Как работает механическая коробка передач: переключите сами

Что показывает модель

Механическая коробка передач меняет передаточное число между сцеплением и карданным валом, поэтому двигатель, которому удобен узкий диапазон оборотов, возит автомобиль и со скоростью пешехода, и по трассе. Если ехать на машине с механикой по городу, передачи придётся менять несколько сотен раз в час. Двигатель при этом не меняет своих вкусов, а автомобиль то ползёт по парковке, то идёт по шоссе. Эту возможность даёт коробка между сцеплением и карданным валом, и в этом экспонате она разрезана.

Модель представляет собой пятиступенчатую коробку для автомобиля с двигателем спереди и приводом на задние колёса. Половина картера срезана. Сцепление слева, там, где к коробке крепился бы двигатель, а вторичный вал выходит справа. Передачи переключаются рычагом в углу 3D-вида. Последовательность проигрывается медленно, чтобы вы увидели, как раскрывается сцепление, сдвигается муфта, работает латунное кольцо синхронизатора и запираются зубья. Панель показывает скорость каждого вала и соответствующую скорость автомобиля. Переключатель «Переключение без сцепления» позволяет сделать то, чего не советует ни один инструктор по вождению.

Зачем двигателю несколько передаточных чисел

Бензиновый двигатель развивает полезную мощность в диапазоне примерно от 1500 до 6000 об/мин. Ниже он глохнет или работает с натугой, выше задыхается. Автомобилю же нужно разгоняться от скорости пешехода до значительно более 100 км/ч. Если бы двигатель был связан с колёсами одним неизменным передаточным числом, можно было бы выбрать число для резкого старта или для тихого крейсерского хода, но не для того и другого сразу.

Поэтому коробка предлагает набор передаточных чисел. На первой передаче двигатель делает много оборотов на один оборот колёс, это умножает крутящий момент и позволяет трогаться в горку. На пятой двигатель делает меньше оборотов, чем карданный вал, и автомобиль идёт вперёд при спокойных оборотах. Водитель выбирает такое передаточное число, при котором двигатель остаётся в комфортном диапазоне для текущей скорости.

Как мощность проходит по трём валам

Проследим привод от двигателя к карданному валу.

1. Сцепление. Маховик прикручен к коленчатому валу двигателя. Диск сцепления зажат между маховиком и нажимным диском диафрагменной пружиной, а сам диск сидит на шлицах первичного вала.
2. Первичный вал. На нём одна шестерня с 23 зубьями, всегда находящаяся в зацеплении с шестернёй на 33 зуба на промежуточном валу.
3. Промежуточный вал. Единый стальной вал с шестью нарезанными шестернями. Он вращается в сторону, противоположную первичному валу, со скоростью 23 ÷ 33 от неё.
4. Шестерни на вторичном валу. Каждая шестерня промежуточного вала зацеплена со своей парой на вторичном валу. Эти пары не закреплены на вторичном валу. Они вращаются на игольчатых подшипниках, каждая со своей скоростью.
5. Муфты. Три скользящие муфты сидят на ступицах, посаженных на шлицы вторичного вала. Когда муфта сдвигается вбок и надвигается на зубья включения на боковой стороне шестерни, эта шестерня оказывается жёстко соединена с валом, и привод идёт через неё.
6. Вторичный вал. Он лежит на одной линии с первичным и передаёт привод назад, на карданный вал и задний мост.

Четвёртая передача особая. Муфта 3-й и 4-й передач может соединить саму входную шестерню со вторичным валом, тогда оба вала вращаются вместе, а промежуточный вал обходится. Это называется прямой передачей, и её передаточное число ровно 1.

