CarExpert.ru

Типы коробок передач

Типы коробок передач

 





Поделись с друзьями:

VKontakte Отправить в Livejournal Скопировать в Лирушечку Опубликовать в Mail.ru Twitter Facebook | Email Email | Версия для печати Распечатать

Вверх и вниз. Часть II

CarExpert.ru Январь 2009

Типы коробок передач

В.П.



Казалось, чем больше передач в автомобильной трансмиссии, тем лучше. А если их бесконечно много (бесступенчатая КПП), то и пожелать уже нечего. Однако необходимого интервала ПЧ бесступенчатые вариаторы – даже самые продвинутые - не дают… В общем, нужна многоступенчатая КПП (вальная или планетарная) – с широким диапазоном чисел и быстрым переключением. Именно таким путем и идут автомобилестроители в XXI в. – по всему миру.

Начало статьи. Вверх и вниз. Часть 1

Казалось, чем больше передач в автомобильной трансмиссии, тем лучше. А если их бесконечно много (бесступенчатая КПП), то и пожелать уже нечего.

Однако полувековой опыт производства и эксплуатации CVT обнаружил, что дело не в бесступенчатом переключении. Главное в другом – в диапазоне передаточных чисел (ПЧ). Скажем, настолько широкий, что вы можете вести свою «калину» с 1,5-литровым 16-клапанником на скорости 80 км/ч – при каких-то 1250 оборотах двигателя. На «высшей» и, как говорится, «в натяг»: выигрышно по расходу бензина.

Pourquoi бы и не pas? Придется, правда, растянуть диапазон ПЧ коробки от «штатного» 4,666 до 8,5-9 и добавить еще пару-тройку «повышающих» ступеней (не терпеть же зияющие «провалы» между передачами). Всего 7-8. И автоматизировать управление трансмиссией, поскольку правильно работать с 8-ступенчатой коробкой не так-то просто. Да еще «в натяг», когда автомобиль идет нестабильно, а мотор готов в любую минуту заглохнуть – стоит только зазеваться с переключением «вниз».

Между прочим, такого интервала ПЧ бесступенчатые вариаторы – даже самые продвинутые - не дают… В общем, нужна многоступенчатая КПП (вальная или планетарная) – с широким диапазоном чисел и быстрым переключением. Именно таким путем и идут автомобилестроители в XXI в. – по всему миру.

Старая добрая

Многое постигается в сравнении: в коробке передач вашей «волги» или «калины» оси валов неподвижны (хотя сами валы, естественно, вращаются). В отличие от планетарного ряда, где так называемые сателлиты обращаются вокруг солнечной шестерни, обкатывают ее. Так сказать, движение по планетарным орбитам – отсюда и название.

КПП с неподвижными осями валов намного проще планетарной: всего-то несколько шестеренных пар – по числу передач. В автомобилестроении такие конструкции применяют уже сотню с лишним лет, а специалисты нередко называют их вальными (будто в планетарных трансмиссиях или в бесступенчатых CVT нет валов); условность. Тогда как автообозреватели обычно рассуждают о «механических» КПП (можно подумать, цепной multitronic представляет собой гидравлическое устройство - или электрическое). Впрочем, хоть горшком назови…

Вернемся к вальным КПП: набор шестеренных пар. А соотношение количеств зубьев в каждой паре определяет ее ПЧ. Такие коробки делают 2- либо 3-вальными, а передач насчитывается аж до 7 (в Формуле 1). У грузовиков-тягачей еще больше.

Широко применяются 2-вальные конструкции (рис. 1): первичный вал вращается от двигателя, а от вторичного крутящий момент идет на ведомую зубчатку главной пары. Мощность в такой КПП всегда передается через 2 шестерни; в зависимости от того, какая пара работает, включена та или иная передача. Заметим, что ПЧ здесь как выше 1, так и ниже («ускоряющие» передачи), а вот так называемой «прямой» нет.

Рис.1. Современная 2-вальная 6-ступенчатая КПП (Renault).
Рис.1. Современная 2-вальная 6-ступенчатая КПП (Renault).


