При движении автомобиля крутящий момент на колесах должен изменяться от минимального до максимального и, наоборот, в зависимости от дорожных условий, маневра или фазы движения. Управляемой должна быть и частота вращения. Двигатели внутреннего сгорания обладают недостаточной приспособляемостью и требуют специального механизма, который регулирует частоту вращения и крутящий момент, исходящих от коленчатого вала. Имя ему – коробка переключения передач. От коробки передач во многом зависят динамические качества автомобиля.
Кстати, не все известные моторы требуют применения преобразователя на шестеренках. Например, паровая машина и электродвигатель развивают немалый крутящий момент, что называется, "от нуля" - именно поэтому в троллейбусах (как и в паровозах) нет ни третьей педали, ни рычага коробки передач.
Первая коробка передач
На первых автомобилях крутящий момент, частота вращения передавались и регулировались с помощью цепей, ремней и шестеренок. Цепно-ременные конструкции, обладали низкой скоростью, имели невысокий КПД, да к тому же часто ломались.
Настоящей революцией стало изобретение молодого Луи Рено. В 1899 году он зарегистрировал патент на первую в мире коробку передач, впервые применив систему подвижных зубчатых колес и валов. Изобретение будущего промышленника, основателя крупнейшей французской автомобильной компании, оказалось настолько революционным, что было принято практически всеми автомобильными заводами того времени. В том же 1899 году Луи Рено создает автомобиль, оснащенной КП с тремя передними передачами и одной задней. Крутящий момент на задние колеса передавали не цепи, а вал с карданными шарнирами. Эта схема трансмиссии до сих пор применяется в конструкции у заднеприводных автомобилей.
Третья передача была названа прямой, поскольку передаточное число (отношение частот вращения коленчатого и карданного валов) равнялась единице. Частоты коленвала и кардана совпадали и автомобиль развивал максимальную скорость.
С момента изобретения Луи Рено прошло больше века, но принцип механической, так называемой ступенчатой, коробки передач остался прежним.
Ступенчатая коробка передач состоит из группы шестерен, которые вводятся в зацепление для получения различных передаточных чисел между коленвалом двигателя и колесами. Передаточное число изменяется путем перемещения или самих шестерен, или специального устройства, так называемого синхронизатора. Синхронизатор уравнивает (синхронизирует) окружные скорости включаемых в зацепление шестерен.
Стоит отметить, что чем выше передаточное число, тем ниже передача. Поэтому первую называют низшей, поскольку передаточное число у нее наибольшее.
На низшей передаче понижение частоты вращения двигателя приводит к соответствующему увеличению крутящего момента. Передача вращения осуществляется от малой шестерне к большой и при высокой частоте вращения коленвала, скорость движения автомобиля остается низкой. Передаточное число низшей передачи автомобиля составляет от 3 до 4,5. Кроме высшей и низшей передачи в автомобилях есть еще передача задней скорости, а также нейтральная. В нейтральном положении крутящий момент от двигателя на колеса не передается и автомобиль движется по инерции или стоит.
Большинство современных автомобилей, оснащенных механической КПП, имеют от 4 до 6 передач, или скоростей движения вперед.
Разобравшись с историей механической КПП, стоит детальнее остановиться на ее устройстве. Традиционная коробка передач состоит из:
- картера, т.е. несущей конструкции, выполняющей также защитную функцию;
- первичного и вторичного валов с шестернями;
- дополнительного вала и шестерни заднего хода;
- синхронизаторов,
- механизма переключения передач с замковым и блокировочным устройствами;
- рычага переключения.
Внутри картера размещаются основные узлы и детали коробки передач. Картер коробки передач примыкает к картеру сцепления, закрепленному на двигателе. Валы коробки передач вращаются в подшипниках, установленных в стенках картера, и несут наборы шестерен.
Синхронизаторы необходимы для плавного, бесшумного и безударного включения передач, путем уравнивания угловых скоростей вращающихся шестерен. Для смены передач служит механизм переключения, который управляется водителем с помощью рычага. Замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а от случайного выключения защищает блокировочное устройство. Для предотвращения преждевременного износа трущихся деталей коробки кратер заполняется специальным трансмиссионным, реже обыкновенным моторным, маслом.
При помощи сцепления крутящий момент от коленвала передается на ведущий вал коробки через пару шестерен (главную передачу). Ведомая шестерня главной пары задействует ведущий вал коробки передач. На нем жестко закреплены ведущие шестерни разного размера по количеству скоростей – к примеру, четыре шестерни для движения вперед и одна для заднего хода.
Шестерни ведущего вала взаимодействуют со своими «напарницами», расположенными на ведомом валу коробки передач. Ведомый вал имеет более сложное устройство, чем ведущий – часть его поверхности круглая, а на части нанесены продольные шлицы. На круглых частях вала свободно вращаются ведомые шестерни, каждая со своей скоростью. И каждая из ведомых шестеренок находится в постоянном зацеплении со своей ведущей «напарницей», прочно сидящей на ведущем валу.
Шлицы же служат для перемещения стопорных колец вдоль ведомого вала. Они вращаются со скоростью вала и могут перемещаться вдоль него, подходя к той или иной ближайшей шестерне. При переключении передач кольцо подходит к ближайшей шестерне, как бы стопорит ее и шестерня оказывается жестко соединена с ведомым валом. В любой момент времени лишь одна шестерня может быть жестко соединена с ведомым валом, остальные свободно вращаются на нем. В результате, тем самым обеспечивается выбранное в данный момент значение передаточного числа коробки передач.
