Работа коробки перемены передач при переключении

О процессах, которые происходят во время переключения, и как их расчитывать

Во время покатушек, в которых участвовал Вояж, обратил внимание на длинную паузу, которую делал пилот при переключении с 1 на 2 передачу. Позже выяснил, что это необходимо для нормальной работы коробки передач, и если не делать эту паузу, то коробка довольно быстро выходит из строя.

Попробую объяснить, какие процессы происходят при переключении передач, и что может быть не так с КПП Вояжа.

Коробка перемены передач мотоцикла при переключении работает с большими нагрузками, время переключения мало. Это накладывает ограничения на ее конструкцию – там используются шестерни постоянного зацепления с включением шлицевыми или пальцевыми муфтами. Синхронизаторы отсутствуют из-за того, что с ними требуется большее усилие переключения, и они заметно усложняют конструкцию.

Коробку можно было сделать еще проще, выполнив переключение передач вводом в зацепление шестерен, как сделано в неполносинхронизированной КПП УАЗ (рисунок). Первая передача там не постоянного зацепления, включается перемещением шестерни 9 по шлицам. Эта же шестерня содержит шлицевую муфту включения второй передачи.

При включении первой на УАЗе в движении требуется сделать длительную выдержку, или даже остановиться, чтобы коробка передач не отозвалась сильнейшим треском зубьев. При вводе в зацепление двух шестерен, они соприкасаются только одним зубом, который и воспринимает всю нагрузку.
Шлицевая муфта при включении входит в зацепление сразу всеми шлицами, что значительно уменьшает нагрузки и износ механизма.

Кроме того, переключение муфтой позволяет использовать косозубые шестерни, снижающие шум и вибрации при работе КПП, и имеющие немного больший срок службы.
Мне известна только одна автомобильная КПП, где имеются косые зубья в шестернях непостоянного зацепления, и это довольно экзотичная конструкция.

Рисунок. КПП УАЗ с первой передачей непостоянного зацепления, и синхронизаторами на 3 и 4 передачах

Коробки перемены передач отечественных оппозитов выполняются двухвальными в силу требований компоновки – выход на карданный вал не должен быть соосен со входным валом КПП. Это не позволяет реализовать прямую передачу соединением входного и выходного валов без использования зубчатых зацеплений. Поэтому для каждой передачи применена своя пара шестерен.

Ведущие шестерни каждой передачи выполнены заодно с входным (первичным) валом (ведущая шестерня 4 передачи z20 неподвижно соединена с ним), а ведомые зубчатые колеса свободно вращаются на втулках (или без них) на выходном (вторичном) валу. Включение передач производится соединением одного из зубчатых колес с выходным валом с помощью шлицевой муфты.

Рисунок. Разрез коробки перемены передач 7204 по входному и выходному валам. Из альбома конструкций М72

Рисунок. Часть КПП 7204, выделены зубчатые колеса 1 и 2 передач (зеленым) и муфта переключения 1-2 (красным)

Рисунок. Кинематическая схема КПП 7204 (6204)

По чертежу КПП построена кинематическая схема, на которой указаны числа зубьев шестерен.
Рассмотрим ее работу при движении на 1 передаче:

Рисунок. Положение муфты переключения при работе КПП на 1 передаче

Муфта переключения при этом соединяет с выходным валом зубчатое колесо 1 передачи. Если задаться угловой скоростью входного вала 5000 об/мин, с какими частотами будут вращаться выходной вал и зубчатое колесо Z32?

Передаточное отношение 1 передачи:

Соотношение угловых скоростей зубчатых колес Z36 и Z32 можно выразить через передаточные отношения КПП на 1 и 2 передачах:

Здесь q – показатель разбивки передач. Чем он больше, тем значимее различие угловых скоростей зубчатых колес 1 и 2 передач.

Рисунок. Положение муфты переключения при переключении КПП с 1 на 2 передачу

Теперь о том, что происходит при переключении с 1 на 2 передачу. Пилот выжимает сцепление и нажимает пяткой на педаль переключения, шлицевая муфта выходит из зацепления с зубчатым колесом 1 передачи.

Выходной вал и связанная с ним муфта продолжают вращаться с частотой 1389 об/мин. Мотоцикл будет замедляться, и с ним уменьшаться и частота вращения жестко связанного с колесом выходного вала. Но замедление это незначительно.

А вот входной вал, отсоединенный сцеплением от двигателя, будет замедляться намного сильнее за счет высоких потерь на трение и меньшего момента инерции. Если выждать около секунды, то частота его вращения упадет с 5 до 3 тысяч об/мин, и включение 2 передачи произойдет намного легче. Скорость входного вала, при котором переключение произойдет идеально ровно:

Замечу. Чем выше q, тем дольше придется ждать замедления входного вала КПП до идеальной скорости вращения.

Если же пилот не настроен выжидать при переключении передач, он интенсивнее нажмет на педаль КПП и шлицевая муфта упрется в шлицы зубчатого колеса 2 передачи. Выравнивание скоростей произойдет сначала за счет трения торцевых поверхностей, а потом – ударно – за счет резкого включения шлицевой муфты.

Угловая скорость выходного вала изменится мало – ее задает масса движущегося мотоцикла, а вот входной вал резко затормозится. Энергия, выделившаяся при ударном включении, пропорциональна квадрату разности скоростей вращения входного вала до и после переключения и тратится на упругие деформации шлиц и зубьев, звук и, возможно, откалывание частиц зубчатой муфты.

Чем выше эта энергия, тем более вероятно механическое повреждение механизма. Особенно, если вы не собираетесь выдерживать паузу при переключении.

Замечу, что при переключении передач сверху вниз (например, со второй на первую) энергия расчитывается так же, но выдержка при переключении противопоказана, поскольку частоту вращения входного вала требуется увеличивать, а не уменьшать. Чем дольше вы делаете паузу при переключении, тем больше становится разница угловых скоростей, которую требуется погасить.

Таким образом, выбор для Вояжа показателя разбивки 1-2 передачи q=1.88 заметно ухудшил условия работы его КПП при переключении. Переход на 2 передачу затруднен по сравнению с близкими по конструкции коробками с меньшими значениями показателей q.