Передаточные числа и скорость автомобиля при 3000 об/мин

Числа в модели модельные: они подобраны так, чтобы походить на типичную пятиступенчатую коробку, и не списаны с конкретного автомобиля. Все пары передач вперёд имеют в сумме по 56 зубьев, поэтому все они помещаются в одно и то же межосевое расстояние. Передаточное число каждой передачи равно передаточному числу постоянной пары, умноженному на передаточное число её собственной пары:

передаточное число = (33 ÷ 23) × (шестерня вторичного вала ÷ шестерня промежуточного вала)

Чтобы перевести обороты двигателя в скорость автомобиля, нужны ещё два числа. Главная передача в заднем мосту равна 43 : 11, то есть 3,909. Шины 205/55 R16: это обод диаметром 16 дюймов (406,4 мм) плюс две боковины, каждая высотой 55% от 205 мм. Получается, что шина имеет диаметр 631,9 мм и длину окружности 1,985 м. На третьей передаче:

обороты колеса = 3000 ÷ (1,435 × 3,909) = 534,9 об/мин

скорость = 534,9 × 1,985 м × 60 ÷ 1000 = 63,7 км/ч

Остальные строки считаются так же. От передачи к передаче передаточное число уменьшается в 1,77, 1,55, 1,44 и 1,26 раза. Ступени к верхним передачам становятся мельче, и это обычно: на высокой скорости сопротивление воздуха круто растёт, а маленький интервал между четвёртой и пятой передачами удерживает двигатель вблизи лучших оборотов при переключении вверх. Диапазон от первой передачи до пятой равен 4,92.

Что передаточные числа делают с моментом и силой на колёсах

Модель не моделирует крутящий момент двигателя, поэтому для примера возьмём число со стороны. Допустим, двигатель выдаёт 150 Н·м при 3000 об/мин. Это предполагаемое значение для небольшого бензинового мотора, а не измерение. На этих оборотах мощность равна 150 × 2π × 3000 ÷ 60 = 47,1 кВт, и коробка добавить её не может. Она лишь обменивает скорость на силу. Момент на колёсах равен моменту двигателя, умноженному на общее передаточное число, а сила на дороге равна этому моменту, делённому на динамический радиус шины, у модельной шины 205/55 R16 это 0,316 м.

Две проверки показывают, что таблица согласована. На первой передаче 7278 Н при 23,3 км/ч (6,47 м/с) дают 47,1 кВт, мощность двигателя. На пятой 1479 Н при 31,9 м/с тоже дают 47,1 кВт. Сила падает впятеро, а скорость растёт во столько же раз. Столбец с 4% использует данные обзора Национальных академий США о технологиях экономии топлива: потери в механической коробке составляют около 4% от полной мощности двигателя, а в обычном автомате около 13%. Для автомобиля массой 1200 кг 7278 Н означали бы ускорение 6,1 м/с² на первой передаче, если бы шины могли его удержать, а обычно они не могут. Предел при старте задаёт сцепление шин с дорогой, а не коробка.

Передаточные числа определяют и то, насколько падают обороты двигателя при переключении вверх. При 3000 об/мин двигатель упал бы до 1696 об/мин после перехода с 1-й на 2-ю, до 1941 об/мин после 2-й на 3-ю, до 2091 об/мин после 3-й на 4-ю и до 2391 об/мин после 4-й на 5-ю. Это те же числа, до которых должно дойти кольцо синхронизатора, только в другую сторону. Первый перепад велик, потому что первая передача короткая и нужна для трогания, а последний мал, потому что пятая высокая. Ещё одна цифра пригодится при планировании поездки: на пятой передаче модельный автомобиль проходит 38,2 км/ч на каждые 1000 об/мин, на четвёртой 30,5 км/ч, на первой 7,8 км/ч.

Почему шестерни никогда не выходят из зацепления

В модели вращаются все шестерни, даже те, что не передают привод. На третьей передаче, например, свободная пятая шестерня на вторичном валу вращается со скоростью 3764 об/мин, а вал под ней делает 2091 об/мин. Это выглядит расточительно, но решает старую проблему. В первых коробках без синхронизаторов шестерни сами сдвигались вбок и входили в зацепление, и зубья должны были встретиться торцами. В коробке с постоянным зацеплением зубья каждой пары остаются в зацеплении всю жизнь, и только маленьким зубьям включения на боку шестерни нужно найти путь друг к другу.

