Коробка переключения передач

Коробка переключения передач (КПП, трансмиссия) — это механизм, входящий в состав трансмиссии транспортного средства, предназначенный для изменения крутящего момента, передаваемого от двигателя к ведущим колёсам, а также для отключения двигателя от трансмиссии (режим нейтрали) и обеспечения движения задним ходом. КПП позволяет двигателю работать в наиболее эффективном диапазоне частот вращения коленчатого вала при различных условиях движения.

История

Первые прототипы коробок передач появились в конце XIX века вместе с развитием автомобилестроения. В 1889 году французские изобретатели Рене Панар и Эмиль Левассор создали КПП с тремя передачами переднего хода и одной задней, которая стала основой для многих последующих конструкций. В начале XX века коробки передач были механическими, с прямозубыми шестернями, что требовало от водителя определённого навыка для синхронизации оборотов.

В 1928 году американская компания General Motors впервые применила синхронизаторы, упростившие переключение передач. В 1939 году появилась первая серийная автоматическая коробка передач Hydra-Matic, разработанная компанией Oldsmobile. В 1950-х — 1960-х годах в СССР на автомобилях ГАЗ и ЗИЛ применялись механические КПП с трёх- и четырёхступенчатыми схемами. В 1980-х годах началось распространение автоматических трансмиссий на легковых автомобилях, а с 1990-х — роботизированных и вариаторных коробок.

Классификация

Коробки переключения передач классифицируются по нескольким признакам: по типу управления, по принципу работы, по числу ступеней и по конструктивному исполнению.

По типу управления

• Механическая коробка передач (МКПП) — водитель переключает передачи вручную с помощью рычага и педали сцепления. Отличается высокой надёжностью, низкой стоимостью и полным контролем над режимом работы двигателя. Недостатки — необходимость навыков управления и утомляемость при частых переключениях в городском цикле.
• Автоматическая коробка передач (АКПП) — переключение передач происходит автоматически без участия водителя. Использует гидротрансформатор и планетарные механизмы. Обеспечивает плавность хода, но имеет более высокий расход топлива и сложность ремонта.
• Роботизированная коробка передач (РКПП) — по сути, механическая КПП, в которой переключение передач и выжим сцепления автоматизированы с помощью сервоприводов. Бывает с одним сцеплением (например, Easytronic от Opel) и с двумя сцеплениями (преселективные, например, DSG от Volkswagen). Последние обеспечивают быстрое переключение без разрыва потока мощности.
• Вариатор (CVT) — бесступенчатая трансмиссия, в которой передаточное отношение изменяется плавно за счёт ремня или цепи, скользящих по раздвижным шкивам. Обеспечивает максимальную плавность хода, но имеет ограничения по передаваемому крутящему моменту и специфический звук работы двигателя.

По числу ступеней

• Малоступенчатые (3–4 ступени) — характерны для автомобилей первой половины XX века и некоторых современных маломощных машин.
• Среднеступенчатые (5–6 ступеней) — наиболее распространены в современных легковых автомобилях с МКПП.
• Многоступенчатые (7–10 ступеней) — используются в современных АКПП и преселективных РКПП для повышения топливной экономичности и динамики.

По конструктивному исполнению

• Ступенчатые — с фиксированными передаточными числами (механические, автоматические, роботизированные).
• Бесступенчатые — с плавным изменением передаточного отношения (вариаторы).
• Гибридные — комбинируют элементы разных типов, например, планетарную передачу с электромотором (e-CVT).

Устройство и принцип работы

Основными элементами любой КПП являются: корпус (картер), валы (первичный, вторичный, промежуточный), шестерни, синхронизаторы (в механических и роботизированных), механизм переключения (вилки, штоки, рычаги) и система управления (гидравлическая или электронная).

Механическая коробка передач

В МКПП крутящий момент от двигателя через сцепление передаётся на первичный вал. На нём расположены шестерни, находящиеся в постоянном зацеплении с шестернями промежуточного вала. Вторичный вал имеет шестерни, которые могут свободно вращаться на нём. При включении передачи синхронизатор блокирует одну из этих шестерён с валом, передавая момент на колёса. Переключение происходит при размыкании сцепления.

Автоматическая коробка передач

В АКПП вместо сцепления используется гидротрансформатор, который передаёт момент через поток масла. Планетарные ряды (наборы шестерён: солнечная, коронная, сателлиты) обеспечивают различные передаточные числа. Управление осуществляется гидравлическим блоком клапанов или электронным контроллером, который выбирает передачу на основе скорости автомобиля и нагрузки на двигатель.

Вариатор

В CVT два шкива (ведущий и ведомый) соединены ремнём или цепью. При изменении диаметра шкивов (за счёт перемещения их половинок) меняется передаточное отношение. Управление осуществляется гидравликой или сервоприводами.

Применение

Коробки переключения передач устанавливаются на всех типах транспортных средств: легковых и грузовых автомобилях, автобусах, мотоциклах, тракторах, строительной и сельскохозяйственной технике, а также на некоторых видах железнодорожного подвижного состава.

• Легковые автомобили — преимущественно МКПП (5–6 ступеней), АКПП (6–10 ступеней), вариаторы и роботизированные коробки.
• Грузовые автомобили — многоступенчатые МКПП (8–16 ступеней) и автоматизированные КПП (например, ZF AS Tronic).
• Спортивные автомобили — преселективные роботизированные коробки с двумя сцеплениями (например, Porsche PDK, Ferrari F1).
• Сельскохозяйственная техника — МКПП с большим числом передач (до 30) и реверс-редукторами.

Обслуживание и неисправности

Ресурс КПП зависит от типа, условий эксплуатации и качества обслуживания. Механические коробки требуют замены масла каждые 60–100 тыс. км, автоматические — каждые 40–60 тыс. км (в зависимости от рекомендаций производителя). Вариаторы и роботизированные коробки чувствительны к качеству масла и перегреву.

Типичные неисправности:

• МКПП: износ синхронизаторов, подшипников, поломка зубьев шестерён, течь масла через сальники.
• АКПП: износ фрикционов, загрязнение гидроблока, выход из строя гидротрансформатора, электронные сбои.
• Вариатор: износ ремня или цепи, заклинивание шкивов, перегрев.
• РКПП: отказ сервоприводов, износ сцепления, сбои в электронике.

Интересные факты

• Самая массовая КПП в истории — механическая 4-ступенчатая коробка Ford Model T, выпускавшаяся с 1908 по 1927 год.
• Первая в мире серийная автоматическая коробка передач (Hydra-Matic) устанавливалась на автомобили Oldsmobile в 1940 году.
• В СССР на грузовиках ЗИЛ-157 применялась 5-ступенчатая МКПП с демультипликатором, позволявшая иметь 10 передач переднего хода.
• Современные 10-ступенчатые АКПП (например, Ford-GM 10R80) способны переключать передачи за 0,1 секунды.
• Вариаторы не могут передавать высокий крутящий момент, поэтому их редко устанавливают на мощные автомобили (исключение — Audi A4 с двигателем 3.0 TDI, где используется цепной вариатор).

Источники

• Б. С. Фалькевич, «Теория автомобиля», 1963.
• В. А. Петров, «Конструкция и расчёт автомобильных трансмиссий», 1985.
• Robert Bosch GmbH, «Automotive Handbook», 10th edition, 2018.
• SAE International, «Automatic Transmission Design and Development», 2012.
• Техническая документация заводов-изготовителей (ZF, Aisin, Jatco, Getrag).