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.

Вопрос улучшения динамических и скоростных характеристик автомобиля всегда оставался приоритетным для конструкторов и разработчиков. А для совершенствования этих характеристик, необходима модернизация не только двигателя, но и коробки переключения передач, увеличив скорость её переключения и максимально-допустимые нагрузки на шестерни. Именно кулачковая коробка передач стала очередным важным шагом в развитии гоночного спорта.

Особенности конструкции

Автомобиль ВАЗ-2108, который впервые получил такую коробку переключения передач, произвел фурор среди автолюбителей того времени. Для создания этой КПП, была упрощена конструкция обычной механической коробки, что также удивило многих. В кулачковом аналоге отсутствуют синхронизаторы, мелкие зубцы на шлицевых муфтах отсутствуют, вместо них расположены до семи крупных кулачков (что и явилось поводом для названия агрегата). Также кулачки расположены и на шестеренке, с которой муфта входит в зацепление. Такие изменения конструкции позволяют максимально сократить длительность каждого переключения. Коробка, адаптированная для гоночных заездов, имеют прямозубые шестерни. За счет этого конструкторы обеспечили повышенный коэффициент полезного действия, уменьшив трение. Кроме этого, нагрузка на валы уменьшается. Однако передача крутящего момента у них ниже, в связи с этим необходимо увеличивать их размер.

Распределение передаточных чисел в коробках делается с учетом использования агрегата. Для автомобилей повседневного пользования, например, ВАЗ-2108, первая ступень более короткая, так как необходимы ходовые характеристики для движения в сложных условиях. Использованные в гоночных авто, коробки, конструируются с более длинной первой ступенью, что обеспечивает необходимую динамику на старте. Механизм переключения бывает:

1. Поисковый. Ничем не отличается от переключения обычной коробки;
2. Последовательный. Он же секвентальный. Принцип его действия основан на возможности переключения передач лишь последовательно, по одной вверх или вниз. Технически выполнен более сложно, однако дает большую простоту переключений.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством кулачковых коробок является увеличенная скорость переключений, которая втрое выше, чем в МКПП. Ради этого они и были созданы. Исходя из первого преимущества, происходит и второе – обороты двигателя не падают, благодаря чему, разгон обретает дополнительную динамику. Это особенно важно для двигателей с узким рабочим диапазоном. Кроме перечисленных, кулачковые коробки имеют ряд достоинств:

• Способность переносить повышенные нагрузки;
• Меньшая масса;
• Передача большего крутящего момента.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость, небольшой ресурс и повышенный уровень шума при работе. Экстремальные условия переключений для элементов коробки, приводят к износу и деформации кулачков, которые принимают всю нагрузку на себя, уберегая шестерни от повреждений. Это приводит к необходимости частой замены масла, которое загрязнено частицами металла.

Применение кулачковых агрегатов

Использование таких коробок для не гоночных авто практически возможно. Однако это не имеет смысла, если говорить о практичности. Отсутствие синхронизаторов, при повседневной езде, требует от водителя совсем другой системы переключения передач. Для увеличения срока службы элементов коробки, необходимо выжимать сцепление при переключениях, перегазовывать.
Конструкторы ВАЗ проделали огромную работу, разработав такую коробку передач и воплотив в жизнь своё изобретение. Кулачковая коробка подняла показатели гоночных автомобилей на высший уровень.

Да Нет

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.