Раз шестерням не нужно вдвигаться в зацепление, они могут быть косозубыми, то есть с зубьями, нарезанными под углом к валу. В модели этот угол 25°. Косой зуб входит в контакт постепенно по всей своей ширине, а не сразу, поэтому такая коробка заметно тише, чем с прямыми зубьями. Расплата за это боковая сила: при угле 25° осевая сила равна tan 25° = 0,47 силы, которая вращает шестерню. Коробки воспринимают её коническими роликовыми или шариковыми подшипниками. Зубья на промежуточном валу нарезаны с направлением, противоположным их парам, как и должно быть у двух параллельных косозубых шестерён.

Что делает кольцо синхронизатора при переключении

Вот трудность. Когда вы переходите со второй передачи на третью на 41 км/ч, вторичный вал продолжает вращаться со скоростью 1353 об/мин, потому что автомобиль всё ещё катится. При выжатом сцеплении первичный вал, диск сцепления, промежуточный вал и все свободные шестерни образуют один свободный блок, который по инерции вращается примерно со скоростью 3000 об/мин, оставшейся с прошлого момента. Третья шестерня на вторичном валу входит в этот блок. Чтобы соединить её с валом без хруста, входная сторона должна замедлиться до 3000 × 1,435 ÷ 2,217 = 1941 об/мин.

Эту работу делает кольцо синхронизатора. Это латунное кольцо с конической внутренней поверхностью, оно стоит между ступицей и шестерней. У шестерни есть парный стальной конус. Когда рычаг начинает двигаться, муфта прижимает кольцо к конусу, и трение между ними тянет шестерню, а с ней и весь свободный блок, к скорости вала. В модели полоса разницы оборотов падает от нескольких сотен об/мин до нуля.

Пока разница скоростей есть, трение немного поворачивает кольцо относительно его шпонок в ступице. В этом положении блокирующие зубья по краю кольца оказываются перед зубьями муфты и не пускают её дальше. Поэтому поспешное переключение ощущается тугим: вы давите на кольцо, которое ещё не закончило работу. Когда скорости сравнялись, трение пропадает, кольцо поворачивается назад на пол-зуба, и фаски на зубьях направляют муфту дальше. Через мгновение она надвигается на зубья включения на шестерне, и шестерня оказывается заперта на валу. В настоящем автомобиле вся последовательность занимает доли секунды.

Числа, стоящие за переключением с синхронизатором

Конструкторы рассматривают переключение не как одно событие. В докладе С. Раццаки (DaimlerChrysler), представленном на конгрессе SAE World Congress в 2004 году, переключение синхронизатора разбито на шесть событий. Первое: упор, маленькая подпружиненная шпонка, касается блокирующего кольца. Третье: вершина зуба муфты упирается в вершину зуба кольца, что поворачивает («заклинивает») кольцо на небольшой люфт в ступице. Последующие события охватывают прохождение фаски муфты через фаску кольца и выход зуба муфты на собственные зубья включения шестерни. В докладе каждая деталь рассчитана так, чтобы события шли по порядку, и показаны зона удара и зона тугого переключения. Если конус делает слишком мало, водитель слышит удар. Если кольцо блокирует слишком жёстко, рычаг ощущается застрявшим.

Два момента определяют, где окажется конструкция. Момент синхронизации создаёт трением конус. Момент поворота (индексации) поворачивает кольцо в блокирующее положение, и он зависит от угла зубьев кольца («угол заострения»). В докладе SAE 2007 года Раццаки и Дж. Хоттенштейна о синхронизаторах для трансмиссий с двумя сцеплениями правило сформулировано прямо: момент синхронизации должен быть больше момента поворота на всём протяжении переключения, чтобы не было удара или скрежета, а момент поворота должен превышать суммарное сопротивление трансмиссии, чтобы кольцо блокировало и в холодной коробке с густым маслом. Более крутой угол заострения снижает момент поворота, поэтому конструктору, который делает его круче ради меньших усилий, может понадобиться больше трения на конусе, чтобы по-прежнему выполнялось первое условие.