Первая планетарная коробка передач
Пока автопром Европы в начале прошлого века внедрял изобретение Луи Рено, по ту сторону Атлантики пошли другим путем. Американским пионером стал другой великий изобретатель и автопромышленник – Генри Форд. В 1903 году Форд открывает собственную фирму «Форд Мотор Компании» и начинает работать над созданием дешевого доступного для широких масс автомобиля. И он его создает.
Прообразом становится автомобиль модели «А» с 2-цилиндровым двигателем в 8 лошадиных сил, с цепным приводом, передававшим крутящий момент на заднюю ось. Форд не воспользовался достижениями Рено, а применил свой принцип переключения передач – планетарный и впоследствии КПП, работающие на этом принципе стали называть планетарными.
Принцип планетарной передачи заключается в следующем. Это - механическая система, состоящая из нескольких шестерён (планетарных или сателлитов), вращающихся вокруг центральной (солнечной) шестерни. Сателлиты объединяются вместе с помощью водила и работают, как единый узел. Кроме этого, дополнительная внешняя кольцевая шестерня, имеет внутреннее зацепление с сателлитами (планетарными шестернями). Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни (как планеты вокруг Солнца), внешняя шестерня – вокруг сателлитов. Различные передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга.
Планетарные коробки передач классифицируют по числу степеней свободы, которыми они обладают в случае полного выключения всех элементов управления:
- двухстепенные;
- трехстепенные;
- четырехстепенные и т.д.
Для включения передачи в случае двухстепенной коробки передач, необходимо воздействовать на один элемент управления. Причем, если это будет блокировочная муфта, то коробка полностью заблокируется, что соответствует прямой передаче. Если коробка передач обладает тремя степенями свободы, то для включения передачи воздействие идет на два элемента управления.
Первая планетарная коробка от Форда имела две скорости вперед и одну назад. Мировым признанием планетарной коробки передач стало ее применение в одном из самых массовых автомобилей – «Форд Т», который в период с 1908 по 1927 годы разошелся тиражом в 15 миллионов экземпляров. Кстати, коробка была весьма капризной и стала причиной появления в автомобильном жаргоне термина «Козел», «Козлик». При переключении скоростей «Форд Т» подпрыгивал и «бодался». Тем не менее, механическая планетарная коробка передач вполне успешно прижилась.
Первая гидравлическая автоматическая коробка передач
Планетарные коробки передач стали отправной точкой создания еще в 30-х годах прошлого века автоматических коробок передач. В современных коробках используются каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел, что обеспечивает плавность переключения скоростей. И сегодня АКПП в корне отличаются от шестеренных - они способны менять передачи на полной мощности двигателя, что практически неосуществимо со скользящими шестернями и синхронизаторами для обычных автомобилей. Но этой триумфальной победе предшествовали десятилетия упорных разработок лучших автоинженеров.
Первые автоматические КПП стали производить за океаном. Детали планетарной передачи притормаживались с помощью специальных механизмов-тормозов, которые приводились в действие давлением масла, подаваемого насосами через специальный клапан на выходном валу коробки. Чем выше была скорость машины, тем быстрее вращался вал, тем сильнее открывался клапан. Давление в гидросистеме повышалось и переключались передачи. Одним из первых подобных автоматов стала коробка «Олдсмобила» 30-х годов. Кстати, автомат устанавливался в качестве, как сейчас принято называть дополнительной опции, стоимостью 80 долларов.
В 1964 году четырёх дверные Volvo Amazon стали доступны с автоматическими трёх скоростными коробками передач BW35 от производителя Borg-Warner. А с 1967 по 1968 году с АКПП BW35 выпускались и пятидверные универсалы Amazon. И с 1968 года автоматические коробки передач уже использовались на автомобилях такси, в качестве которых использовались Volvo 144.
С момента своего появления автоматические коробки претерпели серьезные изменения. Сегодня выделяют три основных этапа в их развитии:
- Гидравлические коробки однокомандные.
- Гидравлические коробки с электронным управлением - многокомандные, с управлением вручную через рычаг, кнопку, наличие специальных функций.
Гидравлические автоадаптирующиеся с электронным управлением - многокомандные, с управлением, как вручную, так и автоматически через систему автоадаптации, наличие специальных функций, адаптация под конкретного водителя, условия дороги и т.д.
Принципиальная схема работы современной АКПП выглядит следующим образом. В промежуточном кожухе, между двигателем и коробкой передач, установлен гидротрансформатор, который работает как обычное сцепление. Гидротрансформатор, наполненный трансмиссионной жидкостью, вращается с большой скоростью. Он передает крутящий момент, поглощает и сглаживает вибрации двигателя, приводит в действие масляный насос, находящийся в корпусе коробки передач. Масляный насос наполняет трансмиссионной жидкостью гидротрансформатор и создает рабочее давление в системе управления и контроля.
В корпусе самой коробки передач расположены несколько планетарных механизмов, которые обеспечивают необходимые передаточные отношения. А передача крутящего момента от двигателя через планетарные механизмы к колесам происходит с помощью фрикционных дисков, дифференциала и других сервисных устройств. Управление всеми этими устройствами осуществляется благодаря трансмиссионной жидкости через систему управления и контроля.
Узел управления и контроля состоит из маслосборника, шестеренчатого насоса и клапанной коробки. Клапанная коробка представляет собой систему каналов с расположенными в них клапанами и плунжерами, которые выполняют функции контроля и управления. Это устройство преобразует скорость движения автомобиля, нагрузку двигателя и степень нажатия на педаль газа в гидравлические сигналы. На основе этих сигналов, за счет последовательного включения и выхода из рабочего состояния фрикционных блоков, автоматически изменяются передаточные отношения в коробке передач.
