Типы коробок передач

Конструкции коробок передач у современных легковушек удивительно разнообразны. В отличие, скажем, от ходовой, где все свелось к 2-3 схемам подвесок – и для передних, и для задних колес. А КПП... "Ручные" 2- и 3-вальные, с числом передач от 5 до 7. Гидромеханические "автоматы" - 4-, 5- и даже 8-скоростные! Спрашивается, зачем столько?

Вариаторы - клиноременные, цепные, торовые: передаточных чисел здесь настолько много, что такие КПП называют бесступенчатыми. И 6-, 7-ступенчатые "роботизированные" коробки передач - не только для пассажирских автомобилей, но и для гоночных...

А скажем, новейшая конструкция Two-mode, созданная совместными усилиями General Motors, BMW, Chrysler и Mercedes-Benz. Хитроумная электромеханическая КПП, которая превращает любой силовой агрегат в параллельно-последовательный "гибрид" - со всеми его достоинствами и преимуществами. И ведь дилеры уже предлагают "спорт-хозяйственники" с Two-mode - за реальную цену. Например, полногабаритный Chevrolet Tahoe Hybrid – моно- и полноприводный. На подходе Cadillac Escalade и Chrysler Aspen, также оснащенные фантастической трансмиссией Two-mode (конечно, если их не погубит финансово-экономический кризис).

Так что предмет для разговора есть – и совсем не простой. Поэтому давайте по порядку.

Тяжелый характер

Задайтесь вопросом: а почему паровозы обходятся без всяких КПП? Прекрасно тянут тяжелые составы - с места (и порой на подъем), хотя шатуны паровой машины действуют у них прямо и непосредственно на ведущие колесные пары. Тогда как у тепловозов уже предусмотрена трансмиссия с изменяемыми передаточными числами (как правило электромеханическая). How come (как говорят англо-американцы)?

Ответ нехитрый: паровозу КПП не нужна именно потому, что у него паровая машина (даже две - по обе стороны). А у тепловоза - двигатель внутреннего сгорания (дизель); две большие разницы, как говорят у нас... Специалисты выражаются так: у д.в.с. крайне невыгодная внешняя скоростная характеристика (а если проще – кривая крутящего момента) . В отличие от паровой машины (газовой турбины, тягового электромотора), где внешняя скоростная характеристика (ВСХ) как раз в высшей степени выигрышная.

Вот рис. 1: если выходной вал паровой машины нагружать все сильнее (и тем самым тормозить его), крутящий момент нарастает и нарастает. До наибольшего - при 0 оборотов! При полной остановке вала она развивает наибольшую тягу. То есть, у паровой машины гиперболическая ВСХ - именно такая, какую доктор прописал. Так, когда паровоз ведет состав на подъем, сопротивление движению увеличивается. Обороты вала паровой машины (ведущей колесной пары) падают, состав замедляет ход, а крутящий момент нарастает . Чем выше сопротивление движению, тем сильнее тяга; внутренний автоматизм паровой машины (газовой турбины, э-мотора). Превосходная эластичность - дорогОго стоит.

Рис.1. Внешняя скоростная характеристика паровой машины (a) и современного бензинового д.в.с. (б).

А поршневой д.в.с.? Взгляните на его ВСХ: ничего похожего на гиперболу. При уменьшении оборотов ниже тех, когда двигатель развивает наибольший крутящий момент (около 3500 мин^-1 на рис. 2), его тяга падает. Чем тяжелее на подъем, тем меньше момент; полный раздрай. Движение автомобиля неустойчиво, причем при малой частоте вращения вала (ниже оборотов "холостого" хода) у д.в.с. нет никакого момента вовсе. Он попросту глохнет...

Рис.2. Ступенчатая КПП дает какое-то приближение огибающей кривой к гиперболе.

