыми коробками передач) одна из тяг осуществляет выбор задействованной в данный момент вилки переключения, а вторая — перемещает её, непосредственно включая и выключая передачи, при этом обе тяги непосредственно связаны с валом переключения передач и отслеживают его движение в различных плоскостях.

Также различают механизмы переключения с подрулевым рычагом, имеющие вал переключения передач соосный рулевому валу (ГАЗ-21) либо концентричный ему, то есть, расположенный вокруг рулевого вала полый («Москвичи» с четырёхступенчатыми коробками передач). Во втором случае уровень шумов и вибраций, передаваемых через вал переключения передач в салон, существенно снижается.

Чёткость и скорость выбора передач при таком механизме часто страдают, особенно при его износе, но в целом, по мнению многих владельцев автомобилей с таким механизмом переключения, подрулевое расположение рычага более удобно, так как к нему не надо тянуться, он всегда под рукой. Тем не менее, из-за большой инерционности привода быстро переключать передачи с таким приводом сложно, поэтому для динамичных автомобилей он малопригоден.

Зато хороший расчёт механизма переключения позволяет минимизировать усилие на рычаге: например, на «Волге» ГАЗ-21 с исправным, смазанным и отрегулированным механизмом переключения передачи можно переключать без отрыва кисти от руля. Однако, сильно разболтанный механизм допускает такие неисправности, как неполное включение и выключение передач, их самопроизвольное выключение («выбивание») и даже полное заклинивание тяг, устранимое только при открытом капоте.

• Наиболее типичным для систем с подрулевым рычагом является раскладка, возникшая в США в 1930-е годы и распространившаяся повсеместно в 1940-е — 1950-е (движение рычага показано в плоскости, параллельной рулевому валу, рычаг расположен справа):

или

Именно так (второй вариант) переключались передачи на «Победе» ГАЗ-М-20, «Волге» ГАЗ-21.

• Существовал и вариант для четырёхступенчатой РКП:

• На «Москвичах» с четырёхступенчатой РКП и подрулевым рычагом переключения, а также ряде европейских автомобилей, использовалась иная раскладка:

В отечественном автопроме отказ от подрулевого рычага переключения произошёл в конце 1960-х — начале 1970-х годов, в Европе — начался несколько раньше, но продлился как минимум до середины 1970-х. В США это произошло в конце 1970-х, с уходом с конвейеров последних «бюджетных» моделей с РКП (например, Chevrolet Nova) — после этого ручные трансмиссии стали там практически исключительно атрибутом спортивных автомобилей и внедорожников, соответственно, имели напольные рычаги.

Между тем, в некоторых странах Европы и особенно Японии подрулевые рычаги использовались до самого недавнего времени. Так, в Гонконге все такси моделей Toyota Crown и Nissan Cedric имели четырёхступенчатую РКП с подрулевым переключателем до перехода на АКП в 1999 году. До начала 1990-х годов на микроавтобусах Toyota Hiace и Mitsubishi L400 также встречались переключатели передач на рулевой колонке, коробка передач была ручной пятиступенчатой.

Эксплуатация ТС с РКП (рекомендации)

В процессе эксплуатации автомобиля следует правильно пользоваться коробкой передач во избежание поломок и преждевременного износа.

