Кпп карраро с кулачковой муфтой. Коробка быстрых скоростей: кулачковая коробка передач

Оптимизация рабочих ресурсов двигателя при управлении занимала умы конструкторов с момента выпуска первого автомобиля. Это достигалось разными способами, но одним из базовых было повышение эффективности при взаимодействии с коробкой переключения передач (КПП). Сама механика сопряжения двух узлов требует определенных затрат динамического усилия, но без этой функции обойтись невозможно. Одной из самых энергетически выгодных систем для изменения частоты крутящего момента является кулачковая КПП, которая, впрочем, имеет и существенные ограничения по применению.

Особенности устройства механизма

Хотя по целому ряду характеристик кулачковые «коробки» превосходят стандартные трансмиссии, их конструкцию можно рассматривать как упрощенную относительно обычной механики. Главная особенность с точки зрения технического устройства заключается в избавлении от синхронизаторов. Вместе с ними оптимизировалось устройство целой группы элементов, которые должны были делать управление передачей более легким, но они же и удлиняли период подачи команды через несколько узлов. В итоге целая инфраструктура с мелкими зубьями была заменена набором кулачкового ряда. На КПП такого типа одна муфта может содержать до 7 кулачков, что увеличивает запас площади сцепки по ширине. При этом размер шестерни в данной системе больше, чем в стандартных КПП, не говоря о замене скошенной формы зубьев на прямую. Последнее было обусловлено необходимостью снижения потерь на трении и минимизации осевой нагрузки на вал.

Принцип действия

Техника работы может быть секвенциальной или поисковой. В первом случае реализуется последовательное переключение передач, а во втором - обычное, как в стандартной КПП. На практике чаще используется именно секвенциальный принцип, так как он в большей степени позволяет отразить возможности кулачковой конструкции. Переключение может осуществляться вверх и вниз, а также по сторонам. Управление от водителя производится через рычаг, связанный с валом. Например, переключения кулачковой КПП на ВАЗ-2108 отличаются жесткостью, безотказностью и простотой. Рычаг двигает вал с бороздами волнообразной формы, прокручивая его на определенный градус. В результате активизируется или «нейтралка», или передача. Кстати, в целях дополнительной экономии времени сама ручка КПП делается крупной и высокой, чтобы водитель меньше времени затрачивал на манипуляции с механическим управлением. В техническом отношении наивысшую ступень развития занимают полуавтоматические кулачковые системы, в работе с которыми водителю нужно лишь дожидаться нужного переключения электроникой.

Эксплуатационные возможности

Рабочий момент при обращении с кулачковой системой переключения передач существенно сокращается, что дает экономию времени. Независимо от характеристик двигателя, скорость изменения крутящего момента у кулачковой КПП происходит быстрее, чем у обычной трансмиссии. Время на выполнение операции составляет 0,4-0,6 с, что ощутимо при сравнении с выключением/включением сцепления на автомобиле со стандартной «коробкой». Что еще важно, конструкция секвенциальных механизмов расширяет возможности для тюнинга. Это касается случаев полного переоборудования автомобиля в гоночную модификацию с ножным переключением скоростей. В данном случае нужно устанавливать вместе с парами КПП и основную пару дифференциала, что может скорректировать динамические качества машины. Опять же рядовому водителю такое обновление вряд ли понадобится, но для ценителя спорт-тюнинга обеспечит новое качество вождения.

Применение кулачковых моделей КПП

На легковых машинах, предназначенных для дорог общего пользования, такие механизмы применяют редко. Для такого обеспечения должны быть определенные основания, связанные с повышением динамики или упрощением конструкционной базы трансмиссионного агрегата. Нередко кулачковые КПП используют в единичных тюнинговых мероприятиях для демонстрации тех или иных возможностей концептуальных моделей. В случае с японским спорткаром Mitsubishi Lancer Evolution сочетание секвенциальной «коробки» и двигателя на 420 л.с., в частности, позволило разгон до 100 км/ч выполнить за 3,5 с.

Кулачковый механизм КПП на ВАЗ

В России изготовлением компонентов для кулачковых узлов трансмиссии занимается завод Lada Special Transmission. Данная группа выпускает секвенциальные механизмы, подходящие для автомобилей ВАЗ. Как отмечают пользователи, отечественная продукция демонстрирует высокую устойчивость, четкость работы и надежность. Но также можно обращаться к решениям от восточноевропейских производителей наподобие TST и Dogbox. В линейках этих компаний можно встретить наиболее близкие по устройству секвенциальные КПП на ВАЗ. Кулачковые механизмы иностранного производства обычно поставляются в разборном виде. Например, часто предлагаются наборы без крепежной оснастки, что заставляет дополнительно искать комплектующие для фиксации агрегата к несущей базе. Иногда в качестве донорских комплектов берутся и автоматические трансмиссии.