«Прямая» передача организуется в 3-вальной КПП (рис. 2), за такую возможность их и ценят. Конструкция чуть сложнее, чем у 2-вальной: здесь работают первичный, промежуточный и вторичный валы. На «прямой» первичный и вторичный валы (они строго соосны) связаны воедино, и крутящий момент идет сквозь коробку, минуя шестеренные пары. ПЧ на «прямой», естественно, равно 1; но дело не в абстрактном числе, а во вполне реальных выгодах. Во-первых, на «прямой» передаче в шестеренных парах не теряется мощность (2,5-3,5% в каждой). Во-вторых, шестерни не изнашиваются – и не шумят; комфорт. По сути КПП при соединении первичного и вторичного валов выпадает из игры, отключена. Поэтому ПЧ коробки и главной пары стараются подбирать так, чтобы автомобиль ездил, по возможности, именно на «прямой».

Рис.2. Классическая 3-вальная коробка передач - для "волги" ГАЗ-21.
Рис.2. Классическая 3-вальная коробка передач - для "волги" ГАЗ-21.


Коробки передач с 3-я валами удачно вписываются в «классическую» компоновку: двигатель спереди – ведущие задние. Когда-то «четверка» ГАЗ-21Д (на редкость эластичная) с 3-ступенчатой 3-вальной КПП позволяла гонять «волгу» практически всюду на «прямой». И лишь иногда приходилось включать «понижающую» (так называли II передачу). На I и вовсе только трогались с места - да еще раскачивали машину взад-вперед, чтобы выбраться из грязевой рытвины. Так, водители такси катались на III «в натяг», почти не переключаясь. Удобно, экономично – и никакого «автомата» не нужно.

Рис.3. Современная 3-вальная 6-ступенчатая КПП (Mercedes).
Рис.3. Современная 3-вальная 6-ступенчатая КПП (Mercedes).


А 2-вальные КПП прекрасно компонуются с главной передачей, и их время пришло, когда стали в массовом порядке выпускать сначала заднемоторные легковушки, а затем – переднеприводные. Тут уже «прямой» нет, и пара шестерен воет всю дорогу – громче или тише (в зависимости от качества изготовления и сборки).

Переключать передачи проще всего перемещением той или иной из шестерен вдоль вала – до зацепления с соответствующей парой. Так когда-то и поступали, да и сейчас еще «задний ход» нередко дается перемещением зубчатки. Грубая работа: под нагрузкой от двигателя шестерни входят в зацепление с трудом. Поэтому вальные КПП давно уже делают с шестернями постоянного зацепления. Пары шестерен перманентно сцеплены, но свободно прокручиваются на валах. Нейтраль; чтобы включить ту или иную из передач, по валам передвигаются (на 2-3 мм) особые муфты – кулачковые или иные. Муфта замыкает шестерню на валу и тем самым дает соответствующую передачу. Для легкости переключения муфты оснащают так называемыми синхронизаторами, которые согласуют угловые скорости валов – за счет трения в конусах.

Переключение под нагрузкой в таких КПП затруднено, поэтому предварительно выжимается сцепление. Шестерни на мгновение освобождаются от крутящего момента, и синхронизаторы делают свое дело. Типовая процедура на «два притопа – три прихлопа». Квалифицированный водитель-спортсмен переключается «вверх» за доли секунды (даже без сброса «газа»). Тест-пилот или гонщик, тогда как мало кто из автомобилистов-любителей грамотно справляется с непростой задачей. То перекручивает мотор (и перерасходует горючее) на заниженной передаче, то глушит его на светофоре – в попытке тронуться с места на III. Да и профессионалы…

Доверьтесь роботу

Заманчиво освободить человека за рулем от забот о правильном выборе передачи – и от исполнения замысловатой процедуры. Ведь в интенсивном городском потоке (при движении на рельефе) сцепление приходится выжимать 800-900 раз на 100 км пробега - и переключаться каждые 30-40 сек. Какой вопрос; автоматика справится ничуть не хуже – особенно цифровая. Возникла идея «роботизации» коробки передач с неподвижными осями валов: пусть переключениями заведует электроника.