За время своего существования АКПП успели не только измениться, но и завоевать огромную популярность. Год от года улучшаются их эксплуатационные качества. Однако АКПП остается очень сложным агрегатом и поэтому производителей автоматических коробок в мире насчитывается не так уж и много.
Преимущества и недостатки гидравлических АКПП
У автоматики немало преимуществ:
- комфортность вождения благодаря уменьшению контрольных функций водителя;
- бесшумность при работе;
- отсутствие ограничений в передачи мощности двигателя;
- защищенность механизмов от поломок при неправильном включении передач;
- защита двигателя и ходовой части от перегрузок;
- увеличенный ресурс.
Но со счетов нельзя сбрасывать и недостатки АКПП по сравнению с механикой:
- существенно более высокая цена;
- повышенный на 5-15% расход топлива в связи с потерями энергии в гидросистеме;
- повышенная стоимость обслуживания (более частая смена жидкости, фильтров очистки жидкости гидросистемы);
- ухудшение динамических качеств автомобиля, «заторможенность».
Перспективные коробки передач
Достижения в области новых материалов и электроники буквально вдохнули вторую жизнь в механическую коробку передач. Начиная с 1970-х годов прошлого века конструкторы стремились автоматизировать работу механической коробки передач, сохранив при этом все ее преимущества, главное из которых - динамика. Это стремление принесло многочисленные плоды. И теперь многие виды коробок переключения передач и вроде механическими не назовешь, и к автомату не отнесешь. Назовем основные:
"Easytronic" – практически та же МКПП, но переключает передачи электропривод.
"Tip-tronic", "Step-tronic", Geartronic" и разные «троники» – автоматические коробки передач, которые благодаря электронике позволяют ехать как в автоматическом, так и в ручном режиме.
Секвентальные, (последовательные) коробки передач. Передачи переключаются строго последовательно, одна за другой. Перемещения рычага происходят только вперед-назад. Движение рычага вперед повышает передачу, назад – понижает. Электроника обеспечивает быстрое, точное и мягкое переключение передач. Водитель просто двигает рычагом и в определенный момент резко нажимает или отпускает педаль газа, всем остальным управляет автоматика. Подобные коробки передач – атрибут гоночных автомобилей и суперкаров.
Коробка передач Powershift является автоматической электрогидравлической коробкой передач с 6-ю скоростями. Коробка передач работает в механическом режиме, как механическая коробка передач, но имеет функции, аналогичные автоматической коробке передач.
При переключении с повышением или понижением передачи следующая передача вводится в зацепление, а затем включается без какого-либо сброса нагрузки. Это позволяет избегать потери момента, и отсюда название Powershift (силовое переключение).
Коробка передач оснащена двумя "мокрыми" сцеплениями, но отсутствует педаль сцепления и механизм сцепления обычной конструкции.
В конструкцию коробки передач входит три вала с механизмом переключения, аналогичным механическим коробкам передач, что обеспечивает более высокий кпд по сравнению с обычными автоматическими коробками передач.
Все переключения происходят с помощью переключающих вилок, которые управляются гидравликой.
Вариатор - это коробка, обеспечивающая плавное изменение крутящего момента на выходном валу при неизменном крутящем моменте на входном валу.
Принципиально от «механики» и «автоматики» отличается «коробка передач» будущего, так называемый вариатор - бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которое позволяет плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное в соответствии с внешней нагрузкой и оборотами двигателя. В настоящее время автопроизводителями используется два вида вариаторов: клиноременной и тороидный. Одним из самых распространенных обозначений вариаторов стала аббревиатура «CVT» (Continuously Variable Transmission), что можно перевести как «трансмиссия с плавно изменяемым передаточным числом».
Главными деталями клиноременного вариатора являются два раздвижных шкива и соединяющий их ремень. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин, наружу - радиус шкива, по которому работает ремень, увеличится. Одновременно увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь, и будет работать по меньшему радиусу - уменьшится передаточное отношение.
Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой.
Этот принцип в автомобилестроение впервые был применен в 1958 году, когда свет увидел DAF-600, оснащенный трансмиссией «Variomatic» на основе клиноременного вариатора, которая затем устанавливалась на Volvo 343. Затем на этом направлении сосредоточили свои усилия такие гиганты, как Audi (трансмиссия «Multitronic» на А6), Honda, NISSAN, TOYOTA и многие другие. Как показывает практика, вариаторы обладают преимуществами автоматической коробки, при этом лишены их недостатков (повышенный расход, ухудшение динамики и т.д.). Ограничивают применение бесступенчатой трансмиссией другие факторы:
- конструкционная слабость ремней, недолговечность, неспособность выдерживать большие нагрузки;
- потребность в дополнительных механизмах для режимов трогания и заднего хода;
- более высокая стоимость;
- большой вес.Top of FormBottom of Form
Но и как в случае с АКПП прогресс не стоит на месте, и материалы для ремней все время совершенствуются. Поэтому автогиганты все чаще свой взор обращают на CVT.
Эксплуатация автоматических коробок передач
Завести двигатель на автомобиле с автоматической коробкой передач можно только в положениях P и N селектора, в других позициях стартер блокируется. Чтобы начать движение, нужно при холостых оборотах двигателя нажать на тормозную педаль, перевести рычаг в желаемую позицию R, D или пониженные передачи и подождать характерного легкого толчка машины и снижения оборотов: это сработали фрикционы "автомата". После этого можно снимать ногу с тормоза и нажимать на педаль акселератора. Если снять ногу с газа в режиме движения, то при отрегулированных оборотах холостого хода автомобиль должен медленно катиться, так что припарковать машину можно, чуть-чуть приотпуская тормоза. Исправная гидромеханическая коробка должна включаться довольно быстро, с задержкой не более секунды, вовремя переключать передачи с небольшим толчком и без заметной пробуксовки.
