Механические коробки передач встречаются на автомобилях всё реже, и я не удивлюсь, если современные водители не очень-то понимают, зачем вообще эти передачи нужны. Да и среди опытных автомобилистов наверняка найдутся те, кто переключает "скорости" просто потому, что так нужно, не загружая голову философскими вопросами о глубинном смысле этого действа. Поэтому я полагаю, что и среди моих читателей найдутся те, кому будет интересно узнать, какие же функции выполняет коробка передач в автомобиле.
Внешняя скоростная характеристика двигателя
Прежде чем начать разговор о коробках передач, нам нужно познакомиться с ВСХ (внешней скоростной характеристикой) двигателя. Так называется зависимость крутящего момента от частоты вращения. Важно понимать, что речь здесь идёт о максимальном крутящем моменте, который двигатель может развить при полной подаче топлива. Для дальнейших рассуждений мы возьмём ВСХ абстрактного двигателя, которая, тем не менее, похожа на характеристики реальных двигателей:
Вот теперь мы можем переходить к рассмотрению функций коробки передач.
1. Расширение скоростного диапазона
Для начала обратим внимание на то, что двигатель может работать в ограниченном диапазоне частот вращения. В нашем примере – от 1000 до 4200 об/мин. Это значит, что если мы подберём такое передаточное число трансмиссии, чтобы при минимально устойчивой частоте вращения двигателя автомобиль двигался со скоростью 10 км/ч, то при максимальной частоте вращения на той же передаче он поедет со скоростью всего лишь 42 км/ч.
Чтобы показать это наглядно, перенесём ВСХ двигателя в координаты "скорость автомобиля – сила тяги на колёсах" и получим тяговую характеристику:
Чтобы можно было ездить быстрее (или медленнее), в трансмиссии должно быть несколько передач с разными передаточными числами. Например, мы можем сделать пять передач так, чтобы передаточное число 1-й передачи было в 4 раза больше передаточного числа 5-й, а промежуточные передачи равномерно располагались между ними. В этом случае тяговая характеристика будет перекрывать диапазон скоростей от 10 до 168 км/ч.
2. Расширение силового диапазона
Обратите внимание, что на низших передачах не только уменьшается скорость автомобиля, но и увеличивается доступная сила тяги на колёсах. Это прямое следствие закона сохранения энергии. Чтобы не быть голословным, приведу формулы для этих величин:
Важно, что в формуле для скорости передаточное число стоит в знаменателе, а для силы тяги – в числителе.
Таким образом, коробка передач позволяет расширить не только диапазон доступных скоростей, но и диапазон развиваемых тяговых усилий. Это важно для того, чтобы автомобиль мог не только поддерживать скорость на хорошей дороге, но и разгоняться, преодолевать подъёмы, везти груз, тянуть прицеп или двигаться по бездорожью.
Например, наш воображаемый автомобиль на 5-й передаче вполне может ехать с постоянной скоростью по ровной горизонтальной дороге, но для разгона с ускорением хотя бы 1 м/с² или преодоления подъёма 5° (≈9%) уже необходимо переключаться на 4-ю передачу или ниже.
Желательно, чтобы диапазон доступных тяговых усилий был максимально возможным для любой скорости, а для этого нужны не только высшая и низшая передачи, но и промежуточные. Для понимания их значимости на иллюстрации заштрихована область тяговых усилий, которые становятся доступными при переходе от двухступенчатой коробки передач к пятиступенчатой.
3. Снижение нагрузки на сцепление
Даже если бы нашему автомобилю не нужно было ездить с низкими скоростями или развивать большую тягу на колёсах, то нам всё равно понадобилась бы отдельная передача для трогания с места. Чтобы понять зачем, нам нужно вспомнить, что в начале движения крутящий момент к колёсам передаётся за счёт буксования сцепления, которое его нагревает и постепенно изнашивает. Чтобы сцепление служило долго, оно должно буксовать как можно меньше, а этого можно достичь двумя путями:
- Снизить скорость, при которой сцепление замыкается
- Увеличить ускорение, с которым автомобиль достигает этой скорости
Очень удобно, что можно пойти обоими путями сразу, просто увеличив передаточное число трансмиссии. Иначе говоря, выделить для трогания отдельную передачу с большим передаточным числом.
