Назначение коробки передач - изменять крутящий момент, подводимый к ведущим колесам, и направление вращения колес (задний ход). Кроме того, коробка передач позволяет разобщать коленчатый вал двигателя с карданным валом (а значит и с ведущими колесами) при работе двигателя на холостом ходу (при запуске, прогреве, движении накатом и т.д.).

Для самостоятельного движения автомобиля необходимы два условия:

1) к ведущим колесам должен быть подведен от двигателя крутящий момент, достаточный для вращения колес при имеющихся силах сопротивления движению автомобиля;

2) между ведущими колесами и полотном дороги должно быть достаточное по величине сцепление (т.е. сила трения), чтобы колеса не могли проскальзывать относительно дороги (буксовать).

При передаче крутящего момента от главной передачи к ведущим колесам в точках соприкосновения шин ведущих колес с дорогой появляется окружная касательная сила, которая направлена в сторону, противоположную движению автомобиля. По закону равенства действия и противодействия окружная сила вызывает появление равной ей, но направленной в противоположную сторону силы, называемой касательной реакцией. Эта реакция является силой трения шин ведущих колес о дорогу, она также приложена в точках соприкосновения дороги с шинами, но направлена в противоположную окружной силе сторону - в сторону движения автомобиля. Эта реакция называется тяговой силой.

Тяговая сила передается от ведущих колес на раму, а от рамы на передние колеса и вызывает поступательное движение автомобиля; поэтому тяговая сила называется также толкающей силой.

При установившемся равномерном движении автомобиля можно приближенно считать, что окружная и тяговая силы равны между собой. Каждая из них равна крутящему моменту (в кгм), подведенному от главной передачи к ведущим колесам, деленному на радиус колеса (в м).

Предельная величина тяговой силы ограничена силой сцепления ведущих колес с полотном дороги: если окружная сила превысит силу сцепления, ведущие колеса начнут буксовать.

Сила сцепления ведущих колес с дорогой прямо пропорциональна: а) силе, прижимающей эти колеса к полотну дороги и зависящей от доли приходящейся на них нагрузки от полного веса автомобиля; б) коэффициенту сцепления. Величина коэффициента сцепления зависит от типа и состояния полотна дороги, площади контакта (соприкосновения) шин с дорогой, рисунка протектора и материала покрышек. Наименьший коэффициент сцепления будет при скользкой дороге, гладком (изношенном) протекторе и высоком давлении воздуха в шинах.

Сопротивление движению автомобиля в тяжелых условиях эксплуатации (например, движение по глубокому снегу, вязкому грунту, на крутых подъемах и т.д.) может увеличиваться в несколько раз сравнительно с нормальными условиями движения по хорошим горизонтальным участкам дороги.

В целях повышения экономичности, устанавливаемые на автомобилях двигатели рассчитываются только на определенные условия работы с небольшим запасом мощности. Поэтому при резком повышении сопротивления движению автомобильные двигатели не могут развивать крутящий момент, достаточный для преодоления этих повышенных сопротивлений.

Допустим, что по горизонтальному участку шоссе с хорошим покрытием автомобиль идет при полном открытии дроссельной заслонки со скоростью 90 км/час, коленчатый вал делает 3600 об/мин и двигатель развивает максимальную мощность. Если на пути автомобиля встретится длинный и крутой подъем, то скорость автомобиля и число оборотов коленчатого вала, а следовательно, и мощность двигателя заметно будут падать.

Вначале крутящий момент двигателя, а значит и зависящая от него тяговая сила будут возрастать (см. раздел 3 "Понятие о мощности, крутящем моменте и экономичности двигателя" главы I) хотя и в относительно небольших пределах (обычно 20-25% при карбюраторном двигателе и 10-15% при дизеле сравнительно с крутящим моментом при максимальной мощности двигателя). Поэтому двигатель в указанных пределах автоматически приспосабливается к повысившемуся сопротивлению движению и не глохнет. Но когда возросшее сопротивление движению превысит пределы приспособляемости двигателя, то число оборотов коленчатого вала будет продолжать неуклонно падать, пока двигатель не заглохнет.

Значительное увеличение крутящего момента, необходимое для преодоления повышенных сопротивлений движению, достигается в автомобилях при помощи коробки передач. Для этой цели в коробке передач применяются понижающие передачи. Они увеличивают в несколько раз крутящий момент, а следовательно, и тяговую силу на ведущих колесах за счет уменьшения скорости их вращения при неизменном числе оборотов коленчатого вала двигателя. Практически при значительном уменьшении скорости движения автомобиля при помощи коробки передач увеличивают число оборотов коленчатого вала настолько, что двигатель развивает наибольший крутящий момент.

Повышение крутящего момента при помощи шестеренчатой передачи иллюстрирует схема, показанная на рис. 163.

Рис. 163 - Схема передачи крутящего момента через шестерни:
А - ведущий вал; Б - ведомый вал.

Допустим, что крутящий момент ведущего вала А равен 2 кгм. Тогда окружная сила на зубьях шестерни вала будет равна крутящему моменту, деленному на радиус шестерни (0,1 м), т. е. 20 кг (2:0,1). С такой силой зубья малой шестерни вала А давят на зубья большей шестерни ведомого вала Б. Чтобы найти крутящий момент ведомого вала Б, надо силу, действующую на зубья шестерни этого вала, умножить на плечо ее действия, т. е. на радиус, равный в данном примере 0,2 м. Отсюда крутящий момент ведомого вала Б составит 4 кгм (20*0,2).

Следовательно, крутящий момент на ведомом валу увеличивается во столько раз, во сколько раз радиус (или число зубьев) ведомой шестерни больше радиуса (числа зубьев) ведущей. Здесь шестерни разных размеров могут рассматриваться как рычаги разной длины.

Отношение числа зубьев (или числа оборотов) ведомой шестерни к числу зубьев (или числу оборотов) ведущей шестерни называется передаточным числом. Если, например, ведомая шестерня имеет 20 зубьев, а ведущая 10, то передаточное число будет равно 20/10=2. Следовательно, если передаточное число больше единицы, ведомый вал вращается медленнее ведущего, а если меньше единицы, то быстрее его; во столько же раз изменится (увеличится или уменьшится) и крутящий момент.

При отсутствии коробки передач потребовался бы двигатель, который мог бы развивать в тяжелых дорожных условиях крутящий момент, превышающий в несколько раз крутящий момент в обычных условиях движения. Мощность такого двигателя мало использовалась бы при движении по удовлетворительной дороге, и такой двигатель был бы неэкономичен.