В 1989 Ferrari применила на своих болидах Формулы 1 «роботизированную» вальную КПП; с тех пор такие агрегаты нашли место на шасси не только гоночных, но и пассажирских автомобилей. Оно и понятно: унификация с ручной коробкой передач, сравнительная простота и дешевизна. Казалось, верное решение найдено. Правда, «скудерия» вовсе не стала первопроходцем; так, еще в середине 50-х немецкая Goggomobil предлагала покупателям микроавтомобиля T300 «роботизированную» КПП с электромагнитными исполнительными механизмами. Вальная 4-ступенчатая коробка, принудительное управление (рычажок на передней панели) – прообраз «формульной» конструкции. Разве что мощность 2-тактного моторчика едва достигала 15 л. с.; у Ferrari иной масштаб.

А с начала 90-х «роботизированные» коробки устроены единообразно (рис. 4): автоматическое сцепление – и сервомеханизмы переключения, управляемые «думающим» центром. Действуют они в подражание водителю: педаль выжал – передачу выключил/включил – педаль отпустил. Одни срабатывают быстро (BMW Sequentional Manual Gearbox II – за 80 миллисекунд!), другие отличаются «задумчивостью», но той четкости и гладкости переключения, какую показывают классные водилы, «робот» все же не дает.

Рис.4. "Роботизированная" 2-вальная КПП с электрогидравлическими исполнительными механизмами (Citroen).
Рис.4. "Роботизированная" 2-вальная КПП с электрогидравлическими исполнительными механизмами (Citroen).


Он не позволит вам пропустить интересный момент: при разгоне каждое переключение «вверх» сопровождается заметной паузой. Машина будто спотыкается, а пассажиры дружно «клюют» носами. А в иной ситуации «робот» суетливо дергается вверх-вниз, не в силах выбрать правильную передачу.

К сожалению, «роботизированные» КПП с одним (!) сцеплением так и не преодолели свои «детские» болезни. Видимо, многооперационная процедура переключения (на 3 притопа) не очень-то пригодна для автоматизации; тут нужна человеческая «ловкость рук». Тогда как «робот» уместен в малооперационных схемах – вроде бесступенчатой CVT. Или же планетарного ряда, где не нужно столь тонко согласовывать фазы переключения. И неудивительно поэтому, что первыми «роботизированными» КПП массового применения стали конструкции именно с планетарными рядами, появившиеся еще 60-70 лет назад.

Парад планет

В гидромеханических «автоматах» как правило работают планетарные ряды (с внутренним зацеплением шестерен), а не коробки с неподвижными осями валов. Типовой планетарный набор состоит из центральной, солнечной зубчатки, ее шестеренок-сателлитов (обычно 3-4) на водиле – и наружной коронной шестерни с внутренними зубьями. Посчитайте (рис. 5), сколько тут всего.

Рис.5. Простой планетарный ряд: солнечная шестерня, 4 сателлита на водиле - и коронное зубчатое колесо.
Рис.5. Простой планетарный ряд: солнечная шестерня, 4 сателлита на водиле - и коронное зубчатое колесо.


Да, непросто. Зато такой планетарный ряд легко дает 2 передачи переднего хода (понижающая и «прямая») – плюс «задний ход». Подобную «планетарку» Генри Форд выбрал когда-то для пионерной модели T; получилось на диво удачно.

А в 50-е едва ли не все американские автомобилестроители выпускали простенькие 2-скоростные «автоматы» с одним-единственным планетарным рядом: Ford-O-Matic, Powerglide у Chevrolet и др. Для классных моделей применяли 3-скоростные – со сложным планетарным набором или с 2-я последовательными рядами. Тогда как легковушки Cadillac и Oldsmobile с 1940 оснащались знаменитыми 4-скоростными «автоматами» Hydra-Matic: аж 3 планетарных ряда.

Рис.6. Массовый 2-скоростной "автомат" Powerglide из середины 50-х.
Рис.6. Массовый 2-скоростной "автомат" Powerglide из середины 50-х.


У планетарных наборов ряд выигрышных особенностей: во-первых, для переключения не нужно двигать ни шестерни, ни соединяющие их с валами муфты. Достаточно, например, затормозить коронную шестерню (при ведущей солнечной) - и на водиле получите понижающую передачу. А если связать входной вал и водило сцеплением («мокрое» многодисковое), то включится, естественно, «прямая». Тормозим водило, а коронную соединяем сцеплением с выходным валом: правильный «задний ход».

