Типы коробок передач

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.

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.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).

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.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".

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.

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.