Кулачковые КПП на «классику»

Разумеется, отечественными автомобилями потребности в оснащении кулачковыми «коробками» не ограничиваются. Классические седаны и хэтчбеки, которые используются на общественных дорогах, могут переоборудоваться под секвентальный принцип переключения передач. Для этого используют специальные модификации кулачковых КПП на ВАЗ и «классику» в той или иной конфигурации. Как правило, это механизмы с кулачковой муфтой и шестерными узлами по 5-7 элементов на поверхности. Чем больше кулачков, тем выше ресурс агрегата в паре муфты-шестерни. С другой стороны, усложнение конструкции повышает цену и затрудняет процесс интеграции устройства. И даже если основа изделия по параметрам вписывается в монтажную базу, то дополнительные сложности может вызвать доработка вилки переключателя передач. Нередко для этих целей задействуются штатные приспособления, которые дорабатываются сваркой или фрезеровкой. Вполне могут применяться и готовые «коробки» в сборе, но это касается в основном устаревающих 5-кулачковых механизмов.

Кулачковые «коробки» и гоночная механика

Все же целевой нишей для использования кулачковых механизмов переключения передач являются спортивные автомобили. Уже приводился пример спорткара от «Митцубиси», и этим применение данного узла в машинах не ограничивается. Эту практику продолжает Subaru Impreza, обеспеченная секвенциальной «коробкой». И в отношении этой модели стоит отметить различия в подходах к комплектации кулачковым агрегатом. В гражданских версиях спорткара применяется именно последовательный принцип изменения крутящего момента. Но в раллийной модификации это решение запрещено, поэтому оставляется базовый механизм поискового переключения. Ярким примером использования данной конструкции является и кулачковый ряд КПП «Тойота MR2». Это двухместный спорткар, последние модификации которого получили пятиступенчатую секвенциальную «коробку» SMT. К особенностям этого узла относят то, что он способен выдерживать нагрузки от двигателей мощностью порядка 800 л.с.

Ограничения по применению секвенциальных КПП

Если даже отбросить тот факт, что обращаться с кулачковыми «коробками» могут только водители с соответствующим опытом физического управления трансмиссией, существует несколько принципиально важных кинематических нюансов эксплуатации таких устройств. Последовательное переключение снижает маневренность автомобиля при выполнении сложных перестроений на дорогах общего пользования. Иными словами, даже ловкий гоночный пилот будет иметь большой проигрыш при переключении вилки из-за необходимости перегазовки с резкими переходами от нижних ступеней к верхним. На прямой трассе, где необходимо постоянное и уверенное поддержание высокого скоростного режима, кулачковая КПП проявляет себя с лучших сторон, однако в гражданской машине ее преимущества переходят в недостатки.

Заключение

Концепция секвенциального переключения передач при всех своих особенностях сохраняет перспективы технологического развития. Это подтверждает и активное сращивание подобных трансмиссионных механизмов с электроникой. К примеру, сегодня появляются кулачковые агрегаты, работающие по командам программирующего компьютера Motec. Одной из главных функций электронного блока в автомобиле с такой начинкой, как заявляют разработчики, будет автоматическое управление работой системы зажигания и совершение перегазовок.

Такое мудреное и труднопроизносимое слово для простого русского человека, как секвентальный, образовано от английского sequence, что в переводе значит: последовательность. И английское название sequential manual gearbox по-русски звучит как секвентальная коробка передач. Это устройство на автомобилях определенного класса, допускающее только последовательные переключения скоростей с первой на повышенную и наоборот, без перескакиваний.

Традиционная коробка

На традиционных КПП , устанавливаемых на большинстве отечественных автомобилей, нейтральное положение рычага включения скоростей установлено посредине. Для того чтобы тронуться с места, мы выжимаем сцепление и включаем первую передачу. В дальнейшем с набором скорости рекомендуется их последовательное переключение.