4. Экономия топлива и оптимизация параметров работы двигателя
Теперь давайте поговорим о том, почему инженеры всё время стремятся увеличить количество передач. Действительно, у "Победы" было всего три передачи, у классических "Жигулей" – четыре, затем стандартом стала пятиступенчатая коробка передач, а сегодня даже на легковых машинах всё чаще встречаются шести- и семиступенчатые трансмиссии.
Отчасти это обусловлено желанием максимально полно использовать мощность двигателя на любых скоростях (см. пункт 2), но гораздо важнее то, что таким образом достигается снижение расхода топлива.
Дело в том, что экономичность двигателя зависит от режима его работы, то есть от частоты вращения и крутящего момента. Мы можем показать это на внешней скоростной характеристике, закрасив разными цветами зоны, соответствующие разным расходам топлива (обычно показывают удельный расход топлива в пересчёте на единицу мощности). Такую характеристику обычно зазывают многопараметровой (МПХ). На рисунке ниже наиболее экономичный режим отмечен синим цветом, наименее – красным.
Давайте перенесём эту характеристику в уже привычные нам координаты "скорость автомобиля – сила тяги на колёсах" и сравним, в каких режимах будет работать двигатель на 4-й и 5-й передачах, если, например, водитель желает ехать со скоростью 79 км/ч, для поддержания которой в текущих дорожных условиях требуется сила тяги на колёсах 1950 Н·м.
Вы можете убедиться, что в данной ситуации на 4-й передаче двигатель будет работать в "жёлтой" зоне, а на 5-й – в наиболее экономичной "синей". Понятно, что попасть в точку наилучшей экономичности получится не всегда, но из этого примера понятно, что расход топлива зависит в том числе и от передаточного числа трансмиссии.
Теоретически для каждого режима движения можно подобрать оптимальное передаточное число, при котором расход топлива будет наименьшим, и было бы идеально, если бы коробка передач позволяла в точности его получить. Загвоздка в том, что для этого в ней должно быть бесконечное количество передач. Иными словами, коробка передач должна быть бесступенчатой. Такие конструкции в общем-то существуют, но их недостатки пока что преобладают над достоинствами, поэтому чаще идут по простому пути увеличения количества передач, ведь чем больше их будет, тем сильнее мы сможем приблизиться к оптимальному значению передаточного числа.
Нетрудно догадаться, что от частоты вращения и крутящего момента зависит не только удельный расход топлива, но и другие параметры двигателя: количество вредных выбросов, уровень шума, тепловой режим, долговечность и т.д. Для любого из них можно построить аналогичные карты и выбрать оптимальные передаточные числа. Так что коробка передач позволяет не только экономить топливо, но и улучшать другие показатели работы двигателя. Я мог бы каждый из них вынести в отдельный пункт, но тогда в них пришлось бы писать по сути одно и то же, так что будем считать оптимизацию работы двигателя по одному или нескольким параметрам единой функцией коробки передач.
5. Получение заднего хода
Ещё один недостаток двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что он может вращаться только в одну сторону. Исключения из этого правила существуют, но это настолько специфические двигатели, что их можно смело исключать из рассмотрения. При этом автомобилю нужно уметь ездить и вперёд, и назад. Чтобы это обеспечить, в коробке передач делают дополнительную передачу с дополнительной "паразитной" шестерней, которая изменяет направление вращения выходного вала на противоположное.
6. Получение нейтрали
Автомобиль должен не только ездить вперёд и назад, но и стоять на месте. На первый взгляд тут можно обойтись и без коробки передач: если остановка короткая, достаточно просто разомкнуть сцепление, а если длительная - заглушить двигатель. Но это, во-первых, очень неудобно, а во-вторых не способствует ресурсу ни двигателя, ни сцепления. К тому же, бывают ситуации, когда двигатель должен подолгу работать на стоящем автомобиле, например, для отопления салона или привода какого-нибудь вспомогательного оборудования. В общем, ситуации могут быть самыми разными, поэтому в автомобиле обязательно должна быть предусмотрена возможность не ограниченного по времени отсоединения двигателя от колёс. Для этого в коробке передач предусматривается нейтральное состояние, в котором входной и выходной валы могут вращаться независимо друг от друга.
Заключение
На этом всё! Надеюсь, эта информация была для вас если не полезной, то хотя бы интересной. Я же планирую и дальше время от времени писать статьи на автомобильную тематику, а из уже опубликованного могу предложить вашему вниманию доскональный разбор вопросов проходимости.
Спасибо за внимание!