Использование коробки передач

Применяемые в современных автомобилях двигатели внутреннего сгорания могут эффективно работать только в ограниченном диапазоне оборотов, например, 1500-5000 об/мин, и в этом диапазоне оборотов они создают относительно низкий крутящий момент (поворачивающее усилие). Когда обороты падают ниже нижнего предела или когда нагрузка слишком велика, двигатель глохнет и автомобиль останавливается.

Если бы на автомобиле не была установлена коробка передач, очень быстро проявились бы следующие недостатки:
1. Плохое ускорение из неподвижного положения. Сцепление должно было бы проскальзывать длительное время, чтобы избежать заглушения двигателя. Должна быть достигнута скорость автомобиля приблизительно 24 км/ч, прежде чем произойдет полное срабатывание сцепления, и во время этого ведущая сила у колес (тяговое усилие) будет только немного больше, чем сила, противодействующая движению автомобиля (сопротивление движению). Величина ускорения зависит от разницы между тяговым усилием и сопротивлением движению, и если эта разница будет мала, ускорение будет недостаточным.
2. Недостаточная способность автомобиля при движении в гору. Наличие уклона увеличивает величину сопротивления, и это означает, что при преодолении возвышенности двигатель будет работать медленнее и постепенно заглохнет. Эту проблему можно решить, если применить большой двигатель с большим крутящим моментом, но это будет неэкономично (рис. 3.1).

3. Автомобиль не может двигаться с малой скоростью. Когда скорость автомобиля уменьшается, обороты коленчатого вала двигателя также будут уменьшаться. Для того, чтобы избежать его заглушения, понадобится проскальзывание сцепления, чтобы обеспечить движение автомобиля с малой скоростью.
4. Отсутствие нейтральной передачи и задней передачи.
Эти положения обосновывают необходимость установки коробки передач.

Рычажная система передачи усилия

На рис. 3.2а изображен простой рычаг. Приложенное к концу рычага усилие поднимает груз в четыре раза больший, чем величина самого усилия; это демонстрирует, что малая сила может быть увеличена при помощи рычажной системы.
На рис. 3.2Ь изображено, каким образом два диска могут использоваться для получения системы рычагов. В этом примере масса, действующая на вал C, удерживает большую массу на валу D. В этом примере выходной крутящий момент равен двойному крутящему моменту двигателя, и если диск В имеет диаметр в три раза больший, чем диск А, выходной крутящий момент будет утраиваться. Может показаться, что этот выигрыш получается из ничего, но на самом деле следует принимать во внимание скорость. Можно увидеть, что когда крутящий момент увеличивается, скорость пропорционально уменьшается, а поэтому мощность остается той же самой, если предположить, что КПД механизма равен 100 процентам. На рис. 3.2б соотношение скоростей соответствует передаточному числу, которое в этом случае равно 2:1, и это говорит о том, что для того, чтобы повернуть выходной вал на один оборот, необходимы два оборота входного вала.
Ремни, шкивы и фрикционные приводы использовались в ранних конструкциях легковых автомобилей, но когда Панар изобрел скользящую зубчатую передачу, эти системы постепенно исчезли.