Поэтому ВСХ у поршневого д.в.с. не выходит слева на 0 оборотов, а обрывается где-то на 600 мин-1. У двигателей Дизеля и Отто (с искровым зажиганием) множество преимуществ перед паровой машиной и газовой турбиной, но работать на низких оборотах легковой д.в.с. не может. Очень уж тяжелый характер, не обессудьте. И чтобы как-то приспособить крайне неэластичный поршневой мотор к меняющимся условиям движения, пришлось стыковать его с особой коробкой передач - в том или ином виде. Тогда как, например, троллейбус с тяговым э-мотором в КПП не нуждается.

Посмотрите на ВСХ поршневого д.в.с. в паре с 5-ступенчатой КПП (неважно, с ручным управлением или автоматическая, планетарная либо с неподвижными осями валов). Тут уже не одна-единственная кривая крутящего момента (по оборотам выходного вала коробки), а все 5. И если нарисовать огибающую к кривым (пунктир на рис. 3), то она похожа на гиперболу! Пусть в грубом приближении, но чем больше у КПП ступеней, тем ближе огибающая к идеальной гиперболе. Тем Уже "провалы" между кривыми момента на передачах. Что и требовалось доказать: Дизель или Отто с грамотно подобранными передаточными числами (ПЧ) трансмиссии неплохо тянут автомобиль в самых разных условиях. Не паровая машина, но ездить можно. Так и ездили - десятилетиями. Однако инженерная мысль не стояла на месте.

Рис.3. Легендарный Variomatic с клинорезиновыми ремнями.

Без ступеней

В эпоху 3- и 4-ступенчатых "ручек" автомобилестроители мечтали о конструкциях с неограниченным набором передаточных чисел - о бесступенчатых трансмиссиях. Казалось, свобода выбора ПЧ даст крупный выигрыш - и в динамике разгона, и по части расхода горючего. Очень уж вопиюще выглядели недостатки обычных КПП: заведомо малое количество передач (в необходимом интервале изменения ПЧ), слишком широкие разрывы между соседними ступенями...

А поскольку бесступенчатая трансмиссия позволяет в любой момент задать то или иное ПЧ, то д.в.с. удается перманентно держать в зоне наивыгоднейших обротов - по крутящему моменту или по удельному расходу топлива. А подчас то и другое одновременно. Поэма.

Что ж, осущ...ляются мечты: 50+ лет назад бесступенчатая CVT (continuously variable transmission - непрерывно изменяемое ПЧ) появилась на микролитражках DAF 600, Нидерланды. Конструкцию под названием Variomatic создал голландский инженер Huub Van Doorne: своего рода шедевр.

Пара раздвижных шкивов - ведущий и ведомый, на которые натянут клиновой ремень. Из армированной синтетическим кордом резины - примерно та же технология, что и в производстве покрышек; ничего необычного. Когда половинки ведущего шкива расходятся, а ведомого сближаются (общая длина ремня не меняется - рис. 4), их активные радиусы изменяются так, что ПЧ увеличивается. Переключаемся "вниз". И наоборот, если половинки ведущего шкива сближаются (а ведомого расходятся), ПЧ уменьшается. Переключение "вверх" - всего делов.

Рис.4. Принцип работы вариатора с клиноремнем: половинки шкивов сдвинуты - раздвинуты.

Рис.5. Сборный металлический клиноремень на многослойных стальных лентах.

У первых "вариоматиков" ПЧ (общие – вместе с главной парой и колесными редукторами) регулировались от 4,4 до 20; то есть, их диапазон - 4.545. Не сказать, что особенно широкий, но не хуже тогдашних ручных КПП (диапазон 4-ступенчатой коробки знаменитого FIAT 600 равнялся 3,778). Причем изменялись ПЧ бесступенчато!

Variomatic комплектовали простеньким автоматическим сцеплением - и вообще переложили контроль на вакуумно-центробежный регулятор. (Хотя в принципе управлять вариатором можно и вручную - рычагом). Благо переключение не требовало сколько-нибудь сложных операций, и нехитрая "кибернетика" конца 50-х справлялась. Так что голландской легковушке с CVT уже полвека; славный юбилей!