Все переключения вперед-назад происходят через нейтраль, и при этом автомобиль должен быть неподвижен. Железное правило - сначала затормозить до полной остановки! И только тогда переходить через нейтраль. Это подчеркивается и конструкцией самого селектора. Если его рычаг перемещается в одной плоскости, то на рукоятке обязательно есть кнопка выключения фиксатора, и если ее не нажать, то переключиться с "драйва" на "реверс" не позволит блокировка рычага.
Включать режим parking нужно опять же только после полной остановки. Конечно, механизм трансмиссионного тормоза имеет "защиту от дурака": если перевести селектор в положение P на ходу, раздается треск - это стопор тормоза отскакивает от зубчатого венца, преодолевая сопротивление пружины. Но, во-первых, тормозного момента он в таких условиях не создает, а во-вторых, треск может смениться хрустом - и стопор "прикажет долго жить". Но после полной остановки работает он эффективно - автомобиль на "паркинге" можно смело оставлять даже на подъемах. Правда, в таких случаях лучше сначала все же затянуть стояночный тормоз и потом в начале движения сперва включить нужный диапазон, а потом снять машину с "ручника" - иначе выключение "паркинга" будет сопровождаться гулким ударом по трансмиссии.
Ресурс автоматической трансмиссии можно продлить, выполняя довольно простые рекомендации. Например, очевидно, что любое переключение коробки через нейтраль заставляет работать все фрикционы, ленты и клапаны "по полной программе". Поэтому, начиная движение из "паркинга", лучше быстро "проскочить" рычагом задний ход - чтобы тот не успел включиться. То же самое относится к торможению - после полной остановки машины нужно сразу "перекинуть" контроллер через N и R в положение P. Поэтому же не следует у каждого светофора включать нейтраль, а еще (по многим соображениям) - не пользоваться накатом: диапазон N нужно практически исключить из числа рабочих. На кратковременных стоянках лучше держать машину тормозом, а на длительных - включать Р.
Естественно, на ресурс автоматической коробки влияет и манера вождения. Ведь при переключении передач фрикционы и ленты работают под нагрузкой тем большей, чем выше обороты двигателя и его крутящий момент. Из этого следует простой вывод - чем меньше жмешь на газ, тем дольше проживет трансмиссия.
Стоит ли прогревать "автомат" перед началом движения? Ситуация здесь аналогична положению с двигателем - современные масла позволяют этого не делать. Исключение нужно сделать лишь для зимней эксплуатации, когда в сильные морозы лучше дать поработать машине на нейтрали несколько минут.
Теперь о буксировке. Лучше транспортировать неисправный автомобиль с "автоматом" или с полной погрузкой на эвакуатор, или подцепляя его ведущие колеса, чтобы они были приподняты. Ну а если это невозможно, то буксировать такую машину нужно при положении селектора передач в положении N. Максимально допустимая скорость при буксировке с АКПП 80 км/ч. Буксировку можно осуществлять только, когда автомобиль повёрнут передней частью в направлении движения. Перед буксировкой необходимо разблокировать замок рулевого колеса и следует помнить, что при выключенном двигателе усилие для нажатия на педаль тормоза требуется, примерно в пять раз большее. А рулевое управление требует намного большего усилия, чем обычно.
На автомобилях с АКПП запустить двигатель путём буксировки автомобиля невозможно. Даже на современных автомобилях оборудованных механическими коробками передач запуск двигателя путём буксировки автомобиля не допустим, так как это приводит к повреждению катализатора.
В каких ситуациях обычно губят коробки? Помимо переключения взад-вперед на ходу, самый типичный случай - долгая интенсивная пробуксовка в снегу, на льду или в грязи без включения пониженного диапазона. Если у машины нет системы контроля тяги (traction control) и достаточно мощный двигатель, то свободно крутящееся колесо, как бы имитирует слишком быстрый разгон автомобиля и гидромеханика честно старается успеть перебрать все передачи, а фрикционы и ленты при этом подгорают. Вдобавок бешеные нагрузки испытывает дифференциал и часто их не выдерживает. Особенно опасны попытки выбраться из тяжелой ситуации, "раскачивая" машину взад-вперед переключениями ближних позиций R и D.
Вы должны поставить рычаг управления коробкой на низшую передачу и, пользуясь педалью газа как сцеплением, попробовать выбраться. Блокировать переключение на повышенные передачи необходимо потому, что коробка-автомат - это механизм с заданной программой, по которой практически при каждом сбросе педали газа будет происходить переключение передачи на следующую. Выбраться из ямы с автоматом будет посложнее, но и застрять, тоже.
Говорят, у автоматических коробок есть еще один недостаток - сложности с торможением двигателем. Да, это было - на первых коробках, которые были сконструированы в основном для удобства управления автомобилем. У коробок последнего поколения такого недостатка нет: они способны не только переключать скорости вниз при движении "накатом", но даже подстраиваться под вашу манеру езды при разгоне.
У современных коробок есть и переключатели дополнительных режимов. Например, есть как "спортивный" режим, при включении которого передачи становятся более "длинными", так и "зимний", при котором трогание с места происходит на третьей передаче, и это облегчает езду по скользкой дороге или в глубоком снегу. Для наших российских условий вещь очень полезная, к тому же при езде накатом происходит отчетливое торможение коробкой. А в сочетании с АБС езда на таком автомобиле превращается, в настоящее удовольствие. Многие полагают автомат коробкой для бестолковых.