То есть, «думающему» центру не приходится выполнять сколько-нибудь сложные операции: одновременно включается сцепление и отпускается (ленточный) тормоз. И наоборот: довольно мягкое переключение на «прямую» - и обратно. Иными словами, планетарные ряды словно задуманы для «роботизации», и десятилетиями именно они входили в состав автоматических КПП (за редкими исключениями).

Причем переключение, во-вторых, происходит без разрыва потока мощности – ничего похожего на характерные «затыки» вальных «роботизированных» КПП. По коэффициенту полезного действия планетарные передачи не уступают конструкциям с неподвижными осями и намного превосходят бесступенчатые CVT. Мало того, при сравнимых с вальной коробкой габаритах и весе, хорошая «планетарка» способна передавать повышенный крутящий момент – без всякого ущерба. Сказывается осевая симметрия планетарного ряда: хотя шестерни воспринимают (немалый) крутящий момент, валы не нагружаются боковыми силами и не прогибаются.

Тогда как в коробке с неподвижными осями сопряженные шестерни под нагрузкой как бы расталкивают валы, выламывая их из картера: деформации, износ, шум, повреждения… Вальная КПП под высокий крутящий момент – непростое дело. Обратите внимание: у Mercedes (!) так и не нашлось подходящей «ручки» для мощных «восьмерок» и 12-цилиндровых моторов. Обходятся «автоматами» - без вариантов (что немало разочаровывает «драйверов»). Стандартные «планетарки» прекрасно держат нагрузку - даже после гидротрансформатора (который еще в разы увеличивает крутящий момент двигателя).

В общем многоступенчатая планетарная КПП – классная вещь. Причем не обязательно автоматическая: еще до II мировой войны применялись 4-ступенчатые преселективные «планетарки» Cotal (с электромагнитными сцеплениями) и Wilson – с гидросистемой. Водитель управлял переключением принудительно – рычажком на рулевой колонке. Прообраз подрулевых «лепестков» XXI века…

Замечательная конструкция, но сложная и дорогая. Оцените на взгляд 7-ступенчатую «планетарку» 7G-Tronic от Mercedes (рис. 7): тут без пол… разбираться тяжело. А изготовление и сборка такого механизма – дело исключительно тонкое. Вдобавок гидросистема (с насосами, клапанами, фильтрами и пр.), без которой планетарная КПП неработоспособна, многодисковые сцепления и тормоза. Плюс цифровая электроника; инженерный сюр.

Рис.7. Само совершенство: 7-скоростной "автомат" 7G-Tronic (Mercedes). <BR>1 - Сцепление блокировки гидротрансформатора
Рис.7. Само совершенство: 7-скоростной "автомат" 7G-Tronic (Mercedes).
1 - Сцепление блокировки гидротрансформатора


Автомат

Так обычно называют гидромеханическую трансмиссию: гидротрансформатор (или гидромуфта) в паре с «роботизированной» КПП. Как и гидромуфта, гидротрансформатор играет роль автоматического сцепления. А кроме того, повышает крутящий момент (отсюда и название): обычно наибольший коэффициент трансформации равен 2-2,25. В отличие от гидромуфты, у которой коэффициент трансформации 1; какой момент на входе, такой и на выходе (за вычетом потерь).

По сути гидротрансформатор представляет собой бесступенчатый гидродинамический вариатор с внутренним автоматизмом: несложное и надежное устройство (без механического трения и износа). А гидромеханические «автоматы» устроены в виде последовательной связки двух вариаторов – гидродинамического и механического. И ладно, вот только к.п.д. гидротрансформатора, к сожалению, крайне невелик. В наивыгоднейшем режиме он достигает до 88-92%, а так гораздо хуже – от 0 (при трогании автомобиля с места) и практически на уровне 60-70%. Немалые потери мощности, перегрев рабочей жидкости, перерасход топлива… Поэтому в современных «автоматах» гидротрансформатор обычно блокируют – на всех передачах, кроме I. Тронулись с места, - и он уже не нужен.