Х.ван Доорн отжал свою идею на все 100: у автомобильчика DAF 600 не одна пара шкивов, а 2. Гибкие клиноремни позволили обойтись в независимой задней подвеске без карданных шарниров; просто и изящно. Мало того, лишним оказался и дифференциал: 2 пары шкивов работали как самоблокирующийся дифер! Чудо, да и только: несложная и недорогая бесступенчатая трансмиссия-"автомат". Конструкции Х.ван Доорна прочили светлое будущее.

Однако в эксплуатации Variomatic обернулся другой стороной медали: открытые всем стихиям ремни изнашивались и требовали замены после пробега в 50 тыс. км. Порой гораздо раньше... А виртуальный "дифференциал" повышенного трения оказывал медвежью услугу по части управляемости заднеприводного автомобильчика - особенно на скользком дорожном покрытии. (Хотя в условиях зимнего ралли микролитражка выступала неплохо – в своем классе). Плюс ускоренный износ ведущих покрышек - по той же причине. И хотя выпуск DAF 600 (а потом моделей 33, 44 и 55) продолжался, конкуренты не спешили перенять революционное новшество.

Рис.6. Типовая CVT (Nissan): автоматическое сцепление, толкающий клиноремень.

Варианты вариаторов

Клинорезиновые "вариоматики" продержались до начала 80-х - в малолитражках Volvo 343 (легковушки DAF оказались под шведской маркой). Причем на смену 2-м парам шкивов пришла схема с одной-единственной парой - и, разумеется, с дифференциалом. Тем самым удалось устранить виртуальный самоблокирующийся "дифер", снять вопросы управляемости и износа шин. Конструкция дозревала.

Неугомонный Х.ван Доорн доводил CVT до ума - и предложил радикальное решение. Вместо резиновых ремней он применил наборные стальные - из трапециевидных пластин на 2-х многослойных несущих лентах из тонких и гибких полос. Стальные клиноремни работают не на растяжение (как прежде резиновые), а на сжатие: пластины толкают ведомый шкив... Почему же и нет?

А главное, вариатор размещается в плотно закрытом картере - с принудительной смазкой деталей. И значит, срок службы (межремонтный пробег) CVT резко увеличился - до нормальной для автомобильных агрегатов и узлов продолжительности. Самое серьезное возражение против "вариоматика" отпало, и бесступенчатая трансмиссия Х.ван Доорна пошла в ход. В широкой гамме применений - от микролитражек японского K-car-класса - до вполне солидных автомобилей. Таких, например, как Mercedes A-класса. Или Nissan Murano с 3,5-литровой 256-сильной "шестеркой"; предубеждения остались позади.

И диапазон ПЧ в иных исполнениях CVT удалось растянуть аж до 6,5 - гораздо шире, чем у хорошей 6-ступенчатой "ручки". Производство наборных клиноремней для вариаторов с тех пор сосредоточено на заводе Bosch (по лицензии VDT Х.ван Доорна) в Голландии, где еще в середине 2007 отметили выпуск 10-миллионного изделия. Прикиньте.

Инициатива Х.ван Доорна не осталась без последствий: с конца 90-х немецкая фирма LuK выпускает CVT multitronic для легковушек Audi. Тоже пара раздвижных шкивов (рис. 7), но вместо наборного клиноремня здесь работает пластинчатая стальная цепь - причем не на сжатие, а на растяжение. В пятне контакта цепи и конусного диска трение не сухое, а жидкостное - благодаря применению особых фрикционных масел. Под высоким давлением в зоне контакта молекулы масла (тончайшая пленка) сцепляются друг с другом и позволяют передавать немалое усилие. То же самое масло играет и свою обычную роль — в многодисковом (автоматическом, естественно) сцеплении, которым оснащен multitronic, смазывает планетарный ряд "заднего хода".

Рис.7. Цепной multitronic (Audi): удачная конструкция.