Это, конечно, неправда. Просто эта коробка - другая. И управляется она не специальным рычагом, а педалью "газа". Что же до остального, то все остается по-прежнему: нужно чувствовать "характер" коробки и соразмерять с ним свои действия. Зная, например, что при быстром обгоне автомат "думает" примерно одну секунду после нажатия вами педали газа, какую передачу ему включать, вам надо немного раньше "давить на гашетку".
В целом, мир автоматических коробок очень разнообразен. Конкретное исполнение зависит от того, какие требования предъявили создатели к своему автомобилю, какие его качества посчитали главными, а какие - второстепенными. Есть очень "мягкие" и соответственно "тупые" автоматы (Cadillac,Lincoln), но есть и весьма динамичные (BMW, Mercedes, Ferrari). Сегодня еще встречаются коробки, управляемые гидравликой, но в основном используют электронику и электронные модули управления.
При движении автомобиля крутящий момент на колесах должен изменяться от минимального до максимального и, наоборот, в зависимости от дорожных условий, маневра или фазы движения. Управляемой должна быть и частота вращения. Двигатели внутреннего сгорания обладают недостаточной приспособляемостью и требуют специального механизма, который регулирует частоту вращения и крутящий момент, исходящих от коленчатого вала. Имя ему – коробка переключения передач. От коробки передач во многом зависят динамические качества автомобиля.
Кстати, не все известные моторы требуют применения преобразователя на шестеренках. Например, паровая машина и электродвигатель развивают немалый крутящий момент, что называется, "от нуля" - именно поэтому в троллейбусах (как и в паровозах) нет ни третьей педали, ни рычага коробки передач.
Первая коробка передач
На первых автомобилях крутящий момент, частота вращения передавались и регулировались с помощью цепей, ремней и шестеренок. Цепно-ременные конструкции, обладали низкой скоростью, имели невысокий КПД, да к тому же часто ломались.
Настоящей революцией стало изобретение молодого Луи Рено. В 1899 году он зарегистрировал патент на первую в мире коробку передач, впервые применив систему подвижных зубчатых колес и валов. Изобретение будущего промышленника, основателя крупнейшей французской автомобильной компании, оказалось настолько революционным, что было принято практически всеми автомобильными заводами того времени. В том же 1899 году Луи Рено создает автомобиль, оснащенной КП с тремя передними передачами и одной задней. Крутящий момент на задние колеса передавали не цепи, а вал с карданными шарнирами. Эта схема трансмиссии до сих пор применяется в конструкции у заднеприводных автомобилей.
Третья передача была названа прямой, поскольку передаточное число (отношение частот вращения коленчатого и карданного валов) равнялась единице. Частоты коленвала и кардана совпадали и автомобиль развивал максимальную скорость.
С момента изобретения Луи Рено прошло больше века, но принцип механической, так называемой ступенчатой, коробки передач остался прежним.
Ступенчатая коробка передач состоит из группы шестерен, которые вводятся в зацепление для получения различных передаточных чисел между коленвалом двигателя и колесами. Передаточное число изменяется путем перемещения или самих шестерен, или специального устройства, так называемого синхронизатора. Синхронизатор уравнивает (синхронизирует) окружные скорости включаемых в зацепление шестерен.
Стоит отметить, что чем выше передаточное число, тем ниже передача. Поэтому первую называют низшей, поскольку передаточное число у нее наибольшее.
На низшей передаче понижение частоты вращения двигателя приводит к соответствующему увеличению крутящего момента. Передача вращения осуществляется от малой шестерне к большой и при высокой частоте вращения коленвала, скорость движения автомобиля остается низкой. Передаточное число низшей передачи автомобиля составляет от 3 до 4,5. Кроме высшей и низшей передачи в автомобилях есть еще передача задней скорости, а также нейтральная. В нейтральном положении крутящий момент от двигателя на колеса не передается и автомобиль движется по инерции или стоит.
Большинство современных автомобилей, оснащенных механической КПП, имеют от 4 до 6 передач, или скоростей движения вперед.
Разобравшись с историей механической КПП, стоит детальнее остановиться на ее устройстве. Традиционная коробка передач состоит из:
Внутри картера размещаются основные узлы и детали коробки передач. Картер коробки передач примыкает к картеру сцепления, закрепленному на двигателе. Валы коробки передач вращаются в подшипниках, установленных в стенках картера, и несут наборы шестерен.
Синхронизаторы необходимы для плавного, бесшумного и безударного включения передач, путем уравнивания угловых скоростей вращающихся шестерен. Для смены передач служит механизм переключения, который управляется водителем с помощью рычага. Замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а от случайного выключения защищает блокировочное устройство. Для предотвращения преждевременного износа трущихся деталей коробки кратер заполняется специальным трансмиссионным, реже обыкновенным моторным, маслом.
При помощи сцепления крутящий момент от коленвала передается на ведущий вал коробки через пару шестерен (главную передачу). Ведомая шестерня главной пары задействует ведущий вал коробки передач. На нем жестко закреплены ведущие шестерни разного размера по количеству скоростей – к примеру, четыре шестерни для движения вперед и одна для заднего хода.
Шестерни ведущего вала взаимодействуют со своими «напарницами», расположенными на ведомом валу коробки передач. Ведомый вал имеет более сложное устройство, чем ведущий – часть его поверхности круглая, а на части нанесены продольные шлицы. На круглых частях вала свободно вращаются ведомые шестерни, каждая со своей скоростью. И каждая из ведомых шестеренок находится в постоянном зацеплении со своей ведущей «напарницей», прочно сидящей на ведущем валу.
Шлицы же служат для перемещения стопорных колец вдоль ведомого вала. Они вращаются со скоростью вала и могут перемещаться вдоль него, подходя к той или иной ближайшей шестерне. При переключении передач кольцо подходит к ближайшей шестерне, как бы стопорит ее и шестерня оказывается жестко соединена с ведомым валом. В любой момент времени лишь одна шестерня может быть жестко соединена с ведомым валом, остальные свободно вращаются на нем. В результате, тем самым обеспечивается выбранное в данный момент значение передаточного числа коробки передач.