Модель упоры не показывает, но оценить работу конуса можно. Возьмём переключение со 2-й на 3-ю. Входная сторона должна замедлиться с 3000 до 1941 об/мин, то есть на 110,9 рад/с. Допустим для примера, что диск сцепления, первичный вал, промежуточный вал и свободные шестерни вместе имеют момент инерции 0,05 кг·м². Энергия, которую нужно снять, равна ½ × 0,05 × (314,2² − 203,3²) = 1,43 кДж. Если переключение занимает 0,1 с, конус должен создавать средний момент 0,05 × 110,9 ÷ 0,1 = 55 Н·м на этом блоке и рассеивать 14 кВт тепла в течение десятой доли секунды. Латунное кольцо долго этого не выдержит, поэтому на низших передачах, где разница скоростей наибольшая, во многих серийных коробках ставят синхронизаторы с несколькими конусами.

Почему переключение без сцепления скрежещет

Теперь включите «Переключение без сцепления» и попробуйте перейти с третьей передачи на четвёртую. При включённом сцеплении первичный вал по сути жёстко связан с работающим двигателем. Двигатель делает 3000 об/мин, значит, входная шестерня, она же шестерня четвёртой передачи, тоже делает 3000 об/мин. Вторичный вал делает 2091 об/мин. Кольцу синхронизатора пришлось бы замедлить весь двигатель с маховиком на 909 об/мин, пока двигатель сопротивляется, и всё это через конус шириной в несколько сантиметров. Оно не справится.

Поэтому кольцо остаётся в блокирующем положении, а если водитель давит достаточно сильно, зубья муфты доходят до зубьев включения, пока те ещё скользят друг мимо друга. На радиусе 30 мм разница в 909 об/мин означает, что торцы проходят со скоростью 2,9 м/с, и каждую секунду мимо проходят 424 зуба. Каждый из них бьётся о фаски муфты и отбрасывает её назад. Этот стук и есть скрежет, и каждый такой цикл стачивает кромки, которые должны направлять муфту.

Та же арифметика объясняет, почему водители старых коробок без синхронизаторов применяли двойной выжим. Сцепление выжать, рычаг в нейтраль, сцепление отпустить, дать газ или подождать, чтобы довести входную сторону до нужной скорости с помощью двигателя, снова выжать сцепление и только тогда включить передачу. Водитель на слух делал то, что теперь делает трение в кольце синхронизатора.

Задний ход и промежуточная шестерня

Две шестерни в зацеплении вращаются в противоположные стороны. Промежуточный вал уже вращается противоположно первичному, и каждая пара передач вперёд снова меняет направление, так что вторичный вал идёт в ту же сторону, что и двигатель. Чтобы автомобиль поехал назад, на пути привода ставят ещё одну шестерню. В модели шестерня на 13 зубьев на промежуточном валу вращает паразитную шестерню на 17 зубьев, а та вращает шестерню заднего хода на 38 зубьев на вторичном валу. Паразитная шестерня не меняет передаточное число, только направление.

Шестерни заднего хода в модели прямозубые. Так обычно и делают, и поэтому на заднем ходу автомобиль издаёт вой, которого не слышно на передачах вперёд. Во многих коробках задний ход включают, вдвигая паразитную шестерню в зацепление, а это работает только при неподвижных шестернях, поэтому автомобиль сначала нужно остановить. В модели муфта 5-й передачи и заднего хода с её синхронизатором останавливает входную сторону до включения заднего хода.