• Стараться двигаться преимущественно на прямой передаче (при техническом наличии её на автомобиле), так как при этом путь крутящего момента получается наиболее коротким, и в его передаче не задействованы лишние шестерни (момент передают только первичный и вторичный валы, которые на прямой передаче соединяются в одно целое; при этом шестерни промежуточного вала, естественно, продолжают вращаться, но крутящего момента не передают), что увеличивает КПД трансмиссии (снижает расход топлива) и уменьшает износ;
• Переключение передач производить согласно приведённым в инструкции к автомобилю диапазонам максимальной и минимальной скорости на каждой передаче;
• Включение задней передачи при движении автомобиля вперёд, даже на небольшой скорости, категорически недопустимо (как и обратное переключение с заднего хода на передачу переднего); включить передачу заднего хода на мало-мальски высокой скорости, конечно, не выйдет, однако будет иметь место излишний износ шестерён и возможен даже выход КП из строя;
• Не следует допускать длительной езды на скорости выше 20 км/ч с выжатым сцеплением, что может привести к быстрому износу его выжимного подшипника; нажимать педаль сцепления следует резко и до конца, а отпускать — плавно, но без излишней задержки в момент включения, не допуская пробуксовки и не трогая акселератор, что значительно ускоряет износ; также очень вредно класть ногу на педаль сцепления при кратковременной остановке, на светофоре и т. п., так как даже небольшое, практически не ощутимое для водителя нажатие на неё резко усиливает износ ведомого диска и выжимного подшипника;
• Недопустимо на скользкой дороге двигаться с длительно выключенным сцеплением или коробкой передач на нейтральной передаче (так называемый «накат»), что может нарушить устойчивость и управляемость автомобиля; большинство специалистов считают необходимым движение накатом вообще полностью исключить из числа активно используемых приёмов вождения как неэффективное и небезопасное;
• Следует применять приём торможения двигателем — совместно с торможением автомобиля производится поочередное переключение передач с высшей ступени на низшую — при этом происходит более эффективная остановка автомобиля тормозом и двигателем; в прошлом, при небольшой плотности транспортного потока, торможение двигателем у опытных водителей было основным способом управления скоростью движения, обычный рабочий тормоз применялся обычно лишь в крайнем случае;
• Недопустимо переключать передачи во время прохождения поворота на высокой скорости, так как это может привести к заносу из-за разрыва потока мощности на ведущих колёсах; до начала поворота следует перейти на низшую передачу, а по мере его прохождения — слегка нажать на педаль акселератора.
• Для облегчения работы синхронизаторов следует:

При переходе с низшей передачи на более высокую — переключение производить в два приёма, с некоторой паузой в нейтрали;

При переходе с высшей передачи на более низкую — переключение производить одним движением, без паузы.

• Следует избегать включения передач, диапазон которых не соответствует текущей скорости автомобиля и развиваемым в момент переключения оборотам двигателя. В частности, после использования наката при движении на спуске непосредственно перед включением передачи нужно делать «перегазовку» во избежание преждевременного износа синхронизаторов и муфт включения передач из-за большой разницы в скоростях обращения связанного с двигателем первичного либо промежуточного вала (обращающихся при этом с оборотами холостого хода двигателя) и вторичного (обращающегося с оборотами, соответствующими фактической скорости движения автомобиля). В этом случае перед переключением надо сначала довести газом обороты двигателя и, следовательно, первичного и промежуточного валов, до соответствующих текущей скорости и предполагаемой к включению передаче, и лишь затем выжать сцепление и включить эту передачу, после чего опять нажатием на педаль газа приравнять частоту вращения первичного вала и маховика.

К примеру, после съезда с горки накатом скорость автомобиля — 60 км/ч; нужно прикинуть, какая передача лучше всего подойдет для этой скорости — например, IV передача, а затем — какие обороты разовьёт двигатель на IV передаче на скорости 60 км/ч (примерно 2000 об/мин), и «перегазовать» двигатель с оборотов холостого хода (обычно в пределах 750…900 об/мин) до этих оборотов (опытный водитель делает это «на глазок», на уровне автоматизма).

На несинхронизированной КП этот приём является нормой при всех переключениях передач, на синхронизированной же его использование является желательным только при большой разнице в оборотах первичного и вторичного валов КП, как в описанном выше случае, так как в этом случае работа синхронизаторов существенно затруднена и сопровождается повышенным износом; в остальных случаях он практически бесполезен, лишь в незначительной степени сберегая ресурс синхронизаторов, что не компенсирует повышенной нагрузки на водителя.

• Необходимо постоянно проверять уровень масла в картере РКП и своевременно производить его замену, так как при длительной работе в КП масло превращается в абразив за счёт повышения содержания частичек металла, неизбежно отделяющихся от шестерён в процессе их естественного износа, что, в свою очередь, значительно ускоряет износ;
• На автомобилях иностранного производства соблюдайте указанную в инструкции марку смазочного масла. Некоторые РКП зарубежных (и современных отечественных) автомобилей требуют специальных материалов, например, гипоидного масла (GL-5 / ТМ-5) или ATF. Напротив, коробки передач старых автомобилей со сравнительно примитивной конструкцией синхронизаторов требуют только масла типа GL-4 / ТМ-4, плёнка которого не нарушает работы синхронизаторов при переключении передач — использовании в них масла стандарта GL-5 приводит к преждевременному износу и нарушению синхронизации. Иногда КП имеет общую с двигателем систему смазки и смазывается моторным маслом.

