Типы коробок передач

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).

«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.

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).

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).

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.

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.

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).
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).

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.

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.