Какая передача обеспечивает наибольший крутящий момент

12

Все о коробке передач и передаче момента на колеса

Что разгоняет автомобиль? Ответ — двигатель. Двигатель обладает характеристикой крутящего момента в зависимости от оборотов.
От чего зависит динамика автомобиля – от крутящего момента на колесах. Как мы уже выяснили из предыдущей статьи, максимальный приведенный крутящий момент с двигателя получается в точке его максимальной мощности.

Рассмотрим график крутящего момента и мощности атмосферного мотора обьемом 2.5л

Как видим из картинки максимальный крутящий момент равняется 242Нм при 5100 об/мин, а максимальная мощность 208 л.с. при 6800 об/мин
Давайте посчитаем средний крутящий момент у этого двигателя в диапозоне 2000-6000 об/мин.

На 2000 об/мин мы имеем 175Нм, на 6000 об/мин 234Нм, как результат в среднем мы получаем 220Нм в диапозоне 2000-6000об/мин у данного двигателя.

Что будет если в коробке передач будет всего 1 передача? Крутящий момент будет всегда прямо пропорционально передаваться на колеса от двигателя через 1 передачу. И если предположить, что у нас главная пара так же 1 к 1, то график крутящего момента на колесах будет в точности повторять график крутящего момента двигателя умноженный на передаточное число той самой 1 передачи.

Недостаток такой схемы в том, что нам придется выбирать: делать эту передачу короткой чтобы более-менее динамично ускоряться, но иметь максимальную скорость, например 70км/ч, или длинной, скажем до 200км/ч, но тогда даже стронуться с места будет достаточно проблематично.

Посчитаем передаточное число, для того чтобы получить 200км/ч при 6000 об/мин на 1 передаче, на колесах размером 225/45 R17. Длинна окружности колес – 1.993м. 200км/ч это 3.33 км/мин или 3333 метра в минуту. 3333/1.993 = 1672.3 об/мин если сделать прямую передачу. Следовательно, чтобы на 6000 об/мин получить 200км/ч нужно поставить понижающий редуктор в 3.587 раза (для простоты округлим до 3.6). То есть уменьшаем обороты в 3.6 раза, во столько же повышаем момент.

Вот так будет выглядеть график крутящего момента НА КОЛЕСАХ в разгоне 0-200 км/ч, для мотора 2.5л показанного выше. Т.е. каждая точка графика умножается на 3.6.

Оговоримся сразу, что мы стартуем с помощью сцепления на 2000 об/мин, поэтому диапазоном, лежащим до 2000 об/мин пренебрегаем. В реальности же средний крутящий момент будет еще меньше, и двигатель вообще может не стронуть автомобиль с места.

Давайте посчитаем средний (интегральный) крутящий момент на колесах в диапазоне 0-200 км/ч. 3,6*220 — примерно 792Нм.

Из-за чего так происходит? Все дело в моментной характеристике ДВС. Даже у мотора мощностью 208 л.с. обьемом 2.5 литра при 2000 об/мин всего 175Нм крутящего момента. Учитываю нашу длинную одноступенчатую прямую КПП, 792Нм на колесах это крайне мало для адекватного ускорения.

Давайте добавим еще 1 ступень, получив двух ступенчатую коробку передач. Допустим первая передача имеет передаточное отношение 2:1 к нашей старой передаче, то есть понижает обороты вдвое, удваивая крутящий момент. Вторая передача останется так же до 200км/ч. Итого первая передача до 100км/ч, понижение оборотов в 7.2 раза, вторая до 200 км/ч понижение в 3.6 раза.

Давайте посчитаем средний (интегральный) крутящий момент на колесах в диапазоне 0-100 км/ч. 220*7.2 = 1584 Нм. Он стал вдвое выше из за передаточных чисел. В диапазоне 100-200 км/ч он так же будет выше, потому что после переключения на вторую (100км/ч), стрелка тахометра упадет на 3000 об/мин, а значит и средний крутящий момент мотора в диапазоне 3000-6000 об/мин будет выше, и составит примерно 225Нм.

Средний крутящий момент в диапазоне 100-200 км/ч составит примерно: 3.6*225Нм = 810 Нм. Значит в среднем по диапазону 0-200км/ч: (1584+810)/2 = 1197Нм. То есть добавив всего 1 передачу мы увеличили средний крутящий момент на 51%: с 792Нм до 1197Нм, следовательно, и время разгона 0-200 км/ч сократилось бы в полтора раза.