Как читать график зубьев пилы

На любой одной передаче обороты двигателя связаны со скоростью автомобиля прямой: обороты двигателя равны скорости, делённой на длину окружности шины, умноженной на передаточное число передачи и на главную передачу. График «Скорость и обороты» в разделе «Управление» рисует по одной прямой на каждую передачу. Выберите обороты переключения, и путь поднимается по одной прямой до этих оборотов, потом падает вертикально на следующую прямую при той же скорости автомобиля. Эти падения образуют зубья пилы.

Размер каждого падения легко вычислить. После переключения вверх двигатель вращается с оборотами переключения, умноженными на отношение новой передачи к старой, так что спад равен оборотам переключения, умноженным на единицу минус это отношение. У Honda Civic Type R передаточное число 2-й передачи 2,115, а 1-й 3,625, поэтому двигатель сохраняет 0,5834 от своих оборотов. Переключитесь на 7000 об/мин, и он опустится до 4084 об/мин. На верхних передачах числа ближе друг к другу, поэтому зубья мельче: у модельной коробки спады при 6500 об/мин равны 2826, 2293, 1970 и 1320 об/мин.

Главная передача и размер шины растягивают график вбок, но не меняют спады. Поэтому каталог может показать на одном графике наборы передаточных чисел Tremec TR-6060, которые поставляются без моста и шин: скорости тогда считаются для модельной главной передачи 3,909 и шины 205/55 R16 и помечены как модельные значения, а спады оборотов точные.

Сила на колёсах на каждой передаче

Сила, которая толкает автомобиль, равна моменту двигателя, умноженному на общее передаточное число и на КПД шестерён, и делённому на радиус шины. График «Сила на колёсах» рисует её для каждой передачи в зависимости от скорости, рядом с пунктирной линией того, чем отвечают дорога и воздух. Разница между кривой передачи и пунктиром остаётся на разгон автомобиля, а таблица под графиком переводит её в метры на секунду в квадрате.

Производители публикуют две точки кривой момента, а не всю кривую: пиковый момент и диапазон оборотов, где он держится, и пиковую мощность с её оборотами. График соединяет эти точки прямыми отрезками и держит мощность почти ровной до красной линии. Это приближение, и экран так и говорит. Сопротивление движению одинаково для каждой записи: модельный автомобиль 1400 кг, сопротивление качению 0,012 и площадь лобового сопротивления 0,65 м².

Сразу видны две вещи. Во-первых, на 100 км/ч самая сильная передача у Civic Type R 2-я, на 6719 об/мин, с силой около 7,6 кН на колёсах, примерно в 1,5 раза больше, чем даёт четвёртая. Во-вторых, кривая следующей передачи почти никогда не поднимается выше текущей до красной линии. Для быстрейшего разгона каждую передачу нужно тянуть до красной линии. Исключение составляют автомобили, у которых мощность остаётся ровной на целом диапазоне оборотов: у GR Supra кривые 4-й и 5-й передач сходятся примерно на 5900 об/мин.

Перегазовка и двойной выжим

При переключении вниз двигателю нужно раскрутиться быстрее. На 80 км/ч модельный двигатель на 4-й передаче делает 2625 об/мин, а на 3-й ему нужно 3768 об/мин. Если сцепление отпустить, пока двигатель ещё на низких оборотах, сцеплению придётся раскручивать двигатель самому, и автомобиль на мгновение притормозит. Короткий «подгаз» при выжатом сцеплении (по-английски blip) сначала поднимает обороты двигателя: это и есть перегазовка, согласование оборотов. Лаборатория перегазовки в разделе «Управление» позволяет выполнить эти шаги и показывает, насколько вы промахнулись, сколько тепла получило сцепление и каким был рывок. При моменте инерции двигателя 0,15 кг·м² (модельное значение) промах на все 1142 об/мин отдаёт сцеплению около 1,1 кДж.

