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 III

CarExpert.ru Февраль 2009

Типы коробок передач

В.П.



Хороши планетарные КПП, но очень уж сложны и дОроги (в изготовлении, обслуживании и ремонте). Коробки с неподвижными осями валов намного проще и дешевле, однако многооперационная процедура их переключения плохо поддается автоматизации. И хотя есть вполне работоспособная схема с многодисковыми сцеплениями (Honda, Mercedes A-класса I поколения), так ведь сколько их потребуется? Ясно сколько: по одному на каждую передачу.

Начало статьи. Вверх и вниз. Часть 1

Вверх и вниз. Часть 2

Конструкция оказывается не такой уж простой. Причем дело не только в ее усложнении; чтобы разместить на валу, скажем, 5 многодисковых сцеплений, его приходится сильно удлинять. С неизбежной потерей жесткости. Или встраивать вспомогательный вал (например, как в хондовском 5-скоростном «автомате») - с увеличением габаритов агрегата. Ну а для 6-7-ступенчатой КПП сцеплений нужно столько, что вместе их уже не упаковать. Тупиковое направление. А ведь уже десятки лет известно остроумное решение – с двумя сцеплениями. Не с 2-дисковым, а с двумя независимо действующими сцеплениями. В том-то и соль.

Два сцепления

Оригинальная идея родилась еще в конце 30-х, однако до дела дошло только через 4+ десятка лет. В начале 80-х инженеры Porsche испытывали на спорт-прототипах 956 и 962 необычную 2-вальную КПП (рис. 1) с двумя фрикционными сцеплениями. Ее уже тогда называли PDK (Porsche Doppelkupplung): переключение под полной нагрузкой – без сброса «газа». Замечательная возможность – особенно ценная для гоночных турбомоторов, у которых каждый такой сброс сопровождается падением оборотов компрессора. И вновь раскрутка турбины – тот самый турбо-«лаг». В общем к середине 80-х спорт-прототипы Porsche с «роботизированной» PDK показывали время на круге примерно на 1% лучше, чем со «штатной» ручной КПП. На круге, тогда как полную дистанцию «сырая» конструкция не выдерживала. Но все же в 1986 гоночный 962C с 5-ступенчатой PDK добился первой победы – в заезде Monza 1000 (очень кстати сокращенном до 367 км).

Рис.1. "Роботизированная" PDK с 2-я сцеплениями для спорт-прототипов Porsche; середина 80-х.
Рис.1. "Роботизированная" PDK с 2-я сцеплениями для спорт-прототипов Porsche; середина 80-х.


А ирония судьбы в том, что на серийных моделях Porsche «роботизированная» КПП с 2-я сцеплениями появилась ничуть не раньше, чем у других. Наоборот – с 5-летним опозданием против Volkswagen… К началу нового века «детские болезни» прогрессивной конструкции удалось преодолеть, и 6-ступенчатая DSG (от BorgWarner) объявилась в 2003 на шасси «заряженного» Golf RS32. Лед тронулся…

Если присмотреться (рис. 2 и 3), тут не просто пара сцеплений, а две коробки передач! Вот именно: пара 2-вальных КПП, работающих в параллель. Разве что они плотно упакованы в единый агрегат, причем одна из коробок работает только с четными передачами, а другая – с нечетными. В том-то и секрет: пока автомобиль разгоняется, скажем, на III, «четное» сцепление разомкнуто, и тем временем без спешки предвключается IV. Нет нужды в особо мощных синхронизаторах и быстродействующих исполнительных механизмах; время есть. В нужный момент «нечетное» сцепление размыкается, а «четное» – одновременно! – зажимается. Готово.

Рис.2.
Рис.2.




Рис.3 Пионерная конструкция 6-ступенчатой DSG: две 2-вальные КПП в одном пакете. Пара "мокрых" многодисковых сцеплений и 2 первичных вала - соосно.
Рис.3 Пионерная конструкция 6-ступенчатой DSG: две 2-вальные КПП в одном пакете. Пара "мокрых" многодисковых сцеплений и 2 первичных вала - соосно.