А теперь представим, что мы поставим современную 5 ступенчатую КПП,
где:
0-50км/ч – 1-я передача, понижение оборотов в 14.4 раза,
50-100км/ч — вторая, понижение оборотов в 7.2 раза,
100-150км/ч — третья, понижение оборотов в 4.8 раза,
150-200км/ч — четвертая понижение оборотов в 3.6 раза,
200+ км/ч — пятая.
Посмотрим, как изменится график момента на колесах:

Посчитаем средний крутящий момент на колесах по диапазонам:

0-50 км/ч диапазон 2000-6000об/мин – 220Нм*14.4 = 3168Нм
50-100 км/ч диапазон 3000-6000об/мин – 225Нм*7.2 = 1620Нм
100-150 км/ч диапазон 4000-6000об/мин – 230Нм*4.8 = 1104Нм
150-200 км/ч диапазон 4500-6000об/мин – 235Нм *3.6 = 846Нм

Средний крутящий момент в диапазоне 0-200 км/ч: (3168+1620+1104+846)/4 = 1684 Нм.
Следовательно имея 4 передачи в диапозоне 0-200 км/ч дают нам в 2.1 раза крутящего момента больше по сравнению с 1 ступенчатой КПП и на 40% больше по сравнению с 2 ступенчатой.

Но при этом если бы у нас было еще пару передач, то мы могли бы еще "сжать" диапазон каждой и получить дополнительные пару % момента на колесах.

Какой вывод можно сделать:

Чем больше передач, тем выше средние обороты, а следовательно мы находимся ближе к точке максимальной мощности мотора, а следовательно получаем максимальную отдачу от мотора.

А что будет если сделать очень много передач. Бесконечно много. До каких пор мы можем увеличивать средний крутящий момент на колесах? Так придумали вариаторную кп.

Вариатор позволяет держать мотор всегда на пике мощности на высоких оборотах, подбирая при этом максимальные передаточные числа чтобы получить максимальный крутящий момент на колесах, а следовательно ускорение.

Можем ли мы построить график крутящего момента на колесах вариатора – да.

Средний крутящий момент в диапазоне 0-200 км/ч тут составит порядка 1900Нм, что на 15% больше чем у 4-х ступенчатой акпп, и на 10% больше чем у 5- ступенчатой и лишь на 2% больше чем у 10 ступенчатой акпп. Больше получить невозможно.

Что произойдет если поставить маленькие колеса или скажем укоротить ГП? Наши передачи "сожмутся", станут короче, а момент пропорционально вырастит. Если раньше вы ехали 50км/ч на 1-й и 100км/ч на второй, то укоротив на 10% ГП, вы станете ехать 45 и 90 км/ч соотвествественно, но 90-100км/ч вам придется уже ехать на третей. Другими словами вы "виртуально" увеличиваете количество передач, но эффект будет иметь действие, если вы точно знаете, под какой скоростной диапазон подбираете передаточные числа.

Чем больше передач — тем выше средний крутящий момент на колесах. Тем быстрее разгон автомобиля.
Вариаторные коробки передач максимально эффективно реализуют потенциал двигателя на дорогу.
4 передачи в диапазоне 0-200км/ч всего на 15% хуже, если бы их было 10, но при этом втрое лучше чем 1. Поэтому делать более 6-7 разгонных передач практически нет смысла
Укорачивать коробку передач ГП или колесами надо с умом — нужно заранее знать какой скоростной диапазон вы хотите оптимизировать

Как крутящий момент передается на колеса?

Трансмиссия служит для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса, а также для изменения величины крутящего момента и его направления. … Существуют три основные компоновки трансмиссии: заднеприводная (или классическая), переднеприводная и полноприводная.

Как передается крутящий момент от двигателя к колесам?

Усилие от двигателя передается ведущим колесам через сцепление, коробку передач, главную передачу, дифференциал, полуоси.
…
Усилие от двигателя передается к ведущим колесам несколькими механизмами силовой передачи:

1. сцеплением
2. коробкой передач
3. карданным валом
4. главной передачей
5. дифференциалом

Как двигатель передает крутящий момент?

Коробка передач служит для изменения крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля, а также длительного разъединения двигателя от трансмиссии. Карданная передача обеспечивает передачу крутящего момента от вторичного вала коробки передач на вал главной передачи, расположенных под углом друг к другу.

Какой узел передает мощность на колеса?