УНИВЕРСАЛЬНАЯ (ГРАЖДАНСКАЯ) ТЕХНИКА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ

Последовательное повышение передач

Рычагом нужно работать спокойно - с небольшой задержкой в нейтральном положении.

Последовательное понижение передач

Рычагом следует работать быстро (задерживать в нейтральном положении не нужно).

При значительном снижении скорости рекомендуется тормозить на включенной передаче и переключаться через одну или несколько ступеней.

Общая рекомендация

Педаль сцепления необходимо отпускать с небольшой задержкой в точке схватывания, так, чтобы не было рывка. При этом, нажимать на педаль газа не нужно.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Наименьшая по сравнению с иными типами КП себестоимость (ниже только у клиноременной вариаторной передачи с центробежным регулятором, в чистом виде редко применяемой на автомобилях, но широко используемой на скутерах и мототехнике).
• Намного меньшая в сравнении с гидроручной трансмиссией масса.
• Высокий КПД по сравнению с гидроручной трансмиссией.
• Обычно не требует отдельной системы охлаждения, как АКП.
• Несмотря на немалый прогресс в области конструирования АКПП, и на сегодняшний день средний автомобиль с АКПП при прочих равных уступает аналогичному автомобилю с РКП по топливной экономичности и динамике разгона.
• Относительная простота и отработанность конструкции.
• Достаточно высокая надёжность (срок службы самой РКП без ремонта сравним со сроком службы автомобиля в целом, только сцепление требует относительно частой замены).
• Большинство моделей не требуют дефицитных или специфических расходных материалов, частого обслуживания, само обслуживание обходится существенно дешевле.
• Лучшая «защита от дурака» — ручную коробку передач сложнее повредить неумелыми действиями водителя, чем АКП (менее актуально для современных АКП с электронным управлением, блокирующим многие «неправильные» команды водителя, вроде включения парковочной блокировки или задней передачи на ходу);
• У автомобилей с РКП шире набор специальных техник вождения, опытный водитель может более эффективно использовать такой автомобиль при передвижении в гололедицу, по грязи и бездорожью.
• Автомобиль с РКП легко пускается «с толкача», может буксироваться на любое расстояние с любой скоростью.
• РКП, в отличие от гидроручной АКП, допускает полное разобщение двигателя и трансмиссии.
• Возможность использовать компрессию двигателя для удержания автомобиля на уклоне простым включением передачи, что невозможно в случае наличия в трансмиссии гидравлического элемента, как у АКПП.

Недостатки

• Утомляющее водителя переключение передач, особенно в городском цикле и движении в пробках.
• Более сложное относительно АКП управление автомобилем, необходимость наличия специфического навыка для достижения плавного переключения передач без рывков.
• Необходимость размыкания сцеплений для переключения передач. В отличие от АКП, вариаторов и преселективных роботов на РКП происходит разрыв передачи крутящего момента от двигателя к коробке во время переключения передач.
• Как и у любой ступенчатой КП, невозможность плавного изменения передаточного отношения при разумном количестве ступеней, в отличие от бесступенчатых трансмиссий (CVT).
• Сравнительно малый ресурс сцепления.

Поскольку РКП требует от водителя намного большего опыта, чем АКП, в некоторых странах существует практика либо делать два разных вида водительских «прав», либо принимать водительские экзамены только на РКП, считающейся в этом случае «стандартом де факто» (Пакистан, до недавнего времени Российская Федерация, Белоруссия, Украина). В США и Канаде, где уже в 70-х годах большинство автомобилей имело автоматические трансмиссии, напротив, «стандартом де факто» является АКП, и многие водители вообще не имеют навыка езды с ручным переключением передач.

Распространение

Автомобили, оснащённые РКП, долгое время преобладали в Европе, всё ещё весьма распространены на территории СНГ и доминируют в странах с низким доходом населения.

В США и других странах Северной Америки РКП практически полностью вытеснены гидромеханическими АКП и вариаторами, которыми там оборудуются в настоящее время до 90 % легковых автомобилей. В Японии также весьма широко распространены автоматические трансмиссии и вариаторы.