У коробки без синхронизаторов, «крэш-бокса» (crash box), есть вторая проблема. Первичный вал должен вращаться с нужной скоростью, прежде чем передачу вообще можно включить, а при выжатом сцеплении его замедляет только трение. Поэтому водители старых грузовиков и первых автомобилей выжимали сцепление дважды: выжать и выйти из передачи, отпустить на нейтрали, чтобы двигатель привёл первичный вал, дать газ, чтобы довести его до новой скорости, снова выжать и включить передачу. В лаборатории коробка без синхронизаторов принимает передачу, только если вал отстаёт не больше чем на 150 об/мин (модельное значение) от нужной скорости, иначе она скрежещет.

Трогание: куда уходит тепло буксования

С места сцепление должно буксовать, потому что двигатель вращается, а колёса стоят. Пока сцепление не замкнулось, момент сцепления, умноженный на разность скоростей, превращается в тепло. Лаборатория трогания позволяет выбрать обороты, которые вы держите, и момент, который передаёт сцепление, а затем прогоняет модельный автомобиль на 1-й передаче по миллисекундам.

В ней скрыт изящный результат. Если держать двигатель на одних оборотах, пока сцепление буксует, сцепление превращает в тепло примерно столько же энергии, сколько автомобиль получает как движение. С 3000 об/мин при 200 Н·м сцепление берёт около 32,5 кДж, пока автомобиль получает около 29,3 кДж, остальное уходит в сопротивление движению. Если же тронуться с 2000 об/мин при 180 Н·м, тепло падает до около 14,5 кДж. Запросите у сцепления больше момента, чем даёт двигатель на этих оборотах, и двигатель замедлится, а ниже 650 об/мин (предел модели) заглохнет. Хороший старт лежит между двумя крайностями: достаточно оборотов, чтобы двигатель работал, но не так много, чтобы сцепление сгорело.

Настоящие коробки в каталоге

В каталоге 31 запись. 18 из них автомобили с опубликованными передаточными числами: Honda Civic Type R и Civic Si, Acura Integra Type S и Integra 6MT, Toyota GR86, GR Corolla и GR Supra 3.0, Mazda MX-5, Nissan Z, Subaru WRX, два Ford Mustang и шесть автомобилей с Tremec TR-6060. Двенадцать записей это наборы передаточных чисел коробок Tremec, а последняя запись модель с этой страницы. Числа взяты из пресс-кита, брошюры или листа данных самого производителя; ссылка на источник стоит под каждой записью.

Кое-что бросается в глаза. У Civic Type R и Integra Type S совпадают все передаточные числа и главная передача 3,842. У GR Corolla две главные передачи: 4,058 для передач с 1-й по 4-ю и 3,450 для 5-й, 6-й и заднего хода. У MX-5 прямая шестая (1,000), а у Nissan Z прямая пятая, как четвёртая у модели. У Camaro SS шестая передача 0,50, поэтому на крейсерской скорости двигатель вращается вдвое медленнее карданного вала. Tremec указывает для TR-6060 межосевое расстояние 85 мм и двойные и тройные конусные синхронизаторы на каждой передаче, тогда как в модели на каждую передачу один конус.

Чем модель проще настоящей коробки

• Передаточные числа модельные, и у каждой пары ровно 56 зубьев. В настоящих коробках число зубьев подбирают, а для каждой пары берут немного разные углы наклона зуба и модули.
• У настоящих синхронизаторов на низших передачах часто два или три конуса, потому что там самая большая разница скоростей. В модели на каждую передачу один конус.
• Шпонки, пружины и фиксаторы-шарики, которые удерживают муфты в нейтрали, и блокировка, не дающая двигаться двум штокам сразу (интерлок), опущены.
• Подшипников, сальников и самого масла нет. В настоящей коробке нижние шестерни погружены в масло и разбрызгивают его повсюду.
• Зазор сцепления нарисован примерно вдвое больше настоящего, чтобы было видно, как оно открывается. Двигатель падает до 900 об/мин, когда вы держите педаль выжатой, как будто правая нога сошла с педали газа.
• Скорости автомобиля считаются по номинальному размеру шины и не учитывают её проскальзывание. Нагруженная шина катится с радиусом на несколько процентов меньше номинального.