Основное назначение дифференциала в технике — трансмиссии транспортных машин, в которых дифференциал разветвляет поток мощности от двигателя на два между колёсами, осями, гусеницами, воздушными и водными винтами.

Как передается вращение на колеса?

Главная передача – это набор из двух шестерней: ведущая получает вращение от КПП и передает его ведомой. Ведомая же шестерня главной передачи передает вращение через корпус на шестерни-сателлиты, а они, в свою очередь, находятся в зацеплении с солнечными шестернями, жестко закрепленными на приводных полуосях колес.

Как передается энергия от двигателя к колесам?

Энергия передается от дифференциала к задним колесам посредством полуосей. На концах, которыми полуоси крепятся к дифференциалу, предусмотрены валики со скошенными зубьями. Эти валики взаимодействуют с ведомой шестерней посредством промежуточных шестерен.

Какие способы передачи крутящего момента?

Различают два основных способа передачи крутящего момента — жесткий и фрикционный. При первом способе крутящий момент передается жесткими элементами, работающими на срез, изгиб или смятие; при втором — силами трения, возбуждаемыми на цилиндрических, конических или торцовых поверхностях вала.

Как связан двигатель с коробкой передач?

Автомобилю коробка передач (трансмиссия) необходима из-за особенностей работы двигателя внутреннего сгорания. … Коробка связана с двигателем через муфту, поэтому входной вал коробки делает столько же оборотов, сколько и двигатель.

Для чего нам нужна трансмиссия?

Трансми́ссия (силовая передача) — (от лат. transmissio — пересылка, передача) в машиностроении все механизмы, соединяющие двигатель с тем, что должно двигаться (например, с колесами в автомобиле), а также всё, что обеспечивает работу этих механизмов.

Какой из механизмов трансмиссии увеличивает крутящий момент и передает его от карданного вала через дифференциал на полуоси под прямым углом?

Главная передача увеличивает крутящий момент и передает его через полуоси к ведущим колесам.

Что передает крутящий момент непосредственно к колесам?

Трансмиссия служит для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя на ведущие колеса, а также для изменения величины крутящего момента и его направления. … Существуют три основные компоновки трансмиссии: заднеприводная (или классическая), переднеприводная и полноприводная.

Какая сила используется в работе фрикционного сцепления?

Подавляющее большинство сцеплений, применяемых на отечественных автомобилях, относится к фрикционным сухим дисковым сцеплениям, в которых использованы сила трения сухих поверхностей.

Чем отличается межосевой от межколесного дифференциала?

Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Межосевой дифференциал устанавливается между ведущими мостами полноприводного автомобиля. … Цилиндрический дифференциал устанавливается чаще между осями полноприводных автомобилей.

Как передаётся вращение при включении различных передач?

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.

Что приводит в движение колеса автомобиля?

Двигатель – это «сердце» автомобиля, его главная и самая важная часть. В цилиндрах двигателя происходит сгорание топлива, высвободившаяся при этом энергия приводит в движение поршни, которые толкают коленчатый вал. Вал, через множество преобразующих механизмов, в свою очередь, приводит в движение колеса автомобиля.

Как называют механизм обеспечивающий вращение ведущих колес с разной частотой?

Дифференциал (от лат. differentia – разность, различие) – механизм, обеспечивающий вращение ведущих колес с разными скоростями (например, в повороте).

Легенды и мифы о КПП

Про неоспоримое преимущество ГП в КПП.

Нередко в различных источниках приходится читать высказывания типа:

“ Замена главной пары открывает возможность улучшить динамику вашего автомобиля не прибегая к форсировке мотора. В городе расход топлива не изменится, на трассе возможно увеличение на 3% при движении с макс скоростью, что несущественно, заметно же улучшится динамика, двигателю будет проще выходить на максимальные обороты, пятая передача станет более рабочей, появиться ровный подхват на всех передачах, станет легче трогаться с места, преодолевать крутые горки, реже придется переключать передачи при спокойной езде или при движении в городском потоке.”

Написано не очень аккуратно, есть спорные моменты, так что без лишних слов можно попробовать посмотреть некоторые моменты на примере практически стандартной машины, Таз-2112 (1.5л, 16v, 92.5 л.с – максимальная мощность при 5600 RPM, 128.3 н*м – максимальный крутящий момент, при 3700 RPM) для двух вариантов главной пары (ГП) – 3.706 и 4.13. Отсечку в 6210 RPM снимем.