Быстро, гладко – и без разрывов потока. Правда, есть тонкость: переключиться без разрыва удается только с четной передачи на нечетную - или наоборот. Скажем, с I коробка без задоринки перейдет на II, IV или VI, тогда как на III не получится. И еще: надо заранее знать, какая именно передача на очереди. Тогда «робот» заблаговременно подоткнет ее - без спешки - и дождется нужного момента. В ходе интенсивного разгона порядок переключений очевиден: «секвентально вверх». А если автомобиль идет равномерно на IV, автоматике наперед неясно, готовить V - или же III?

Впрочем, на практике никаких замешательств не наблюдалось. Зато возникла неразбериха в оценке скорости переключения передач. Так, насчет 7-ступенчатой КПП Getrag с 2-я сцеплениями, которой оснащается новая California, у Ferrari говорят, что у нее нулевое время переключения. На деле нулю равна неизбежная для обычной «ручки» пауза в передаче крутящего момента ведущим колесам, тогда как сам по себе процесс переключения какое-то время все же занимает.

И как же коробка передач с 2-я сцеплениями смотрится по жизни? Вот седан Audi A4 quattro (2-литровый 16-клапанник TFSI) в двух исполнениях – с 6-ступенчатой «ручкой» и 7-скоростной «роботизированной» КПП S-tronic. Снаряженный вес с ручной коробкой – от 1595 кг, машина с 2-я сцеплениями на 45 кг тяжелее. С места до 100 км/ч седан с «ручкой» способен разогнаться за 6,6 сек. Объявленная максимальная скорость – 246 км/ч, средний расход бензина (EU) - 7,4 л на 100 км. A4 с S-«троником» набирает «сотню» на 0,1 сек. быстрее, тогда как максимальная скорость на 1 (один) км/ч ниже. Средний расход горючего тот же самый; практически полное совпадение по пунктам (только не забудьте разницу в снаряженном весе).

С цепным вариатором multitronic седан A4 идет только в переднеприводном исполнении, и сопоставление не совсем точное. Но все же. Снаряженный вес A4 multitronic (с той же самой «четверкой» TFSI) – от 1555 кг, разгон до «сотни» за 6,9 сек. Максимальная скорость – 240 км/ч, средний расход бензина - 7,1 л на 100 км пути. Как видно, динамика автомобиля с цепным вариатором заметно слабее, чем с S-tronic, зато A4 multitronic выигрывает по топливу – все 4%. А теперь еще раз примите в расчет весовую разницу – добрые 85 кг; оргвыводы напрашиваются.

КПП с 2-я сцеплениями отличается не только эксплуатационными достоинствами, но и технологическими преимуществами. Ведь у планетарной передачи или бесступенчатого вариатора ровно ничего общего с обычной «ручкой». Специализированное производство со всеми его сложностями, капитальными затратами и текущими издержками. А DSG глубоко унифицирована с вальными коробками; дорогого стОит. Неудивительно поэтому, что КПП с 2-я сцеплениями быстро завоевывают позиции: их теперь предлагают многие – от Audi до Volvo. В вариантах: 6- и 7-ступенчатые, с «мокрыми» сцеплениями (в масле) – и с «сухими». Конструкция нового века.

На электротяге

И бесступенчатые вариаторы, и планетарные КПП родились еще в прошлом веке. Даже «роботизированные» коробки передач с 2-я сцеплениями, как выясняется, пришли из 80-х… А как насчет чего-нибудь этакого, – чтобы принадлежало нашему XXI в.?

Ну разумеется: электромеханическая Two-Mode. Революционная конструкция – продукт проекта Global Hybrid Cooperation, который реализован такими партнерами как General Motors, DaimlerChrysler (тогда еще в одной упряжке) и BMW. Вообще-то электрическая трансмиссия (ЭТ) известна даже не с XX в., а с позапрошлого. Крайне просто: двигатель внутреннего сгорания вращает э-генератор, который питает током тяговый э-мотор (рис. 4). Или несколько э-моторов – по типу привода.