Однако ничто не мешает нам начать движение сразу на второй скорости, если состояние дороги нормальное и двигатель рассчитан на такое действие. Пытаясь запустить двигатель с севшим аккумулятором , мы, толкая автомобиль, для облегчения можем включить сразу и третью, и даже четвертую. Ничто этому не препятствует. Снижая скорость для совершения маневра, мы, притормозив, с четвертой передачи переходим сразу на вторую или на первую. Перепутав, можно и на ходу включить не ту скорость, что для авто далеко не безобидно.

Коробка-автомат

Чтобы упростить управление автомобилем, была изобретена автоматическая коробка передач , которая освободила водителя от необходимости выбирать режим движения на том или ином участке пути. Автомат сам переключается, водитель же, работая одной ногой, или прибавляет скорость, или притормаживает. Управление автомобилем с АКПП требует меньшей квалификации, и не зря разрешение на эксплуатацию подобного транспортного средства выделено теперь в отдельную категорию.


Но и работа над совершенствованием механической трансмиссии не останавливалась. В результате появилась секвентальная трансмиссия, которая также не предусматривает наличие педали сцепления, но работающая на иных принципах. И главная её особенность – строго последовательное переключение скоростей.

Принцип секвентальности

Последовательное переключение передач можно отметить, например, на мотоциклах, где они включаются ногой. Нейтральное положение там располагается чаще всего между первой и второй передачей. Та же механика применяется на тракторах, на больших грузовиках. Наибольшее же распространение последовательное включение получило в коробках спортивных автомобилей, где дорога каждая миллисекунда и недопустимо снижение скорости при переключении. Использование гидравлики позволяет ещё больше ускорить этот процесс и сократить его до минимума.

В основе секвентального механизма лежит обычная механическая коробка передач , несколько усложненная в процессе модернизации. Главной особенностью является то, что с её помощью можно осуществлять переключение с пониженной на повышенную передачу без снижения скорости движения автомобиля, что неизменно происходит при работе традиционной КПП.

Кулачковая или секвентальная

Надо сказать, что на ряде гоночных автомобилей установлена кулачковая коробка передач. Хотя если кулачковую трансмиссию сделать ещё и секвентальной, уже и так очень большая скорость переключения режимов будет ещё выше. И это применяется уже на болидах «Формулы 1».

В отличие от косозубых шестерен на традиционной коробке обычного автомобиля, в кулачковой шестерни прямозубые и длинные. Это роднит её с трансмиссией секвентальной коробки. И именно эта особенность позволяет и той, и другой системе переключаться, не снижая скорости. При этом устройство самой коробки проще – здесь нет синхронизаторов, а вместо множества мелких зубьев на шестерне и муфте торцевые выступы. Те самые кулачки, которые и входят напрямую в зацепление с зазором.

Особенности

На автомобилях с секвентальной коробкой рычаг переключения располагается на руле. Как вариант, на рулевом колесе могут устанавливаться кнопки. Нужная кнопка маркирована литерой «S». Предусмотрено как автоматическое, так и ручное переключение. При этом коробка может работать в трех режимах:

• Стандартном механическом.
• Механическом спортивном.
• С автоматическим переключением без участия водителя.

Достоинствами этого автомобиля будущего являются следующие моменты:

1. У авто с секвентальной КПП, как и с АКПП, нет педали сцепления – это хорошо для начинающих водителей.
2. Эта коробка предусматривает выбор между автоматическим и ручным переключением.
3. Высокая скорость переключения передач, что отражается на экономичности двигателя.

Недостатком пока является низкая устойчивость к износу механизма коробки.

Разнообразие коробок переключения передач, устанавливаемых на современные автомобили, некоторых автолюбителей приводит в определенное замешательство, особенно тогда, когда приходится остановить свой выбор на том или ином типе трансмиссии. Именно поэтому, в данной статье мы ответим на вопрос: «Что такое секвентальная коробка передач, принцип работы и основные ее отличия?».

Конструктивное исполнение

Основой конструкции такой КПП служит секвентальный механизм (см. фото 1), позволяющий переключать передачи исключительно по возрастанию (убыванию).

Рычаг секвентальной КПП способен перемещаться только вперед или назад, а номер включенной передачи индицируется на дисплее. Специальный вал, обладающий бороздами волнообразной формы, осуществляет управление вилками переключения, и происходит это следующим образом. При толчке рычаг, вал проворачивается на градус определенной величины и приводит в движение вилки переключения, а их расположение, и, следовательно, включение той или иной передачи, обуславливается фигурной формой борозд.

В качестве привода секвентальной коробки передач, как правило, используют пневматические или электрические механизмы, а органы управления (кнопки, переключатели) располагают на рулевом колесе или под ним.