Рис.1 Путь-время (здесь и далее: синий – ГП 3,796, красный – ГП 4.13)

Рис.2 Скорость – Время

Рис.3 Ускорение – Скорость

Рис.4 Ускорение – Время

Ну вроде бы как по графикам не очень впечатляет, приведем все это в цифирях:

Хм, 3.706 в конце концов обгонит 4.13 («максималка» у нее чуток повыше). Еще момент – если внимательно посмотреть Рис.3 (ускорение-скорость), то можно увидеть, что, например, в режиме эластичности для 2‑ой передачи на скоростях до 80 км/час выигрывает ГП 4.13, а выше – уже ГП 3.706. И тут разница может быть в разы – на том же графике видна, например, тенденция, по которой на скоростях 100 км/час стандарту с ГП 4.13 на 2‑ой передаче ничего не светит, а 3.706 еще и разгоняется (правда темп этого разгона падает, но тем не менее). Не исключено, что если рассматривать разгон только до 100км/час, то возможно, что 3.706 выиграет на 2‑й, пока 4.13 третью втыкать будет. И еще – если на Рис.4 (ускорение-время) имеются практически горизонтальные участки графика (на самом деле они не совсем горизонтальны, просто в таком масштабе все эффекты скрадываются) и это не что иное, как “пилотирование” на грани проскальзывания колес (с учетом динамической развесовки авто и прочего). Так вот эффект этого проскальзывания (срыв колес в шлиф) на паре 4.13 наступает резче (в том числе и по времени) и сильней по амплитуде. Понятно, в расчете “идеальный” пилотаж, а вот за рулем в реальных условиях ошибиться – раз плюнуть и если это произошло, то не исключено, что 3.706 уедет на этом этапе и уже навсегда.

Тем не менее, разница в разгонных характеристиках по-прежнему незначительна. Так что, все восхваления пресловутой ГП 4.13 по сравнению с ГП 3.706 есть ничто иное, как лапша на наших ушах, навешанная тюнинговыми конторами и ничего более?

Можно рассмотреть это дело немного подробнее. Прежде всего, необходимо отметить, что приведенные данные расчетов разгона построены для “фанатичного” разгона – техники ударного переключения передач, немилосердной раскрутке двигателя до 6652 – 6366 RPM (c 1‑й на 2‑ю, со 2‑й на третью). Эти данные конечно относительно условные (с точностью до принятых данных, ВСХ в первую очередь), но тем не менее, такие режимы вызвать печальные последствия для деталей КПП (шестерни, синхронизаторы, сцепление) буквально через пару-тройку подобных стартов. А что будет, если ограничить обороты двигателя величиной, ну скажем (это я уже навскидку, сознательно выбрал для иллюстрации “наибольшего эффекта ГП”) в 3700 с копейками RPM. Вот результаты такого численного эксперимента:

Вот, есть эффект, особенно для разгона до до 100 км/час – почти секунда! С другой стороны, если взять испытания на эластичность (40 – 100 км/час на 2‑ой передаче), то 3.706 будет выигрывать в разы! Однако цифры то каковы, сравните с предыдущими значениями, для разгона с “фанатизмом”, что же получается? При разгоне до 100 км/час почти 6 – 7 секунд выброшено в мусорную корзину, не машина, а телега. Вот цена словам – “заметно же улучшится динамика”.

Когда же целесообразно переключать передачи при фанатичном разгоне?

Сколько людей, столько и мнений. Посмотрим, что тут можно придумать. Сразу отнесем за границу рассмотрения моменты, связанные со шлифом колес, раскруткой трансмиссии во время переключения и некоторые другие моменты. Сейчас скажу немного странную на первый взгляд мысль. Так что же разгоняет автомобиль? Ответ – дорога… Странно, не так ли, все про двигатель говорим, а тут – дорога. Ну конечно не само полотно дороги, а ее реакция на колесья (помните Ньютона, про действие-противодействие и про то, что не уравновешиваются, поскольку приложены к разным телам). Итак, нужен крутящий момент на колесах. Его (а точнее говоря его отношение крутящего момента, деленного на динамический радиус качения ведущих колес за вычетом разнообразных сил сопротивлений, к массе авто) иногда называют динамическим фактором. Да в конечном итоге хрен с ним, с пресловутым фактором – в первом приближении можно предположить, что передачи переключаются мгновенно (скорость, а и следовательно потери, практически не меняются), коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии (передний привод, поперечное расположение двигателя) на разных передачах практически одинаков. Тогда можно ограничиться рассмотрением одного крутящего момента.