Первая планетарная коробка передач
Пока автопром Европы в начале прошлого века внедрял изобретение Луи Рено, по ту сторону Атлантики пошли другим путем. Американским пионером стал другой великий изобретатель и автопромышленник – Генри Форд. В 1903 году Форд открывает собственную фирму «Форд Мотор Компании» и начинает работать над созданием дешевого доступного для широких масс автомобиля. И он его создает.
Прообразом становится автомобиль модели «А» с 2-цилиндровым двигателем в 8 лошадиных сил, с цепным приводом, передававшим крутящий момент на заднюю ось. Форд не воспользовался достижениями Рено, а применил свой принцип переключения передач – планетарный и впоследствии КПП, работающие на этом принципе стали называть планетарными.
Принцип планетарной передачи заключается в следующем. Это - механическая система, состоящая из нескольких шестерён (планетарных или сателлитов), вращающихся вокруг центральной (солнечной) шестерни. Сателлиты объединяются вместе с помощью водила и работают, как единый узел. Кроме этого, дополнительная внешняя кольцевая шестерня, имеет внутреннее зацепление с сателлитами (планетарными шестернями). Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни (как планеты вокруг Солнца), внешняя шестерня – вокруг сателлитов. Различные передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга.
Планетарные коробки передач классифицируют по числу степеней свободы, которыми они обладают в случае полного выключения всех элементов управления:
Для включения передачи в случае двухстепенной коробки передач, необходимо воздействовать на один элемент управления. Причем, если это будет блокировочная муфта, то коробка полностью заблокируется, что соответствует прямой передаче. Если коробка передач обладает тремя степенями свободы, то для включения передачи воздействие идет на два элемента управления.
Первая планетарная коробка от Форда имела две скорости вперед и одну назад. Мировым признанием планетарной коробки передач стало ее применение в одном из самых массовых автомобилей – «Форд Т», который в период с 1908 по 1927 годы разошелся тиражом в 15 миллионов экземпляров. Кстати, коробка была весьма капризной и стала причиной появления в автомобильном жаргоне термина «Козел», «Козлик». При переключении скоростей «Форд Т» подпрыгивал и «бодался». Тем не менее, механическая планетарная коробка передач вполне успешно прижилась.
Первая гидравлическая автоматическая коробка передач
Планетарные коробки передач стали отправной точкой создания еще в 30-х годах прошлого века автоматических коробок передач. В современных коробках используются каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел, что обеспечивает плавность переключения скоростей. И сегодня АКПП в корне отличаются от шестеренных - они способны менять передачи на полной мощности двигателя, что практически неосуществимо со скользящими шестернями и синхронизаторами для обычных автомобилей. Но этой триумфальной победе предшествовали десятилетия упорных разработок лучших автоинженеров.
Первые автоматические КПП стали производить за океаном. Детали планетарной передачи притормаживались с помощью специальных механизмов-тормозов, которые приводились в действие давлением масла, подаваемого насосами через специальный клапан на выходном валу коробки. Чем выше была скорость машины, тем быстрее вращался вал, тем сильнее открывался клапан. Давление в гидросистеме повышалось и переключались передачи. Одним из первых подобных автоматов стала коробка «Олдсмобила» 30-х годов. Кстати, автомат устанавливался в качестве, как сейчас принято называть дополнительной опции, стоимостью 80 долларов.
В 1964 году четырёх дверные Volvo Amazon стали доступны с автоматическими трёх скоростными коробками передач BW35 от производителя Borg-Warner. А с 1967 по 1968 году с АКПП BW35 выпускались и пятидверные универсалы Amazon. И с 1968 года автоматические коробки передач уже использовались на автомобилях такси, в качестве которых использовались Volvo 144.
С момента своего появления автоматические коробки претерпели серьезные изменения. Сегодня выделяют три основных этапа в их развитии:
Гидравлические автоадаптирующиеся с электронным управлением - многокомандные, с управлением, как вручную, так и автоматически через систему автоадаптации, наличие специальных функций, адаптация под конкретного водителя, условия дороги и т.д.
Принципиальная схема работы современной АКПП выглядит следующим образом. В промежуточном кожухе, между двигателем и коробкой передач, установлен гидротрансформатор, который работает как обычное сцепление. Гидротрансформатор, наполненный трансмиссионной жидкостью, вращается с большой скоростью. Он передает крутящий момент, поглощает и сглаживает вибрации двигателя, приводит в действие масляный насос, находящийся в корпусе коробки передач. Масляный насос наполняет трансмиссионной жидкостью гидротрансформатор и создает рабочее давление в системе управления и контроля.
В корпусе самой коробки передач расположены несколько планетарных механизмов, которые обеспечивают необходимые передаточные отношения. А передача крутящего момента от двигателя через планетарные механизмы к колесам происходит с помощью фрикционных дисков, дифференциала и других сервисных устройств. Управление всеми этими устройствами осуществляется благодаря трансмиссионной жидкости через систему управления и контроля.
Узел управления и контроля состоит из маслосборника, шестеренчатого насоса и клапанной коробки. Клапанная коробка представляет собой систему каналов с расположенными в них клапанами и плунжерами, которые выполняют функции контроля и управления. Это устройство преобразует скорость движения автомобиля, нагрузку двигателя и степень нажатия на педаль газа в гидравлические сигналы. На основе этих сигналов, за счет последовательного включения и выхода из рабочего состояния фрикционных блоков, автоматически изменяются передаточные отношения в коробке передач.