Рис.4. Схема простой электромеханической трансмиссии: э-генератор (A) - э-мотор (B).
Рис.4. Схема простой электромеханической трансмиссии: э-генератор (A) - э-мотор (B).


ЭТ наделена внутренним автоматизмом – от природы. Например, д.в.с. работает под нагрузкой, а вал тягового э-мотора остановлен (уперлись в стенку); своего рода автоматическое сцепление. Вдобавок тяговый ток от э-генератора регулируется контроллером (в наше время бесконтактным тиристорным). Получается своего рода бесступенчатый вариатор, подобный гидротрансформатору, - с необыкновенно широким диапазоном передаточных чисел (ПЧ). Допустим, д.в.с. крутится на 2500 мин-1, тогда как частота вращения вала тягового э-мотора играет (под переменной нагрузкой) от 0 до 6 тыс. оборотов. Какой тут диапазон ПЧ? По существу бесконечно широкий…

Д.в.с. работает в более-менее выгодном режиме, а нехорошая кривая его крутящего момента ЭТ трансформирует в ту самую гиперболу – идеальную для автомобиля. Правда, еще 50 лет назад не знали тиристорных контроллеров, а генераторы и тяговые э-моторы получались слишком тяжелыми. Так что всерьез ЭТ вызрела только к концу прошлого века. А теперь американская Fisker Automotive выводит в свет спорт-седан Karma с самой натуральной ЭТ – и с незаурядными возможностями.

Вроде как сильное решение (хотя и не дешевое). Не спешите: простая ЭТ страдает недостатком. У нее низкий к.п.д. – не выше 80%. А по жизни – на переменных режимах – выходит 55-70%. Топливо сжигается напрасно, энергия уходит на нагрев обмоток э-машин и силовых кабелей. Тот самый внутренний автоматизм - и переменный к.п.д.; с гидротрансформаторами похожая история. Напротив, у зубчатой передачи к.п.д. постоянный (и высокий), однако автоматизма никакого. Уприте машину в стенку, - и двигатель заглохнет. Так что с одной стороны – с другой стороны… Но регулярно терять в КПП 30-45% полезной энергии никуда не годится. Причем для Karma с подзарядкой тягового аккумулятора по схеме plug-in («от розетки») потери в ЭТ не так страшны, поскольку они с лихвой компенсируются за счет дешевой э-энергии из бытовой сети. Однако когда речь идет не о plug-in, а об автомобиле, который ездит на углеводородном горючем (бензин, дизтопливо, спирт или природный газ), простая ЭТ практически не пригодна. Нужны свежие инженерные решения – и они найдены.

Два потока

Возьмите электромеханическую трансмиссию THS (Toyota Hybrid System) широко известного «гибрида» Prius: так называемая 2-поточная схема (рис. 5). Те же 2 электромашины - э-генератор и тяговый э-мотор мощностью до 50 кВт. А крутящий момент д.в.с. делится планетарным дифференциалом на 2 потока (крутящий момент, но не мощность!). Замечательное свойство дифференциалов; их так и называют – делители. Обыкновенный дифер, - хоть и не с коническими шестернями (как обычно в главной передаче автомобилей), а с цилиндрическими (рис. 6). Вдобавок он несимметричный, и тяга разделяется по его выходным валам не поровну, – хотя и в постоянной пропорции. Например, 75/25% (зависит от подбора зубчатых пар): 25% момента падают на вал э-генератора (и проходят через контур ЭТ), а 75% передаются прямой механической связью. А на главной ведущей паре оба потока суммируются.

Рис.5. Электромеханическая 2-поточная Toyota Hybrid System в исполнении для "приуса".
Рис.5. Электромеханическая 2-поточная Toyota Hybrid System в исполнении для "приуса".




Рис.6. Взаимодействие д.в.с. и электромашин в THS.
Рис.6. Взаимодействие д.в.с. и электромашин в THS.