Итак, разгоняемся на определенной передаче (n1,m1,k1 – обороты, крутящий момент двигателя и передаточное значение трансмиссии). На колесах имеем крутящий момент, равный: m1*k1*КПД. Разгоняемся дальше, крутящий момент на колесах после оборотов максимального крутящего момента падает, а возможный крутящий момент на колесах (при переключении на следующую, более высокую ступень КПП) потихоньку растет. Понятно, что переключится на следующую ступень надо, когда текущий крутящий момент на колесах сравняется с возможным.

Запишем равенство моментов: m1*k1*КПД= m2*k2*КПД.Что же из этого следует? Мы переключились на режим работы двигателя с оборотами n2=n1/ k1*k2 (скорость практически не изменилась) и моментом m2= m1*k1/k2. А теперь, внимание, понятно, что произведение n1*m1 равно произведению n2*m2 и является тривиальной мощностью двигателя (понятно, что с точностью до коэффициента два пи, да минуты в секунды перекрутить). Сие означает, что при фанатичном разгоне переключиться мы должны в точку той же мощности. И все, никаких значений максимального крутящего момента, ничего, только мощность и еще раз мощность. Это правда, но не вся правда – имеются еще массовые потери – на закручивание (или разгон) деталей, обладающих моментами инерции (первичный вал, корзина сцепления, маховик). Массовые потери на угловое ускорение этих деталей различны для разных передач. Но это мелочи, порядка 1%, редко чуть выше. А вот как это переключение выглядит на графиках, характеризующих ВСХ:

Рис.5 Крутящий момент – обороты и линии переключения.

Рис.6 Мощность – обороты и линии переключения.

Здесь использовались результаты, взятые из предыдущих расчетов для ГП 3.706 (переключение с передачи на передачу, обороты на низшей, обороты на высшей):

1 – 2 передача 6652 – 3548 RPM
2 – 3 передача 6366 – 4404 RPM
3 – 4 передача 6380 – 4392 RPM

Напрашивается вывод – для идеальной коробки (моментальное переключение, любое возможное передаточное число, типа бесступенчатый вариатор), с учетом принятых допущений, в плане “фанатичного” разгона целесообразно ехать на пике мощности

Короткая первая – недостатки и преимущества.

Наверно обратили внимание, что линия переключения передач 1 – 2 лежит гораздо ниже остальных линий и как бы выпадает (см.рис.6). Вот этот то эффект частенько называют “разрывом”, “ступенькой”, короткой первой. Уже как бы выше пришли к выводу, что при фанатичном разгоне надо держаться как можно ближе к максимальному значению мощности на кривой ВСХ. Вот это (не оптимальный разгон) и является основным недостатком короткой первой передачи. Но, как говорится, жизнь богаче, есть и несомненные плюсы. К ним можно отнести и повышенное значение крутящего момента – для примера представьте езду скажем по раскисшему осеннему проселку. Лемехи грязи, облепившие колеса, на длинной первой на малых скоростях тривиально не хватает крутящего момента, а добавить оборотов – того и гляди, зароешься. Подобная ситуация возможна и в глубоком снегу.

Облегчили маховик, что имеем?

Вообще говоря, речь нужно вести не про облегчение маховика, а про уменьшение момента инерции. Конечно, уменьшение массы маховика тоже пойдет на пользу делу разгона, но это такой мизер, что не имеет смысла обсуждать (что такое снижение массы на 2кг по сравнению со снаряженной под тонну?). А вот уменьшение момента инерции должно привести к выигрышу в разгоне, более быстрой реакция на педаль газа без нагрузки и, с другой стороны, к менее стабильным холостым, небольшому напрягу (выражающимся в увеличенных оборотах двигателя) при трогании с места.

Это все слова, проще прикинуть, что даст в моменте инерции выборка 1 кГ на радиусе 112 мм (техническую возможность этого не рассматриваю – порылся в гараже, маховик нашел только от классики). Это будет 1*0.112^2=0.012544кг*м^2.

Сразу скажу, что по графикам мало что видно, так что сразу приведу результаты численного моделирования разгона:

Тенденция понятна, разве что маловата как бы разница, однако что есть на дистанции 400м. пресловутые 0.085 сек. Скорость на рубеже 400 м – порядка 123.8 – 124 км/час, значит эти 0.085 сек дадут 2.93 м. (чуть больше, чем 2/3 корпуса машины). На вкус и на цвет… Аналогично можно и в других “дисциплинах” посмотреть, вот стоит ли?