За время своего существования АКПП успели не только измениться, но и завоевать огромную популярность. Год от года улучшаются их эксплуатационные качества. Однако АКПП остается очень сложным агрегатом и поэтому производителей автоматических коробок в мире насчитывается не так уж и много.
Преимущества и недостатки гидравлических АКПП
У автоматики немало преимуществ:
Но со счетов нельзя сбрасывать и недостатки АКПП по сравнению с механикой:
Перспективные коробки передач
Достижения в области новых материалов и электроники буквально вдохнули вторую жизнь в механическую коробку передач. Начиная с 1970-х годов прошлого века конструкторы стремились автоматизировать работу механической коробки передач, сохранив при этом все ее преимущества, главное из которых - динамика. Это стремление принесло многочисленные плоды. И теперь многие виды коробок переключения передач и вроде механическими не назовешь, и к автомату не отнесешь. Назовем основные:
"Easytronic" – практически та же МКПП, но переключает передачи электропривод.
"Tip-tronic", "Step-tronic", Geartronic" и разные «троники» – автоматические коробки передач, которые благодаря электронике позволяют ехать как в автоматическом, так и в ручном режиме.
Секвентальные, (последовательные) коробки передач. Передачи переключаются строго последовательно, одна за другой. Перемещения рычага происходят только вперед-назад. Движение рычага вперед повышает передачу, назад – понижает. Электроника обеспечивает быстрое, точное и мягкое переключение передач. Водитель просто двигает рычагом и в определенный момент резко нажимает или отпускает педаль газа, всем остальным управляет автоматика. Подобные коробки передач – атрибут гоночных автомобилей и суперкаров.
Коробка передач Powershift является автоматической электрогидравлической коробкой передач с 6-ю скоростями. Коробка передач работает в механическом режиме, как механическая коробка передач, но имеет функции, аналогичные автоматической коробке передач.
При переключении с повышением или понижением передачи следующая передача вводится в зацепление, а затем включается без какого-либо сброса нагрузки. Это позволяет избегать потери момента, и отсюда название Powershift (силовое переключение).
Коробка передач оснащена двумя "мокрыми" сцеплениями, но отсутствует педаль сцепления и механизм сцепления обычной конструкции.
В конструкцию коробки передач входит три вала с механизмом переключения, аналогичным механическим коробкам передач, что обеспечивает более высокий кпд по сравнению с обычными автоматическими коробками передач.
Все переключения происходят с помощью переключающих вилок, которые управляются гидравликой.
Вариатор - это коробка, обеспечивающая плавное изменение крутящего момента на выходном валу при неизменном крутящем моменте на входном валу.
Принципиально от «механики» и «автоматики» отличается «коробка передач» будущего, так называемый вариатор - бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которое позволяет плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное в соответствии с внешней нагрузкой и оборотами двигателя. В настоящее время автопроизводителями используется два вида вариаторов: клиноременной и тороидный. Одним из самых распространенных обозначений вариаторов стала аббревиатура «CVT» (Continuously Variable Transmission), что можно перевести как «трансмиссия с плавно изменяемым передаточным числом».
Главными деталями клиноременного вариатора являются два раздвижных шкива и соединяющий их ремень. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин, наружу - радиус шкива, по которому работает ремень, увеличится. Одновременно увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь, и будет работать по меньшему радиусу - уменьшится передаточное отношение.
Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой.
Этот принцип в автомобилестроение впервые был применен в 1958 году, когда свет увидел DAF-600, оснащенный трансмиссией «Variomatic» на основе клиноременного вариатора, которая затем устанавливалась на Volvo 343. Затем на этом направлении сосредоточили свои усилия такие гиганты, как Audi (трансмиссия «Multitronic» на А6), Honda, NISSAN, TOYOTA и многие другие. Как показывает практика, вариаторы обладают преимуществами автоматической коробки, при этом лишены их недостатков (повышенный расход, ухудшение динамики и т.д.). Ограничивают применение бесступенчатой трансмиссией другие факторы:
Но и как в случае с АКПП прогресс не стоит на месте, и материалы для ремней все время совершенствуются. Поэтому автогиганты все чаще свой взор обращают на CVT.
Эксплуатация автоматических коробок передач
Завести двигатель на автомобиле с автоматической коробкой передач можно только в положениях P и N селектора, в других позициях стартер блокируется. Чтобы начать движение, нужно при холостых оборотах двигателя нажать на тормозную педаль, перевести рычаг в желаемую позицию R, D или пониженные передачи и подождать характерного легкого толчка машины и снижения оборотов: это сработали фрикционы "автомата". После этого можно снимать ногу с тормоза и нажимать на педаль акселератора. Если снять ногу с газа в режиме движения, то при отрегулированных оборотах холостого хода автомобиль должен медленно катиться, так что припарковать машину можно, чуть-чуть приотпуская тормоза. Исправная гидромеханическая коробка должна включаться довольно быстро, с задержкой не более секунды, вовремя переключать передачи с небольшим толчком и без заметной пробуксовки.
Все переключения вперед-назад происходят через нейтраль, и при этом автомобиль должен быть неподвижен. Железное правило - сначала затормозить до полной остановки! И только тогда переходить через нейтраль. Это подчеркивается и конструкцией самого селектора. Если его рычаг перемещается в одной плоскости, то на рукоятке обязательно есть кнопка выключения фиксатора, и если ее не нажать, то переключиться с "драйва" на "реверс" не позволит блокировка рычага.