Выходит, 0,75 момента транслируются с к.п.д. чуть ниже 100%. И лишь 0,25 его общей величины – с серьезными потерями, характерными для ЭТ. Именно крутящего момента, тогда как доли мощности зависят от оборотов э-генератора и прямого трансмиссионного вала. Скажем, по условиям движения момент на выходном валу КПП нужен в 3,75 раза выше, чем на маховике д.в.с.; как он достигается? . Контроллер задает ПЧ электрического контура на уровне 20; технически нетрудно. То есть, вал э-генератора вращается в 20 раз быстрее, чем выходной вал КПП (и соответственно, вал прямой связи). Дифер-делитель свободно допускает такое расхождение оборотов; а как перераспределится мощность? При равенстве частот вращения валов, она делится, естественно, в той же пропорции, что и крутящий момент: 25% через ЭТ и 75% напрямую. Тогда как при расхождении оборотов э-генератора и трансмиссионного вала в 20 раз через ЭТ передаются уже 87% мощности. Из которых, допустим, аж 40% теряются впустую (чем выше ПЧ электрической трансмиссии, тем ниже ее к.п.д.). Посчитайте: крутящий момент на главной ведущей паре увеличивается как раз в 3,75 раза. С общим к.п.д. примерно 65%; немного, но все же лучше, чем 60%.

Если угодно, дифференциал позволяет ведущим колесам остановиться – при том, что вал э-генератора вращается. Тогда на выходе получается наибольший крутящий момент (при нулевом к.п.д.). Иначе говоря, прелесть 2-поточной ЭМТ в ее великолепной гибкости: сколько-нибудь значительная доля мощности пропускается через электрический контур (с немалыми потерями), только когда нужны высокие ПЧ. А при передаче один в один почти вся мощность идет прямой связью – в обход ЭТ. Поэтому реальный к.п.д. THS в эксплуатации повыше, чем у простой ЭТ, - особенно при умеренных ПЧ. Так, в типовом городском режиме к.п.д. выходит на уровень 77-78%. Ну а на «прямой» (когда электрический контур фактически выключен), 2-поточная ЭМТ приближается к хорошей 3-вальной КПП.

И еще: присоедините к такой ЭМТ емкий аккумулятор, и получится «гибридный» силовой агрегат. Как у «приуса», причем «гибрид» у него не какой-нибудь, а «полный». То есть, он позволяет автомобилю трогаться с места и разгоняться на голой э-тяге (само собой, при заряженной тяговой батарее). По сути 2-поточная ЭМТ соединяет достоинства шестеренной коробки передач и ЭТ, но с высоким к.п.д. работает, к сожалению, в довольно узкой зоне скоростей движения, нагрузок и оборотов д.в.с. Делаются попытки расширить зону: так, для классных седанов Lexus с «гибридными» силовыми агрегатами THS доукомплектована 2-ступенчатым планетарным рядом (работает в паре с тяговым э-мотором). Так лучше, однако радикальное решение еще хитрее.

Two-Mode

Ключевая идея проекта GHC в том, чтобы львиную долю потока мощности передавать как правило через шестеренные пары (с высоким к.п.д.). И лишь остальное, - по возможности, меньше - пропускать через электрический контур: гибкость ЭТ, но без чрезмерных потерь мощности и энергии. Two-Mode представляет собой 2-режимную 2-поточную ЭМТ: дифференциал-делитель на входе – и 2 электромашины (рис. 7). Электрогенератор и э-мотор мощностью до 60 кВт каждый. Они встроены в планетарную КПП из пары последовательных 2-ступенчатых рядов, которые управляются многодисковыми сцеплениями и тормозами. Разобраться в переплетении потоков мощности непросто, но суть дела прозрачна.

Рис.7. Непростая Two-Mode: дифференциал-делитель (1), планетарные ряды (2 и 3). Согласованная игра э-машин и "планетарки".
Рис.7. Непростая Two-Mode: дифференциал-делитель (1), планетарные ряды (2 и 3). Согласованная игра э-машин и "планетарки".


На первый взгляд, «планетарка» на 4 передачи – вроде самого обыкновенного «автомата». А разница в том, что на каждой из передач шестеренным парам согласованно подыгрывают э-машины. Именно подыгрывают; в отличие от THS, полная мощность д.в.с. в Two-Mode через э-генератор и э-мотор никогда не передается. Только малая доля – причем эпизодически; так что э-машины получились компактными, легкими и сравнительно недорогими. И если в 2-поточной THS потери особенно малы лишь в узкой зоне нагрузок и оборотов, то здесь уже в четырех. Вместе они перекрывают обширную область, поэтому реальный к.п.д. Two-Mode на удивление высок.