Как правило гидротрансформатор стыкуется с планетарной КПП, хотя иной раз в конструкции «автоматов» применяют и вальные коробки. Так, Honda Motor монтирует на свои легковушки среднего и «премиального» классов гидромеханические агрегаты с 2-вальной КПП (рис. 8). Отчего же и нет: 5-ступенчатая коробка (с вспомогательным валом) оснащена 5-ю «мокрыми» многодисковыми сцеплениями, каждое из которых включает свою передачу – без разрыва потока мощности. Почти как «планетарка», но много проще. Плюс унификация с ручной…

Рис.8. Гидромеханический "автомат" с 2-вальной 5-ступенчатой КПП (Honda).
Рис.8. Гидромеханический "автомат" с 2-вальной 5-ступенчатой КПП (Honda).


Гидротрансформаторы комбинируют также и с бесступенчатыми CVT, – например, Autotronic для «мерсов» A- и B-классов. Или экзотический ниссановский Extroid. И все же чаще всего в составе гидромеханических «автоматов» работают планетарные ряды: 2 и даже 3 (причем далеко не такие простые, как на рис. 5). На 5-6 передач, а иной раз на все 8 (Lexus IS-F)! Спрашивается, на кой столько? Все те же соображения: широкий диапазон рабочих ПЧ. А также умеренный «зазор» между соседними передачами: понятно, что 8-скоростной «автомат» переключается гораздо глаже, чем 3-скоростной. Кроме того, он точнее выбирает наилучшую, по условиям движения, передачу. И не дергается без конца со II на III – и обратно (поскольку обе не подходят).

Комфорт, динамика – и экономия горючего. При наличии гидротрансформатора, 5-ступенчатой КПП вполне достаточно. А когда передач 7-8 (диапазон ПЧ – 6 и даже 6,6…), то гидротрансформатор уже явно ни к чему. Конструкторы уже осознают, к чему пришли, - и отказываются от малоэффективной гидродинамики. Вот новейший 7-скоростной «автомат» AMG Speedshift MCT (рис. 9): мерседесовский 7G-Tronic без гидротрансформатора! На месте которого - «мокрое» многодисковое сцепление: потери заметно меньше, динамика автомобиля лучше. Спортивный «автомат».

Рис.9. Необычный 7-скоростной "автомат" AMG Speedshift MCT обходится без гидротрансформатора.
Рис.9. Необычный 7-скоростной "автомат" AMG Speedshift MCT обходится без гидротрансформатора.


Правда, в истории автомобилестроения есть и прямо противоположные примеры: односкоростные гидромеханические «автоматы». Вообще без ступеней - только нейтраль, «движение» и «задний ход». Так, легковушки Buick в 1958-1963 оснащались КПП Dynaflow Triple Turbine с 5-колесным гидротрансформатором особой конфигурации (обычно у них 3 колеса), который исполнял роль вариатора сам по себе. Разгонялся автомобиль без всяких переключений – чисто «сохатый». К сожалению, «автомат» Dynaflow отличался крайне низким реальным к.п.д., и Buick безбожно расходовал горючее. Хотя кого в США полвека назад волновала цена бензина?

Начало статьи. Вверх и вниз. Часть 1

Окончание статьи. Вверх и вниз. Часть 3

Фото АвтоГАЗ, AMG, Citroen, General Motors, Honda, Mercedes, Renault.

© CarExpert.ru

Январь 2009

Прочитано: 7775 раз



Поделись с друзьями:

VKontakte Отправить в Livejournal Скопировать в Лирушечку Опубликовать в Mail.ru Twitter Facebook | Email Email | Версия для печати Распечатать




Рекомендуем прочитать:

Кроссовер за полцены
Кроссовер за полцены

Обзор рынка подержанных кроссоверов

Как выбрать подержанный автомобиль
Как выбрать подержанный автомобиль

Советы эксперта

Как не уснуть за рулем в дальней дороге
Как не уснуть за рулем в дальней дороге

Автомобильный двигатель. Каким он будет через пять лет?
Автомобильный двигатель. Каким он будет через пять лет?

Lifan X70
На новую ступень

Lifan X70

Lada Vesta SW Cross
Красота спасет...

Lada Vesta SW Cross