Включать режим parking нужно опять же только после полной остановки. Конечно, механизм трансмиссионного тормоза имеет "защиту от дурака": если перевести селектор в положение P на ходу, раздается треск - это стопор тормоза отскакивает от зубчатого венца, преодолевая сопротивление пружины. Но, во-первых, тормозного момента он в таких условиях не создает, а во-вторых, треск может смениться хрустом - и стопор "прикажет долго жить". Но после полной остановки работает он эффективно - автомобиль на "паркинге" можно смело оставлять даже на подъемах. Правда, в таких случаях лучше сначала все же затянуть стояночный тормоз и потом в начале движения сперва включить нужный диапазон, а потом снять машину с "ручника" - иначе выключение "паркинга" будет сопровождаться гулким ударом по трансмиссии.
Ресурс автоматической трансмиссии можно продлить, выполняя довольно простые рекомендации. Например, очевидно, что любое переключение коробки через нейтраль заставляет работать все фрикционы, ленты и клапаны "по полной программе". Поэтому, начиная движение из "паркинга", лучше быстро "проскочить" рычагом задний ход - чтобы тот не успел включиться. То же самое относится к торможению - после полной остановки машины нужно сразу "перекинуть" контроллер через N и R в положение P. Поэтому же не следует у каждого светофора включать нейтраль, а еще (по многим соображениям) - не пользоваться накатом: диапазон N нужно практически исключить из числа рабочих. На кратковременных стоянках лучше держать машину тормозом, а на длительных - включать Р.
Естественно, на ресурс автоматической коробки влияет и манера вождения. Ведь при переключении передач фрикционы и ленты работают под нагрузкой тем большей, чем выше обороты двигателя и его крутящий момент. Из этого следует простой вывод - чем меньше жмешь на газ, тем дольше проживет трансмиссия.
Стоит ли прогревать "автомат" перед началом движения? Ситуация здесь аналогична положению с двигателем - современные масла позволяют этого не делать. Исключение нужно сделать лишь для зимней эксплуатации, когда в сильные морозы лучше дать поработать машине на нейтрали несколько минут.
Теперь о буксировке. Лучше транспортировать неисправный автомобиль с "автоматом" или с полной погрузкой на эвакуатор, или подцепляя его ведущие колеса, чтобы они были приподняты. Ну а если это невозможно, то буксировать такую машину нужно при положении селектора передач в положении N. Максимально допустимая скорость при буксировке с АКПП 80 км/ч. Буксировку можно осуществлять только, когда автомобиль повёрнут передней частью в направлении движения. Перед буксировкой необходимо разблокировать замок рулевого колеса и следует помнить, что при выключенном двигателе усилие для нажатия на педаль тормоза требуется, примерно в пять раз большее. А рулевое управление требует намного большего усилия, чем обычно.
На автомобилях с АКПП запустить двигатель путём буксировки автомобиля невозможно. Даже на современных автомобилях оборудованных механическими коробками передач запуск двигателя путём буксировки автомобиля не допустим, так как это приводит к повреждению катализатора.
В каких ситуациях обычно губят коробки? Помимо переключения взад-вперед на ходу, самый типичный случай - долгая интенсивная пробуксовка в снегу, на льду или в грязи без включения пониженного диапазона. Если у машины нет системы контроля тяги (traction control) и достаточно мощный двигатель, то свободно крутящееся колесо, как бы имитирует слишком быстрый разгон автомобиля и гидромеханика честно старается успеть перебрать все передачи, а фрикционы и ленты при этом подгорают. Вдобавок бешеные нагрузки испытывает дифференциал и часто их не выдерживает. Особенно опасны попытки выбраться из тяжелой ситуации, "раскачивая" машину взад-вперед переключениями ближних позиций R и D.
Вы должны поставить рычаг управления коробкой на низшую передачу и, пользуясь педалью газа как сцеплением, попробовать выбраться. Блокировать переключение на повышенные передачи необходимо потому, что коробка-автомат - это механизм с заданной программой, по которой практически при каждом сбросе педали газа будет происходить переключение передачи на следующую. Выбраться из ямы с автоматом будет посложнее, но и застрять, тоже.
Говорят, у автоматических коробок есть еще один недостаток - сложности с торможением двигателем. Да, это было - на первых коробках, которые были сконструированы в основном для удобства управления автомобилем. У коробок последнего поколения такого недостатка нет: они способны не только переключать скорости вниз при движении "накатом", но даже подстраиваться под вашу манеру езды при разгоне.
У современных коробок есть и переключатели дополнительных режимов. Например, есть как "спортивный" режим, при включении которого передачи становятся более "длинными", так и "зимний", при котором трогание с места происходит на третьей передаче, и это облегчает езду по скользкой дороге или в глубоком снегу. Для наших российских условий вещь очень полезная, к тому же при езде накатом происходит отчетливое торможение коробкой. А в сочетании с АБС езда на таком автомобиле превращается, в настоящее удовольствие. Многие полагают автомат коробкой для бестолковых.
Это, конечно, неправда. Просто эта коробка - другая. И управляется она не специальным рычагом, а педалью "газа". Что же до остального, то все остается по-прежнему: нужно чувствовать "характер" коробки и соразмерять с ним свои действия. Зная, например, что при быстром обгоне автомат "думает" примерно одну секунду после нажатия вами педали газа, какую передачу ему включать, вам надо немного раньше "давить на гашетку".
В целом, мир автоматических коробок очень разнообразен. Конкретное исполнение зависит от того, какие требования предъявили создатели к своему автомобилю, какие его качества посчитали главными, а какие - второстепенными. Есть очень "мягкие" и соответственно "тупые" автоматы (Cadillac,Lincoln), но есть и весьма динамичные (BMW, Mercedes, Ferrari). Сегодня еще встречаются коробки, управляемые гидравликой, но в основном используют электронику и электронные модули управления.