Другие коробки, построенные на тех же идеях

Ford Model T. С 1908 по 1927 год автомобиль Ford использовал двухступенчатый планетарный редуктор. Музей Генри Форда отмечает, что его шестерни всегда были в зацеплении, поэтому переключать было легче, чем в несинхронизированных коробках с подвижными шестернями того времени. Это тот же довод, который привёл к постоянному зацеплению в механической коробке, только другим путём.

Мотоциклы. Студенческая команда Принстона, восстановившая Triumph Tiger Cub 1963 года, описывает ту же структуру, что и в модели: главный вал и промежуточный вал, а вилки переключения сдвигают шестерни вдоль них. Различие в механизме выбора. В том моторе ножной механизм переключения двигает пластину переключения, которая разводит вилки или сводит их. На более поздних мотоциклах обычно ставят барабан с канавками, как в гоночных коробках Honda с их барабаном переключения. В обоих случаях мотоциклист переходит на одну передачу вверх или вниз, и именно это делает коробку последовательной. Он теряет свободный выбор передачи, зато получает коробку без кулисы, где одна движущаяся деталь управляет всеми вилками.

Гоночные автомобили. Инженеры Honda писали, что коробки Формулы-1 с начала 1990-х используют кулачковую муфту и барабан переключения, тот же принцип, что у мотоцикла. Кольца синхронизатора нет. Регламент того времени, как его пересказывает Honda, требовал от четырёх до семи передач вперёд и запрещал вариатор (CVT). Проблема кулачковой коробки в соударении одного кулачка с другим торец в торец, которое разрушало шестерни, поэтому команда Honda разработала переключение, при котором момент двигателя продолжает идти через смену передачи, и контроллер, который привязывает поворот барабана к просвету между кулачками. К 2008 году, по данным Honda, у всех команд была коробка, переключающаяся без разрыва момента. Серийная коробка для Формулы-1 от Xtrac, P1044, заявлена как семиступенчатая, с последовательным выбором без разрыва привода и с длительным входным моментом 340 Н·м.

Автоматические трансмиссии. Обычный автомат заменяет промежуточный вал и муфты планетарными рядами, которые переключаются сцеплениями и тормозами, а фрикционное сцепление заменяет гидротрансформатором. ZF сообщает, что её восьмиступенчатой 8HP для четырёх планетарных рядов нужно всего пять элементов переключения, а общий диапазон равен 7,0. Диапазон пятиступенчатой модели 4,92, так что автомат охватывает более широкий диапазон с большим числом ступеней. Плата за это эффективность: обзор Национальных академий оценивает КПД обычных автоматов в 86-94%, а потери в механической коробке примерно в 4% мощности двигателя.

Двойное сцепление. Коробка с двумя сцеплениями (DCT) сохраняет компоновку механики, но использует два сцепления на двух входных валах, одно для нечётных передач и одно для чётных. Страница Honda о её мотоциклетной DCT, представленной в 2010 году, описывает именно это: одно сцепление для 1-й, 3-й и 5-й передач, другое для 2-й, 4-й и 6-й. Пока едет одна передача, следующая уже выбрана на другом валу, и переключение превращается в передачу нагрузки между сцеплениями. В том же обзоре Национальных академий сказано, что шестиступенчатая DCT с мокрыми сцеплениями может снизить расход топлива до 4,1% по сравнению с шестиступенчатым автоматом, но версии с сухими сцеплениями имели проблемы с управляемостью, и плавность трогания трудно сравнять.