Диапазон ПЧ - до 6,25; multitronic бесшумен и служит достаточно долго. И легковушки с такой CVT показывают себя в деле очень даже неплохо. Возьмите новый A4 с 2-литровой 211-сильной «четверкой» TFSI: ручная 6-ступенчатая коробка – либо «мультитроник» (8 фиксированных ПЧ). Версия с вариатором на 45 кг тяжелее, однако с места до 100 км/ч машина способна разогнаться за те же 6,9 сек. Объявленная максимальная скорость у модели с CVT ниже, чем с «ручкой»: 240 против 250 км/ч. А средний расход бензина (EU) с «мультитроником» повыше: 7,1 л на 100 км пробега, тогда как с ручной КПП – только 6,6 л.

Понятно, что бесступенчатая трансмиссия настроена здесь на динамику (увеличенное ПЧ главной пары) – за счет максимальной скорости и расхода горючего. В принципе ничто не мешает поступить наоборот: экономия топлива ценой какого-то ухудшения времени разгона. Так или иначе, A4 с вариатором практически не уступает исполнению с хорошей 6-ступенчатой «ручкой» (и на добрые 10% дороже). Классный вариатор для недешевых легковушек.

Variomatic от VDT и LuK multitronic - бесступенчатые трансмиссии с гибким рабочим звеном (ремень или цепь). А японская Jatco выступила в 1999 с экзотической КПП Extroid (конструкция компании NSK) - для "премиальных" моделей Nissan. Ни клиноремней, ни цепей: такие вариаторы относят к группе "с непосредственным контактом". Контакт между ведущим и ведомым дисками с тороидными поверхностями - через промежуточные ролики (рис. 8).

Рис.8. Принцип работы торового вариатора: ПЧ зависит от радиусов обкатки ведущего и ведомого дисков промежуточными роликами.

Изменением угла установки роликов как раз и регулируются активные радиусы контактов на торцах дисков, а тем самым, варьируются ПЧ. Остроумная и, на первый взгляд, простая схема (известна давным-давно – патент 1877 года). На первый взгляд, однако при воплощении ее «в металл» специалистам NSK пришлось преодолеть серьезные технические трудности. Они столкнулись с колоссальными давлениями в пятнах контакта - и с огромной нагрузкой на подшипники роликов. А иначе неизбежное проскальзывание, трение, износ, потери мощности.

Инженеры продемонстрировали класс – будто на спор - и создали вполне жизнеспособный агрегат (рис. 9). Распараллелили поток мощности на 2 вариатора и тем самым уполовинили нагрузку на каждый из них. Тем не менее для рабочих пар пришлось применить высоколегированную сталь (и особые методы упрочнения контактных поверхностей), оснастить вариатор регулирующей гидросистемой высокого давления. А также использовать специальные фрикционные масла – подобно немецкому «мультитронику». Получилось.

Диапазон регулирования у Extroid не особенно велик - 4,333 (поэтому вариатор доукомплектован гидротрансформатором). Зато CVT способна работать с 3-литровыми турбомоторами объявленной максимальной мощности в 280 л.с. (JIS) и с наибольшим крутящим моментом под 400 Нм. Вариаторы определенно пробили барьер литража и мощности двигателей: вперед и выше!

По сведениям от Nissan, классный седан Gloria с вариатором Extroid оказался на 10% экономичнее модели с обычным 4-скоростным "автоматом", а благодаря бесступенчатому изменению ПЧ массивная машина разгонялась быстро и плавно. Неужели сбылось, и автомобилестроители получили наконец идеальную КПП, которая соединяет в себе преимущества разных конструкций (без их слабостей)?

Приобретения и потери

Так воплотил ли CVT Х.ван Доорна (цепной multitronic, торовый вариатор Jatco) заветные мечтания автомобилестроителей? Или как? Тут с одной стороны - с другой стороны. Бесступенчатые трансмиссии получили самое широкое применение. Но вместе с тем они вовсе не вытеснили (как ожидалось) другие конструкции КПП - и даже старую добрую "ручку".

Выходит, при несомненных достоинствах у вариаторов есть и минусы, - начиная со смешных. Так, не всем "драйверам" нравится завывание двигателя на одной ноте при интенсивном разгоне. Поэтому современные CVT нередко организуют с 6-8 фиксированными ПЧ, и тогда двигатель с вариатором работает в привычной многим переменной тональности. Не самое страшное.