Тем не менее, спортивные автомобили (автомобили со спортивным имиджем) часто оснащаются РКП. Грузовые автомобили и «жёсткие» внедорожники также, как правило, имеют ручные коробки переключения передач.

Полуавтоматические КП

На протяжении истории автостроения создавалось немалое число конструкций трансмиссий, которые можно описать под общим термином «полуавтоматические». Общим у них является то, что водитель избавлен от части операций, которые он должен был бы выполнять при управлении автомобилем с обычной ручной трансмиссией.

Здесь не будут упоминаться трансмиссии начального периода автомобилестроения (до двадцатых годов XX века), так как в те годы ещё не было устоявшегося, общепринятого устройства РКП, которое можно взять за «отправную точку» (например, на Ford T не было сцепления, коробка передач была планетарной и управлялась двумя педалями и рычагом).

Гидроэлектроручные трансмиссии с ручным переключением

Первый массово использовавшийся тип полуавтоматической трансмиссии был создан фирмой Chrysler в 1930-х годах и широко использовалась на её автомобилях вплоть до 1950-х годов.

Он нёс обозначение М4 (на довоенных моделях, коммерческие обозначения — Vacamatic или Simplimatic) и M6 (с 1946 года, коммерческие обозначения — Presto-Matic, Fluidmatic, Tip-Toe Shift, Gyro-Matic и Gyro-Torque) и изначально представлял собой комбинацию трёх агрегатов — гидромуфты, традиционной ручной коробки передач с двумя ступенями переднего хода, и автоматически (на М4 вакуумным, на М6 электрическим приводом) включающегося овердрайва. Каждый блок этой трансмиссии имел своё назначение:

• Гидромуфта делала трогание автомобиля с места плавнее, позволяла «бросать сцепление» и останавливаться, не выключая передачи или сцепления. Позднее она была заменена гидротрансформатором, который увеличивал крутящий момент и значительно улучшал динамику автомобиля по сравнению с гидромуфтой (которая несколько ухудшала динамику разгона).
• ручная коробка перемены передач служила для выбора рабочего диапазона трансмиссии в целом. Существовало три рабочих диапазона — нижний (Low), верхний (High) и заднего хода (Reverse). В каждом диапазоне было две передачи.
• Овердрайв автоматически включался в работу при превышении автомобилем определённой скорости, таким образом, переключая передачи внутри текущего диапазона.

Переключение передач производилось обычным рычагом, расположенным на рулевой колонке. Поздние варианты переключателя имитировали автоматические трансмиссии и имели указатель-квадрант диапазона над рычагом, как у АКП — хотя сам процесс выбора передач не претерпел изменений. Педаль сцепления имелась, но использовалась только для выбора диапазона и была окрашена в красный цвет.

Трогаться в обычных дорожных условиях рекомендовалось в диапазоне High, то есть, на второй передаче двухступенчатой РКП и третьей передаче трансмиссии в целом — высокий крутящий момент шести- и восьмицилиндровых двигателей «Крайслеров» это вполне позволял.

На подъёме и при движении по грязи необходимо было начинать движение с диапазона «Low», то есть, с первой передачи. После превышения определённой скорости (варьировалась в зависимости от конкретной модели трансмиссии) происходило переключение на вторую передачу за счёт происходящего автоматически включения овердрайва (сама РКП оставалась при этом на первой передаче).

При необходимости водитель переключался на верхний диапазон, при этом включалась в большинстве случаев сразу четвёртая передача (так как овердрайв уже был включён для получения второй передачи) — она имела общее передаточное отношение 1:1.

Перебрать все имеющиеся четыре передачи при практическом вождении было почти невозможно, хотя трансмиссия формально считалась четырёхступенчатой.

Диапазон задних передач также включал две передачи и включался, как обычно, после полной остановки автомобиля.

Таким образом, для водителя езда на автомобиле с такой трансмиссией очень напоминала езду на машине с двухступенчатой АКП, с той разницей, что переключение между диапазонами происходило с нажатием сцепления.

Эта трансмиссия ставилась с завода или была доступна как опция на автомобилях всех подразделений корпорации «Крайслер» 1940-х — начала 1950-х годов. После появления настоящей автоматической двухступенчатой трансмиссии PowerFlite, позднее трёхступенчатой TorqueFlite, полуавтоматические трансмиссии семейства Fluid-Drive были сняты с производства, так как мешали продажам полностью автоматических трансмиссий. Последним годом их установки стал 1954, в этом году они был доступны на самой дешёвой марке корпорации — «Плимуте».