Вариатор. Вариатор вообще не имеет ступеней. Блок Honda для CITY 2020 модельного года использует металлический толкающий клиновой ремень между двумя шкивами, и передаточное число меняется непрерывно по мере изменения рабочих диаметров шкивов. Без шестерён нечего синхронизировать, и двигатель может держать одни обороты, пока автомобиль разгоняется. Формула-1 его запретила, как видно из процитированного выше регламента.

Распространённые заблуждения

«Более низкая передача даёт двигателю больше мощности». Нет. Мощность на колёсах равна мощности двигателя минус потери. Низкая передача даёт большую силу на малой скорости, как показывает таблица, и ещё позволяет двигателю вращаться быстрее, а там он обычно развивает большую мощность.

«Более высокая передача всегда экономит топливо». Только пока двигатель не работает с натугой. Высокая передача на малой скорости заставляет двигатель работать с большой нагрузкой на низких оборотах, и расход может оказаться больше, чем на передаче ниже, а ещё это может раскачивать трансмиссию.

«Всю работу делает кольцо синхронизатора». Оно лишь выравнивает скорости шестерни и вала. Педаль сцепления по-прежнему нужна, чтобы отсоединить двигатель, и поэтому в модели настройка «Переключение без сцепления» не срабатывает.

«В коробке каждая шестерня заперта на валу». Заперта только одна. На третьей передаче в модели свободные шестерни на вторичном валу вращаются на игольчатых подшипниках со скоростями от примерно 770 об/мин (первая) до 3760 об/мин (пятая), и ни одна ни с чем не соединена.

«Четвёртая передача самая эффективная, потому что ничто не зацеплено». Шестерни промежуточного вала всё равно зацеплены и вращаются в масле, поэтому тоже создают сопротивление. Прямая передача чуть лучше, но потери не нулевые.

«Двойной выжим устарел». Это та же работа, сделанная вручную. Водители коробок без синхронизаторов делают его и сейчас, а гоночная коробка с кулачковой муфтой делает то же самое с помощью датчиков и контроллера.

Попробуйте на экране

1. Установите Передача сначала на 2-ю, затем на 3-ю и смотрите на панель. Первичный вал должен упасть примерно с 3000 до 1941 об/мин. Уменьшите Замедление, чтобы увидеть, как полоса разницы оборотов закрывается до того, как кольцо пропустит муфту.
2. Включите Держать сцепление выжатым, затем смените передачу. В модели двигатель падает до 900 об/мин, но диск и первичный вал продолжают вращаться вместе с автомобилем, поэтому кольцу синхронизатора остаётся замедлять только свободный блок.
3. Включите Переключение без сцепления и перейдите с 3-й на 4-ю. Строка разницы оборотов должна показать 909 об/мин из текста, а сообщение скажет, что двигатель ещё подключён. Затем сравните с обычным переключением с 3-й на 4-ю.
4. Передвиньте Разобрать на 1, включите Заглянуть внутрь и Названия деталей. Найдите три муфты на вторичном валу. Они обслуживают 1-ю и 2-ю, 3-ю и 4-ю, 5-ю и задний ход.
5. Из нейтрали переведите Передача на «Задний ход» и заметьте, что вторичный вал вращается в другую сторону. Панель показывает его скорость со знаком минус. Сосчитайте лишнюю шестерню на пути привода.

Краткая история

Первые автомобили с несколькими передачами использовали коробки с подвижными шестернями, шестерни которых сдвигались в зацепление, пока водитель пытался подгадать момент. Это были «крэш-боксы», названные удачно. Коробки с постоянным зацеплением и кулачковыми муфтами облегчили переключение, но скорости всё равно приходилось выравнивать водителю.

Эрл А. Томпсон, инженер из Орегона, подал заявку на патент на механизм переключения передач в марте 1918 года (выдан в 1922 году) и годами пытался заинтересовать автопроизводителей в Детройте. Его синхронизатор попал в серию на Cadillac 1928 года, а в 1929 году Cadillac назначил его помощником главного инженера. Принцип синхронизатора теперь используется почти в каждой механической коробке.