Гораздо важнее, чем тональность звучания, время переключения, скажем, с фиксированной V на II. Как выражаются спецы, скорость перестановки клиноремня и шкивов. Для 5-ступенчатой «ручки» с V на IV или на I - без разницы. А у вариатора не так: он перебирает все промежуточные ПЧ, пока не выйдет на нужное. То есть, скорость перестановки зависит от мощности исполнительных механизмов: хотите переключаться быстро – задавайте высокое давление в гидросистеме. Сложность, расход мощности на привод гидронасоса…

Еще серьезнее вопрос о коэффициенте полезного действия вариаторов. Ведь все они работают за счет трения в зоне контакта (а не в силу зацепления зубьев шестерен). Поэтому их и называют фрикционными – в отличие от зубчатых. А передача трением неизбежно допускает проскальзывание, что означает износ и потери энергии. Причем потери могут оказаться велики. Так, к.п.д. первого "вариоматика" едва ли превосходил 80% - против 91-92% у обычной ручной КПП. Отсюда скромные скоростные качества DAF 600 и повышенный (в сравнении с 4-ступенчатой "ручкой") расход горючего.

К.п.д. современного клиноременного вариатора Transmatic колеблется от 86% (при наибольшем ПЧ) до 88-90% при полной мощности. Причем на частичных нагрузках (малый "газ") к.п.д. снижается; не очень-то выигрышно в эксплуатации. Лучше наоборот...

Цепной вариатор LuK отличается от клиноременных CVT пониженными потерями мощности; отсюда приличная динамика и топливная экономичность моделей Audi с «мультитроником». У ниссановского Extroid к.п.д. еще выше: 94% для торового вариатора и 90-92% для КПП в целом. То есть, на уровне хорошей «ручки»; блестящий результат! Но какой ценой?

Немалой: сложность, высокие требования к качеству материалов (в том числе спецмасел) и культуре сборки. Агрегаты hi-tech; представьте, какой требуется класс обслуживания и ремонта в эксплуатации агрегата вроде Extroid. Ночной кошмар для самых квалифицированных механиков фирменной СТО. Недаром с уходом в 2005 седанов Cedric и Gloria из модельной гаммы Nissan бесступенчатый Extroid тоже исчез со сцены. Видимо, готовят очередное поколение...

Рис.9. Экзотический Extroid: у супер-вариатора неясная судьба.
1 - гидротрансформатор; 2 - шестерни заднего хода; 3 - ролики; 4 - ведомые диски; 5 - к карданному валу; 6 - ролики; 7 - ведущие диски; 8 - микронасос

Nissan Extroid

Как ни парадоксально, опыт производства и эксплуатации CVT на протяжении десятилетий показал, что само по себе бесступенчатое переключение не так уж и значимо. (Подтверждается, между прочим, имитацией в современных автомобильных вариаторах нескольких фиксированных передач). В сущности клиноременные вариаторы привлекательны не столько виртуально бесконечным набором ПЧ, сколько простотой и относительной дешевизной. В самом деле, пара шкивов и клиноремень (плюс исполнительные механизмы и автоматика регулирования). Сравните с шестеренными парами обыкновенной 5-ступенчатой «ручки»: качественная сталь, прецизионные технологии обработки, квалифицированная сборка. Не говоря уже о многорядной планетарной передаче…

Поэтому-то клиноременные CVT и применяют в основном на недорогих малолитражных легковушках. И закрывают глаза на их недостатки (коих не так уж мало). Тогда как у продвинутых multitronic и Extroid от гениальной простоты первого "вариоматика" с резиновыми клиноремнями не осталось ровно ничего. Исключительно сложные и дорогостоящие устройства; за все нужно платить.

Продолжение статьи. Вверх и вниз. Часть 2

Продолжение статьи. Вверх и вниз. Часть 3

Фото AP, Audi, DAF, Nissan.