Разумеется – облегченный маховик может дать выигрыш по времени переключения (это с одной стороны), а с другой – требует большей квалификации при начальной стадии разгона, это хорошо видно на графике ускорение – скорость (не привожу). Одно примечание – для более легкого кузова (скажем не 2112, а 2108) эффект будет больше.

Разогнали зубило до 190км/час.

Нередко приходится читать и слышать про достигнутые практически на стандартных машинах подобных значений максимальной скорости. Спидометры, уклоны, ветерки можно пока изъять из рассмотрения. Прежде всего, необходимо ответить, что цифири максимальной скорости – те, что нам втюхивает завод, как правило, являются “парадными”. Так, для стандартного 8v зубильного ряда «максималка» в лучшем случае не 156 км/час, а 152 км/час, для 2112 с 1.5 л 16v не 185 км/час, а в лучшем случае 179 км/час.

На таких скоростях главные затраты двигателя приходятся на преодоление сил аэродинамического сопротивления. А последние, как известно, пропорциональны коэффициенту аэродинамического сопротивления, площади миделевого сечения, скоростному напору (половине произведения плотности воздуха на квадрат его скорости).

Аэродинамическое сопротивление, площадь миделя и плотность воздуха не трогаем – стандарт есть стандарт. Сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости? Тогда потребная мощность на преодоление этой силы пропорциональна кубу скорости, и для зубильной «максималки» в 190 км/час нужно 77*(190/152)^3 = 150 кобыл! Вот тебе и стандарт… Справедливости ради надо отметить, что даже наличие под капотом 150 л/.с в зубиле не обеспечивают максимальной скорости в 190, надо иметь еще трансмиссию, которая обеспечивала бы при таких оборотах колес попадание в зону пика мощности как минимум, не хуже, чем в стандарте на 152 км/час, но это, как говорится, уже детали…

Механическая коробка передач

Механическая коробка передач (МКП) — механизм изменения крутящего момента, передаваемого с вала двигателя через механизмы трансмиссии на ведущие колеса автомобиля. От прочих типов отличается тем, что в МКП передачи переключаются вручную или полуавтоматически (при использовании сервоприводов сцепления или гидромуфты). Наиболее распространенный тип. Отличается долговечностью, простотой обслуживания и наибольшим КПД.

Содержание

Принцип действия и назначение

Необходимость применения обусловлена разницей частоты вращения вала двигателя и ведущих колес автомобиля, не позволяющей соединять ведущие колеса напрямую с коленвалом. Двигатели внутреннего сгорания имеют определенный диапазон частоты вращения коленвала — от 500, до 9000 об/мин, а частота вращения ведущих колес автомобиля колеблется от 0 до 1800 об/мин. Служит для повышения или понижения частоты вращения валов механизмов трансмиссии, а также для обеспечения оптимального крутящего момента ведущих колес. Наибольший крутящий момент ДВС выдают при средних и высоких оборотах — от 3000 до 7000 об/мин. Позволяет наилучшим образом использовать возможности двигателя, сообразуя их со скоростью передвижения автомобиля.
Изменение частоты вращения и крутящего момента в происходит посредством ступенчатого изменения передаточного отношения пар шестерен. При начале движения водитель включает первую передачу. При этом выбирается пара шестерен с наибольшим передаточным отношением — ведущие колеса крутятся с намного меньшей частотой, чем коленчатый вал двигателя, в то же время крутящий момент на первой передаче будет достаточно высоким, чтобы обеспечить трогание с места, движение в гору или в тяжелых дорожных условиях. При разгоне автомобиля водитель последовательно включает высшие ступени, повышая частоту вращения ведущих колес. На высокой скорости водитель включает прямую передачу, при которой частота вращения колес определяется передаточным отношением главной передачи ведущего моста. В некоторых автомобилях оснащается повышающей передачей, при которой частота вращения колес будет еще больше (но в любом случае ниже, чем частота вращения коленчатого вала ДВС) при понижении тягового усилия двигателя (в этом режиме движения используются силы инерции).
Помимо этого назначение состоит еще в возможности плавного понижения скорости движения — выбором низших передач, и в длительном разъединении работающего двигателя от механизмов трансмиссии при кратковременных стоянках автомобиля.

