Звезды, вилки, шестеренки…

Трансмиссия. Часть 1. Коробка передач.

Коробка передач BMW G450X 2010

Из предыдущих статей мы поняли, что функция двигателя – производство полезной энергии, которая нужна, чтобы мотоцикл мог перемещаться (кто не читал - милости просим в наш Железный цех). Однако, любому аппарату с мотором, будь то мопеду, скутеру или мотоциклу, необходимо устройство для передачи производимой двигателем мощности на колесо. Эту функцию берет на себя механизм под названием «трансмиссия» или «силовая передача». В нашей сегодняшней статье речь пойдет в основном о мотоциклетной механической коробке передач.

На  сегодняшний день существует два  основных вида трансмиссии: механическая и автоматическая. Они отличаются отводимым райдеру уровнем вмешательства и управления. Механическая трансмиссия используется на подавляющем большинстве современных серийных мотоциклов, автоматическая встречается в основном на мопедах и скутерах, хотя есть и мотоциклы с «автоматом» (например, Aprilia Mana 850 или Honda DN-01).

Aprilia Mana GT 2010 - один из немногих мотоциклов с автоматической коробкой передач

Есть  определенный набор механизмов, которые  присутствуют в трансмиссии любого типа: передняя передача, сцепление, коробка  передач и главная передача. В механической трансмиссии традиционной схемы передняя передача передает мощность от коленвала через сцепление к коробке передач. Сцепление используется для соединения и разъединения двигателя с коробкой передач, позволяя двигателю работать, когда байк остается неподвижным, а также трогаться с места. Коробка передач допускает выбор различных передаточных чисел для достижения максимальных показателей мощности и крутящего момента в пределах диапазона частот вращения двигателя. Главная передача передает мощность от коробки передач к заднему колесу.

Разрез дисков сцепления Kawasaki Ninja ZX-10R 2008

В наиболее простом виде работа односкоростной автоматической трансмиссии маленького скутера не представляет особой сложности, в то время как на больших дорожных машинах применяются гораздо  более изощренные механизмы. Все зависит от предназначения конкретного аппарата и ожидаемых от него характеристик. От «полтинника» требуется просто перемещать райдера на короткие дистанции, быть дешевым при покупке и простым в ремонте - такой машине не нужна шестиступенчатая «механика». А нужна она там, где необходим большой диапазон скоростей движения, преодолеваемых расстояний и различных нагрузок.

Зубчатая  передача, крутящий момент и мощность

Давайте разберемся с ключевыми понятиями  в «трансмиссионных вопросах».

Зубчатая  передача – это две сопряженные шестерни, которые вращаются с различными скоростями. Передаточное отношение определяет различие в этой скорости. Процесс получения меньшей частоты вращения ведомого (выходного) вала по отношению к ведущему (входному) валу называется понижением (замедлением) скорости вращения. Обратный процесс носит название повышения скорости вращения. Эти понятия справедливы в отношении не только зубчатых, но и цепных и ременных передач.

Передаточное  отношение определяется как число  оборотов, совершаемых ведущей шестерней для того, чтобы ведомая шестерня совершила один полный оборот. К примеру, если частота вращения двигателя составляет 1000 оборотов в минуту, а необходимо обеспечить частоту вращения колеса, равную 500 оборотам в минуту, то потребуется две шестерни, причем число зубьев одной из них должно вдвое превышать число зубьев другой (это всего лишь самый простой пример; на деле, между двигателем и колесом стоит множество передаточных механизмов, подробнее о которых – в следующих статьях). Нужно, чтобы меньшая шестерня (например, на 15 зубьев) была ведущей, тогда, пока она совершает один полный оборот, ведомая шестерня (30 зубьев) повернется на пол-оборота. То есть, для того, чтобы ведомая шестерня повернулась на один оборот, ведущая шестерня должна совершить два оборота. Записывается такое передаточное отношение как 2:1. Это означает, что такой передаточный механизм понижает скорость выходной передачи вдвое. Это те самые цифры, которые производитель указывает (пусть и не так часто, как мощность или крутящий момент) для каждой передачи своего мотоцикла. Чаще предоставляется сравнение числа зубьев шестерен, а не отношение их скоростей вращения. Для избежания путаницы, чаще всего в графе характеристик gearbox ratios указывают следующее: первая передача, 2:1 (15/30).

Теперь  о крутящем моменте. Крутящий момент – это величина поворота, который обеспечивает сила, приложенная относительно некой оси (сила, обычно измеряемая в ньютонах, умножить на расстояние, в метрах). Для того чтобы байк поехал, необходимо передать заднему колесу достаточно крутящего момента. Чтобы наглядно представить себе, что это за зверь, рассмотрим простой пример. Если для затягивания гаек используется гаечный ключ, то на гайку воздействует крутящий момент. Допустим, длина гаечного ключа 200 мм (0.2м), а усилие руки, которое прилагается к нему под прямым углом – 100 Н. Тогда величина крутящего момента, приложенного к гайке, составит

100 x 0,2 = 20 Нм.