Фактически такая трансмиссия стала переходным звеном от РКП к гидромеханическим АКП и служила для «обкатки» технических решений, позднее использовавшихся на них.

Примерно в то же время в Европе некоторые дорогие автомобили снабжались электромеханическим или гидропневматическим автоматическим приводом сцепления.

ручные трансмиссии с автоматическим сцеплением

Конструктивно не отличаются от обычных РКП, но привод сцепления осуществляется автоматически, обычно, пневмо- или гидроэлектрической системой. Переключение передач производилось водителем вручную, педаль сцепления обычно отсутствовала.

Улучшенные версии таких систем предлагаются и в настоящее время (см. ниже).

Новые разработки

Промежуточное звено между АКП и РКПП — так называемая «роботизированная» КПП. В простейшем случае роботизированная коробка представляет собой обыкновенную РКП, управляемую электронным блоком управления при помощи сервоприводов вместо традиционной ручки. Сцепление управляется той же автоматикой. Это придает РКПП свойства АКП, однако переключения передач, как и в обычной РКП, занимает некоторое время, причём «робот» значительно уступает опытному водителю в эффективности переключений. Это приводит к замедлению разгона и создаёт характерные «рывки» при переключении передач, более или менее заметные, в зависимости от производителя и степени износа коробки. Восприятие водителем этих «рывков» усугубляется тем, что, в отличие от РКПП с ручным управлением, для него они происходят спонтанно, не будучи чётко увязаны с какими-либо его действиями.

Развитие технологий позволяет значительно ускорить переключение передач в КП и свести рывки к минимуму. При этом ручная часть роботизированной коробки перестает быть аналогична обычной РКП, управляемой электроникой и приводами, поскольку обеспечение столь быстрого переключения передач при помощи сервоприводов требует особых конструктивных решений. Самые лучшие роботизированные КПП, устанавливаемые на автомобили марки Ferrari, позволяют переключать передачи за 60 мс, а DSG (Direct Shift Gearbox — КП с прямым переключением передач), устанавливаемая на автомобили концерна Volkswagen, может включать некоторые (предварительно выбранные) передачи всего за 8 мс (однако при нарушении «предсказанного» автоматикой порядка включения передач скорость переключений резко падает).

В настоящее время Volkswagen Golf, оснащённый 7-ступенчатой коробкой передач DSG, при нормальном вождении расходует примерно на 5 % топлива меньше, чем оснащённый обычной механикой.

Продолжают совершенствоваться и традиционные РКП с ручным переключением. Так, значительно улучшились за последнее время системы смазки РКП. Современные ручные коробки передач зачастую имеют систему смазки под давлением, иногда — объединённую с системой смазки двигателя. Это позволяет значительно повысить ресурс РКП по сравнению с традиционной системой смазки за счёт находящегося в картере масла, обеспечить хорошее охлаждение (что стало насущной проблемой в связи с увеличением скоростей движения) за счёт постоянного круговорота смазывающего масла. Многие современные РКП используют для смазки ATF, то есть масло для АКП.

См. также

• Гидротрансформатор
• Автоматическая коробка передач
• Бесступенчатая трансмиссия
• Вариатор
• Электрическая передача

Литература

• Шестопалов, К. С. Легковой автомобиль: Учеб. пособие для подготовки водителей ТС категории "В". — 2-е, испр. и доп. — М.: Издательство ДОСААФ, 1980. — 240 с.
• Кленников, В. М., Ильин, Н. М., Буралев, Ю. В. Автомобиль категории «В»: Учебник для ПТУ. — 3-е, перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1984. — 320 с.

Ссылки

• [autoanatomy.clanteam.com/Razdel%20transmisia/mkp.htm Механическая коробка передач] (рус.). — Анатомия автомобиля. Проверено 12 мая 2010. [www.webcitation.org/65eYMwk58 Архивировано из первоисточника 23 февраля 2012].
• [systemsauto.ru/box/mkpp.html ручная коробка передач]
• [www.rc-auto.ru/articles_transmission/id/274/ Расчет передаточных отношений]