Мало того, что 2-модальная трансмиссия сама отличается малыми потерями, так она еще и выгодный режим работы д.в.с. поддерживает: умеренные обороты, повышенная нагрузка. А 2-модальной ее называют оттого, что она и в самом деле работает в двух режимах. Во-первых, 4-ступенчатая планетарная КПП – с высоким к.п.д. Во-вторых, 2-поточная ЭМТ со свойственной ей гибкостью и гладкостью изменения передаточных чисел. Режимы переплетаются: в любой момент Two-Mode переходит от одного к другому – и обратно.

Скажем, огромный Chevrolet Tahoe Hybrid с 335-сильной «восьмеркой» Vortec тянет порядочный прицеп (с катером). У двигателя 4 цилиндра отключены (GM-овский клапанный механизм AFM), Two-Mode работает на «прямой» III. Движение «в натяг» - с передачей крутящего момента в обход электрического контура. И только если сопротивление вдруг нарастает (пошли на подъем), часть мощности д.в.с. плавно ответвляется через электроцепь - с увеличением крутящего момента. Вдобавок какую-то мощность додает тяговый аккумулятор, который регулярно дозаряжается от э-генератора. Кстати, дозаряжается по преимуществу в режиме рекуперирования кинетической энергии при замедлении автомобиля – без лишнего расхода бензина.

Так, по испытаниям, Tahoe с 6-литровой «восьмеркой» и Two-Mode бензина расходовал в городе на 32% меньше, чем такой же «трак» с 5,3-литровым двигателем и стандартным «автоматом». Чуть не на треть лучше, - не говоря уже о превосходстве в динамике. Правда, и обходится продвинутый Tahoe многими-многими тысячами долларов дороже… А по слухам, GM еще и негласно субсидирует каждый автомобиль с Two-Mode на 8-9 «штук» - с прицелом на перспективу.

Представьте, как такая КПП стыкуется на шасси «волги» ГАЗ-21 с «четверкой» М21Д – взамен 3-вальной «ручки». Плюс литий-ионная тяговая батарея и спецразъем – для «заправки» от общей э-сети. Получаем «гибрид» ГАЗ-21 – «полный», да еще и plug-in. Шутка, конечно, однако в ней есть доля… Компактная Two-Mode (рис. 8) легко монтируется в легковушках «классической» архитектуры - на месте гидромеханического «автомата». Додайте тяговый аккумулятор, – и «гибрид» готов. Сильное и универсальное решение; мало того, у GM создан вариант Two-Mode для переднеприводных автомобилей (с поперечным размещением силового агрегата). Еще до конца года мы увидим своеобразную конструкцию на новой модели концерна; непонятно, как при столь прогрессивной технике они оказались на грани краха?

Рис.8. Компактная упаковка Two-Mode для легковушек "классической" архитектуры: монтируется вместо обычного "автомата" - как влитая.
Рис.8. Компактная упаковка Two-Mode для легковушек "классической" архитектуры: монтируется вместо обычного "автомата" - как влитая.


Как видите, инженерная мысль не стояла на месте и породила удивительное разнообразие автомобильных трансмиссий. Среди которых такие шедевры как 2-вальные КПП с 2-я сцеплениями и 2-режимная 2-поточная Two-Mode. В паре с ними двигатели внутреннего сгорания выглядят благороднее – при всей несносности их характера. Вроде как достигли наконец совершенства… А ирония истории в том, что время легковушек с д.в.с. явно на исходе. На смену им идут электромобили – с емкими аккумуляторами, которые заряжаются от бытовой э-сети. И никакие КПП тяговым э-моторам не нужны – ни DSG, ни Two-Mode. Так за что же боролись?

Фото General Motors, Porsche, Toyota.

© CarExpert.ru

Февраль 2009

Прочитано: 3521 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