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 I

CarExpert.ru Январь 2009

Типы коробок передач

В.П.



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




Рис.5. Сборный металлический клиноремень на многослойных стальных лентах.
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.
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.
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.
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.<BR>1 - гидротрансформатор; 2 - шестерни заднего хода; 3 - ролики; 4 - ведомые диски; 5 - к карданному валу; 6 - ролики; 7 - ведущие диски; 8 - микронасос
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
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.


1
Характеристика скоростная, поскольку кривая строится по оборотам вала – по скорости его вращения. И внешняя, так как характеристику получают при работе двигателя под максимальной нагрузкой (полный «газ»).
2
Обороты ниже – крутящий момент выше. И наоборот; заданная мощность остается неизменной.

© CarExpert.ru

Январь 2009

Прочитано: 7355 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:

Выбираем новое авто за 1 миллион рублей
Выбираем новое авто за 1 миллион рублей

Обзор рынка

Renault Arkana
Красота требует жертв

Renault Arkana

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

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

Haval F7
Игра на опережение

Haval F7

Что можно купить вместо Креты?
Что можно купить вместо Креты?

Обзор рынка компактных кроссоверов