Итак, мы рассмотрели конструктивное исполнение данной КПП, точнее, его основной элемент – секвентальный механизм. Далее – принцип функционирования.

Принцип действия КПП данного типа практически аналогичен принципу функционирования знакомой большинству автолюбителей механической трансмиссии. Тем не менее, отличия существуют, и мы их рассмотрим:

Использование в конструкции коробки прямозубых шестерен (вместо косозубых в механике).

Наличие электронного блока управления, выполняющего функции отсутствующей педали сцепления.

Использование механизма переключения гидравлического типа для переключения передач, что существенно сокращает время данной операции (до 150 миллисекунд).

Именно последняя особенность секвентальных коробок передач предопределила область применения данных механизмов. Ими оснащаются гоночные болиды – участники соревнований класса «Формула-1» и ей подобных. Основной причиной, определившей такую область использования секвентальных КПП, стала их способность минимизировать время включения нужной передачи в режиме сильной вибрации, сопутствующей высоким скоростям. Тем не менее, некоторые автопроизводители успешно используют подобные механизмы для оснащения обычных автомобилей.

Разумеется, секвентальные коробки передач, принцип работы которых мы рассмотрели выше, обладают не только определенными достоинствами, но и некоторыми недостатками.

Плюсы и минусы секвентальных КПП

Функционирование любого механизма под нагрузкой предопределяет наличие у него некоторых (и не только положительных) эксплуатационных особенностей. К числу неоспоримых достоинств секвентальных коробок относят:

Экономичность, обеспеченная минимальным временем переключения.

Простота управления автомобилем (особенно для новичков), обусловленная отсутствием педали сцепления.

Возможность выбора режима переключения передач: автоматический или механический.

Наличие «подрулевых лепестков», позволяющих выполнять переключение, не отрываясь от управления автомобилем (оставляя руки на рулевом колесе).

Минусами КПП данного типа, обусловленные особенностями конструктивного исполнения, специалисты считают:

Низкая степень эксплуатационной надежности гидравлического механизма, вызванная неустойчивостью агрегата к износу.

Высокая стоимость ремонтно-восстановительных работ.

На стандартных автомобилях применяется синхронизированная КПП поискового типа. Выбор переключения передач осуществляется по Н-образной форме с выжимом сцепления. Синхронизаторы представляют из себя небольшие зубчатые кольца, которые несут на себе всю нагрузку от двигателя, и передают её колёсам.

При использовании двигателя большой мощности стандартные синхронизаторы не выдерживают возросшей мощности, и передачи начинают "вылетать" или просто перестают включаться. В автоспорте на смену синхронизированным КПП приходят кулачковые.

Кулачковая коробка передач.

Отличие кулачковых коробках переключения передач от обычных заключается прежде всего в небольших количествах крупных зубъев (5-7) муфты включения передач и шестерней, вместо мелких зубчиков на синхронизированных КПП. Зубья имеют прямую форму, вместо косозубых, для того что бы снять осевые перемещения валов. Передачи переключаются чётко и безотказно, что очень важно в автогонках, особенно драг рейсинге. Механизм переключения передач бывает поисковый и секвентальный.
Поисковый работает как на стандартных КПП, только более чётко, без выжима сцепления, достаточно лишь ослабить педаль газа, и можно переключать передачу. Сцепление нужно только при трогании с места на первой передаче.

Cеквентальный механизм (на фото) позволяет переключать передачи на одну ступень вверх или вниз, как на мотоцикле. Рычаг переключения двигается только вперёд-назад, на дисплей выводится номер включённой передачи.
Вилками переключения передач управляет специальный вал, который имеет борозды волнообразной формы. С каждым толчком рычага он крутится на определённый градус, а форма борозд способствует продвижению вилки в нейтральное положение, или на включение какой либо передачи.
Для переключения передач в секвентальных КПП можно использовать пневмо, или электро-привод рычага, расположив кнопку привода для удобства - на руле, или использовать подрулевой переключатель.

Почему такие КПП не применяются в обычных автомобилях?
Резкость включения передач экономит время но создаёт большие ударные нагрузки на шестерни КПП, что приводит их к преждевременному износу. Для примера переключение передачи на обычном автомобиле происходит за 0,6 с. в то время как на кулачковых коробках переключение занимает 0,2 с. При переключении 5-ти передач выигрыш составляет 2 с. и даже более, так как обороты двигателя не успевают упасть, и находятся в зоне максимальной мощности. Две секунды это очень большой выигрыш на драг рейсинге, когда результат определяют сотые доли секунды.