Устройство

МКП является частью трансмиссии автомобиля и работает в паре со сцеплением, которого в коробках передач другого типа (автоматических) может и не быть. В прошлом в легковых автомобилях высокого класса вместо сцепления использовалась гидромуфта, но в наши дни этот тип полуавтоматической трансмиссии не применяется из-за высоких потерь мощности двигателя и низкого КПД гидромуфты. В настоящий момент механические коробки передач без сцепления применяются только в металлообрабатывающих станках.
Сцепление необходимо для выравнивания частоты вращения пар шестерен. Без применения сцепления переключение передач МКП невозможно. Так же сцепление используется для плавного начала движения автомобиля и кратковременного отсоединения двигателя от механизмов трансмиссии при остановках.
Основные узлы МКП: картер, набор параллельных вращающихся валов, насаженные на валы шестерни, синхронизатор. На сегодняшний момент наибольшее распространение получили МКП двух типов — трехвальные (большинство заднеприводных автомобилей классической компоновки и, частично, переднеприводные автомобили) и двухвальные (значительная часть переднеприводных автомобилей).
В трехвальной коробке установлены три вала — первичный, промежуточный и вторичный. Передний вал через сцепление соединен с коленчатым валом (маховиком) двигателя. Вторичный — с карданным валом, передающим вращающий момент на главную передачу, либо с самой главной передачей (в заднеприводных автомобилях и в машинах с разнесенной трансмиссией). Промежуточный вал служит для передачи вращающего момента посредством шестерен с первичного на вторичный вал. Первичный и вторичный валы устанавливают в М соосно — передняя часть вторичного вала входит в паз в задней части первичного вала и вращается в нем на подшипнике. Механически первичный и вторичный валы связаны только шестернями промежуточного вала и вращаются независимо друг от друга.
На первичном валу жестко закреплена одна ведущая шестерня, которая входит в зацепление с шестерней промежуточного вала. На вторичном валу располагается свободно вращающийся блок шестерен. Каждая из шестерен вторичного вала находится на строго определенном участке вала, ее продольное (по валу) перемещение исключается. В то же время механизм переключения передач блокирует выбранную шестерню на вторичном валу, передавая ему вращающий момент от первичного вала через шестерню промежуточного — так происходит включение передачи.
На промежуточном валу жестко закреплен набор шестерен, которые всегда находятся в постоянном зацеплении. Шестерня первичного вала передает вращение первой (ведомой) шестерне промежуточного вала. Вместе с промежуточным валом вращаются и его шестерни, передавая вращение парам согласованных, постоянно находящихся в зацеплении шестерен вторичного вала. Таким образом при включенном сцеплении и работающем двигателе все шестерни первичного, промежуточного и вторичного вала находятся во вращении вне зависимости от выбранной передачи.
Для уменьшения износа и компенсации воздействующих на зубья шестерен сил все шестерни современных МКП выполнены косозубыми.

Муфта переключения

На вторичный вал со свободно вращающимися боками шестерен насажены муфты переключения передач. Поскольку муфты соединены с вторичным валом шлицами, их называют шлицевыми муфтами. В отличие от свободно вращающихся на подшипниках шестерен вторичного вала, муфты способны перемещаться в продольном направлении.
На боковых поверхностях шестерен вторичного вала и шлицевых муфт находятся зубчатые венцы. При перемещении по шлицам муфта входит зубчатым венцом в зацепление с зубчатым венцом шестерни, блокируя ее на валу. Вращение с промежуточного вала передается на ведомую шестерню вторичного вала, а с нее через зубчатый венец и шлицы муфты на вторичный вал.
Продольное перемещение шлицевых муфт по вторичному валу производится вилками переключения передач, которые через ползуны соединены с рычагом. Поскольку муфт две (в четырехступенчатой коробке, в шести- или восьмиступенчатой муфт больше), в предусмотрен механизм блокировки, предотвращающий возможность одновременного включения двух передач.
При соединении зубчатых венцов муфты и определенной выбором передачи шестерни вторичного вала крутящий момент передается через карданный вал и главную передачу на ведущие колеса. Автомобиль движется. Если ни одна муфта с шестерней вторичного вала не соединена, коробка передач стоит на «нейтрали», двигатель отключен от механизмов трансмиссии, автомобиль стоит на месте или движется только силами инерции.