Если  применить это к работе коробки  передач, то можно заметить, что в результате воздействия зуба ведущей шестерни на зуб ведомой шестерни ведомая шестерня поворачивается. Если диаметр шестерен одинаковый, то есть число зубьев одно и то же, то вращаться они тоже будут с одинаковой скоростью, а величина крутящего момента, подводимого к валу первой шестерни, будет полностью передана валу второй шестерни.

Проще говоря, если скорость вращения ведомой  шестерни вдвое меньше скорости ведущей, то крутящий момент тоже увеличивается  вдвое. То есть между передаточными  отношениями и увеличением крутящего момента существует прямая зависимость. Просмотрите характеристики какого-нибудь мотоцикла в нашем каталоге, и все сразу станет ясно (например, Kawasaki ER-6F 2008, раздел «Трансмиссия»).

Особенностью  бензиновых двигателей является то, что  при низких частотах вращения они  развивают небольшой крутящий момент. Поэтому роль усилителя крутящего  момента выполняет трансмиссия. В процессе уменьшения скорости вращения заднего колеса (нужно обеспечить достаточный крутящий момент на колесе, но при этом оно не должно вращаться со скоростью 9000 об/мин, как двигатель!) участвуют все элементы трансмиссии, за исключением сцепления.

С крутящим моментом разобрались. Мощность же – это физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за определенный промежуток времени, к этому промежутку времени. В физике мощность выражается в ваттах, однако у мотопроизводителей очень популярна другая величина – лошадиная сила.

Интересно, что во многих государствах «лошадка» официально выведена из употребления. Что не помешало ей стать весьма популярным мерилом мощности в авто- и мотоиндустрии.

В большинстве европейских стран  лошадиная сила определяется как 75 кгс·м/с, то есть, как мощность, достаточная для поднятия груза массой в 75 кг на высоту 1 метр за 1 секунду. В таком случае 1 л.с. составляет примерно 735,5 ватт.

Что же все вышенаписанное значит по отношению к мотоциклам?

Для райдера крутящий момент является важнейшим  фактором. Мотоцикл будет ускоряться в темпе, соответствующем его кривой крутящего момента (в данном случае опустим трение и сопротивление воздуха). Пик крутящего момента – это точка, в которой разгон байка происходит наиболее быстро (по обе стороны от этой точки разгон происходит медленнее). Для конкретного значения крутящего момента на заднем колесе, разгон будет одинаковым, независимо от скорости вращения двигателя. Пик максимальной мощности наступает после пика крутящего момента – когда уменьшение крутящего момента компенсируется повышением оборотов. Интенсивность разгона на пике крутящего момента больше, чем на пике мощности.

Колесо водяной мельницы выдает огромный крутящий момент. Только оборотов маловато.

Тогда почему же мы так много говорим  о мощности? Представьте себе большое колесо водяной мельницы. Очевидно, что это колесо генерирует огромный крутящий момент, однако скорость его вращения очень мала. Соответственно, его мощность (то есть возможность совершать много работы за малое время) весьма низка. В общем и целом, водяное колесо является маломощным «двигателем» именно из-за низкой частоты вращения. В случае с мотоциклами, мощный двигатель с огромным «поголовьем лошадок» - это такой двигатель, который генерирует большой крутящий момент на высоких оборотах.

Теоретически, выдавать большой крутящий момент на высоких оборотах лучше, чем делать то же самое, но на низких оборотах. Потому что в случае с высокими оборотами появляется больше возможностей настройки передаточных отношений. Мощный двигатель полезен потому, что можно выбирать между множеством вариантов передаточных отношений. Выбор пониженного передаточного отношения  уменьшает скорость вращения заднего колеса с соответствующим увеличением крутящего момента. (вы еще не заснули? Дальше будет проще! прим. редактора)

Среднерайдеру – среднезвезду!

Стоковый  набор шестеренок в коробке и  связанные с ними передаточные отношения выбраны производителем не просто так. Это компромиссные соотношения, которые более всего подошли тест-пилотам в «усредненных» условиях испытаний. Как только байк оказывается в руках покупателя, стройная картина рушится. Тюнинг двигателя, условия эксплуатации, далекие от представлений наивных инженеров (например, стантрайдинг), отличия в конфигурации различных треков (если райдер любит покататься не только в гражданских условиях). Все эти факторы рано или поздно приведут к тому, что райдер задумается насчет замены пары-тройки шестерен в трансмиссии – чтобы приспособить мотоцикл именно под те условия, в которых он наиболее часто используется. И если ведомую звезду, закрепленную на колесе, заменить проще простого на любом мотоцикле (как правило, стантрайдеры только этим и ограничиваются в вопросах передаточных отношений), то изменение соотношения на одной из передач в коробке уже потребует разборки двигателя (если только коробка передач не кассетного типа, но об этом ниже).