Передаточные числа КПП.

В тюнингованных автомобилях применяются различные передаточные числа (ряды) КПП. Основной недостаток стандартной коробки передач - слишком короткая первая передача. Она расчитана на сверхмедленную езду в пробках, буксованию в грязи но ни как не на динамичный разгон автомобиля на гоночном треке.

Если попробовать быстро разгонятся на первой передаче до максимальных оборотов на стандарном автомобиле, скорость едва ли превысит 40 км/ч и затем с хрустом переключение на длинную вторую передачу, на которой разгон почти вдвое больше.
Для более эффективного разгона применяют более сближенные передаточные числа КПП и более длинную первую передачу, на которой набирается скорость не намного меньше, чем на второй.

Трансмиссии которые применяются в ралли я бы разделил нанесколько видов.

1. Полный сток.

Заводская синхронизированная МКПП. Без всяких изменений. В автоспорте и в ралли почти не применяется так какстандартная кпп рассчитана на эксплуатацию город-трасса, и для ралли является слишком длинной и машина с ней медленней чем могла бы быть.

2. Тюнинговый сток.

принцип работы синхронизатора

Когда Главная пара и передаточные числа кпп изменены, чаще всего установлен дифференциал повышенного трения (червячный или дисковый) сильно улучшающий динамические возможности автомобиля на скользких покрытиях.

червячный дифференциал повышенного трения

Дисковый дифференциал повышенного трения

Кпп по прежнему, на основе синхронизаторов и косозубая. Часто применяется для тюнинга городских автомобилей. Т.К. В сравнениисо стоком сильно улучшает динамику автомобиля. Так выглядит раллийная езда наподобной кпп. Это мой онборд с кубка России по ралли – Ралли золотые купола2013г

3. Кулачковая КПП.

Свое название берет от кулачковых муфт, которые заменяют собой синхронизаторы и позволяют включать быстро и без выжима сцепления производить ударные включения, как вверх так и вниз, передача надежно включится.

Шестерни в этой кпп прямозубые. Применяется вместе с дисковым дbфферинциалом повышенного трения. Эта кпп уже не применяетсядля городского тюнинга т.к. имеет уменьшенный ресурс и высокую стоимость. Таквыглядит езда с кулачковой КПП переключения быстрые и без сцепления.

4. Секвентальная кпп.

Отличие от просто кулачковой кпп состоит в том, что вместо привычной схемы включения эта кпп имеет ход рычага только вперед (передача вниз) и назад (передача вверх). На самом делеотличие в механизме и принципе переключения а муфты и прямозубые шестерни такиеже как в обычной кулачковой кпп. На данный момент в ралли это вершина всеостальное запрещено. Такие кпп применяются на всех современных и быстрыхраллийных автомобилях в том числе на автомобилях чемпионата мира по ралли WRC. Вот к примеру каквыглядит езда с секвентальной кпп

Но вернемся к моему автомобилю.

Когда я купил логан там стояла коробка JH3 в ее корпусе был симбиоз укороченной Главной Пары и короткого ряда. Это позволяло машине со слабым мотором бытьнамного быстрее стандартного логана. После окончания езды в монокубке рено, гдеизменения в КПП были запрещены техническими требованиями, я принял решение ещеулучшить динамику автомобиля путем установки короткой главной передачи.

Передачу 4,9 (моя бывшая 4,5, заводская 4,3) удалось найти в Европе,

в таблице видно как меняется скорость на передаче, но к сожалению достаточно тяжело показать как улучшается динамика автомобиля

правда к сожалению она оказалась не дешевая, параллельно усилили корпус кпп чтобы можно было передавать возросший момент от ДВС.

Это в итоге и сыграло злую шутку. Из-за некачественно произведенной работы сторонних специалистов кпп 2 раза сломалась, а потом и совсем развалилась.

Причина была в усилительной пластине, которая была призвана держать посадочные места валов от смещения. После этого я решил перейти на следующий уровень. Была куплена новая кулачковая КПП прибалтийской компании samsonas.

Этим переходом я одновременно улучшил динамику автомобиля, повысил надежность, улучшил управляемость. Дело в том, что в моей предыдущей КПП не былодифференциала повышенного трения так называемой «блокировки». А в этой кпп онадисковая что позволяет не проигрывать на разгоне и улучшает выходы из поворотов.