Синхронизированные МКП

При переключении передач на ходу наибольшую нагрузку принимают на себя поверхности зубьев шестерен, находящихся в зацеплении, и боковые зубчатые венцы шлицевых муфт и шестерен вторичного вала. Это происходит из-за несовпадения частоты вращения зубчатых венцов относительно друг друга. В результате передачи включаются со скрежетом, венцы и зубья шестерен испытывают разрушительные ударные нагрузки. При большом несовпадении частоты вращения включение передачи вообще невозможно.
Для преодоления этого эффекта в тридцатые годы ХХ века были изобретены синхронизаторы — фрикционные конические муфты, располагающиеся по бокам шлицевых муфт. Приближаясь к зубьям венца шестерни вторичного вала, бронзовый конус синхронизатора, установленный в муфте, входит в конусный паз на шестерне, за короткое время за счет сил трения выравнивает скорость вращения муфты и шестерни. В этот момент синхронизатор блокирует перемещение муфты. Когда скорости вращения выравниваются, перемещение разблокируется, зубчатый венец муфты входит в зацепление с зубчатым венцом шестерни вторичного вала — переключение передачи происходит бесшумно и плавно. Синхронизаторы увеличивают время переключения передач, но это увеличение столь несущественно, что его трудно заметить. Вместе с тем синхронизированные МКП намного долговечней и комфортней в работе, чем не синхронизированные.
В недорогих массовых автомобилях применяются частично синхронизированные МКП, в которых синхронизаторы не устанавливаются в муфту включения заднего хода (пример — автомобили ВАЗ «классической» серии). В прошлом синхронизаторы устанавливались только в муфту включения высших передач (пример — автомобиль «Газ 21», в котором синхронизированы были только 2-я и 3-я передачи 3-ступенчатой МКП).

«Задний ход»

Для реализации возможности движения автомобиля задним ходом в двухвальные и трехвальные МКП устанавливают еще один промежуточный вал и пару шестерен промежуточного и вторичного вала, которая не находится в постоянном зацеплении. При этом шестерня заднего хода на вторичном валу единственная, которая жестко насажена на вал (через шлицевое соединение).
Включение передачи заднего хода происходит без применения муфты — поэтому эта передача, как правило, оказывается не синхронизированной (синхронизаторы заднего хода устанавливаются в двухвальные М). Перемещая рычаг переключения передач, водитель воздействует на соответствующий ползун, который перемещает вал заднего хода и вводит в зацепление с шестернями промежуточного вала и вторичного вала специальную шестерню. Образуется сочленение нечетного количества шестерен — трех. В результате вторичный вал начинает вращаться в обратную сторону.
Суммарное передаточное отношение шестерен заднего хода обычно больше, чем пары шестерен первой передачи, поэтому задний ход самый тихоходный, но и самый «тяговитый» режим движения автомобиля.

Прямая передача

В трехвальных коробках высшей передачей является прямая передача. Она названа прямой, потому что муфта переключения входит в зацепление с зубчатым венцом не вторичного вала, а с венцом шестерни первичного вала. В результате частота вращения вторичного вала совпадает с частотой вращения маховика двигателя (и, соответственно, коленчатого вала). Частота вращения ведущих колес при этом определяется передаточным соотношением конических шестерен главной передачи.
Движение на прямой передаче — наиболее оптимальный режим движения автомобиля с точки зрения эксплуатационных расходов и износа механизмов трансмиссии. В этом режиме двигатель потребляет меньше топлива, работает в оптимальном тепловом режиме, МКП подвержена наименьшему износу из-за отсутствии нагрузки на шестерни.
Прямой передачи нет в двухвальных М, в которых отсутствует промежуточный вал, а первичный и вторичный валы установлены параллельно. В отличие от трехвальной, здесь шестерни нагружены всегда. Но при этом КПД двухвальной коробки выше, чем трехвальной, поскольку нет потерь на силы трения в промежуточном валу.

Повышающая передача

Повышающая передача (овердрайв) — это пара шестерен промежуточного и вторичного вала, передаточное отношение которой меньше единицы. В результате использования повышающей передачи вторичный вал имеет большую частоту вращения, чем маховик двигателя. Повышающая передача — 5-я или (и) 6-я в большинстве современных легковых автомобилей — включается муфтой, как и все прочие передачи. Ее использование, как правило, не повышает максимальную скорость (она достигается на прямой передаче), но позволяет двигаться на большой скорости при средних оборотах двигателя — соответственно, при меньшем уровне акустического шума и вибраций. Таким образом, применение повышающей передачи больше маркетинговый ход, чем необходимость.