Как мы уже неоднократно подмечали, практически любое решение, принимаемое при конструировании мотоцикла – это компромисс. В случае с выбором передаточного отношения – компромисс между разгоном и максимальной скоростью. Чтобы сделать из байка «спринтера» (то есть получить интенсивный разгон в жертву максималке), необходимо установить меньшую ведущую звездочку, или большую звезду на колесе. Желаете обратного эффекта – совершаете обратные действия, все довольно просто.

Теперь  давайте вкратце рассмотрим принцип  работы механической коробки передач, которая используется на большинстве серийных мотоциклов. 

Принцип работы коробки передач

Коробка передач состоит из множества пар шестерен. У каждой пары – свое передаточное отношение, а число таких пар соответствует числу передач, которые «прячутся в коробке» байка. Одна шестерня находится на ведущем валу (также его называют первичным валом), другая – на ведомом валу (он же вторичный). Все современные мотоциклетные коробки передач – постоянного зацепления, то есть все пары находятся в постоянном зацеплении, независимо от того, включена данная передача или нет.

Элементы коробки передач Suzuki GSX-R1000 K8

Когда райдер непринужденно щелкает лапкой переключения передач – пара сопряженных  шестеренок блокируется на своих  валах, и через эту пару передается крутящий момент. Оставшиеся шестерни не сблокированы с валом и свободно вращаются на нем.

Как работает секвентальная коробка передач

Некоторые шестерни постоянно зафиксированы  на валу и вращаются вместе с ним, а остальные установлены на втулках и могут свободно вращаться на нем. Для обеспечения привода необходима блокировка такой свободной шестерни с валом; значит, нужно обеспечить ее зацепление с другой шестерней, расположенной рядом и находящейся в постоянном зацеплении с валом. Для этого важно, чтобы шестерня, находящаяся в зацеплении с валом, сдвинулась к свободной шестерне и соединилась с ней при помощи кулачков и ответных им отверстий, оставаясь при этом в постоянном зацеплении с шестерней из своей пары.

На  своих валах шестерни перемещаются под воздействием механизма переключения передач. При смене передачи барабан  селекторного механизма вращается  и перемещает вилку переключения передач, которая одним концом зафиксирована в направляющем пазу барабана, а другим концом входит в паз передвигаемой шестерни, таким образом, осуществляется ее перемещение.

Селекторный механизм

Надо  добавить, что мы описали устройство именно мотоциклетной коробки передач, которое имеет мало общего с «внутренностями» механической коробки на серийных автомобилях. Все механические коробки современных серийных байков называются коробками переключения передач секвентального типа (по-английски “sequence” означает «последовательность»). Название полностью соответствует функционалу: переключение можно производить строго последовательно, от первой ко второй, от второй к третьей передаче и так далее. Самое главное и очевидное преимущество такой коробки – высокая скорость переключения. Разница в скорости переключений настолько ощутима, что такую коробку очень часто устанавливают в спорткары, подготовленные для гонок. А о недостатках мы все прекрасно знаем. Главная проблема мотоциклетной «механики» - переключение передач при полной остановке. Это опять-таки связано с самой конструкцией – пытаясь «через немогу» пинками воткнуть нужную передачу в статике, можно погнуть вилочки в коробке. После чего обязательно придется навестить мастера, который умеет вскрывать движки, если конечно у вас не мотоцикл с…

Коробкой  передач кассетного типа! Эта штучка тоже секвентальная, но отличие от традиционной коробки заключается в том, что весь механизм не строго закреплен в картере двигателя, а помещен в кассету, которая легко вынимается без разборки двигателя (достаточно только слить масло, и можно ее доставать).

Коробка передач кассетного типа Suzuki RGV250 1992

Думаю, не стоит говорить о том, что кассетная  коробка идеальна для спортивных мотоциклов. Ведь в полевых условиях непросто «расколоть» двигатель для того, чтобы поменять пару звездочек в коробке для лучшего соответствия передаточных отношений к конкретному треку. Сливаем масло, вытаскиваем кассету, меняем шестерни, вставляем обратно – и все! Вся операция занимает считанные минуты, и можно сразу же испытывать новые настройки.

А как же сцепление?

Простите, но статья и так получилась излишне длинной и достаточно непростой  для понимания. Хотя, я уверен, что вы, наши уважаемые читатели, полностью поймете мою писанину. Поэтому о сцеплении, этой неотъемлемой части мотоциклетной трансмиссии, поговорим в следующий раз. Чтобы оправдаться в ваших глазах, я расскажу также о том, что за зверь такой – квикшифтер, и как он работает. До встречи в нашем кафе!