Автоликбез

Над этим вопросом задумывается каждый, кто покупает новый автомобиль. Варианты возможны следующие: классическая «механика» или адаптивный «автомат», недорогой «робот» или новомодная трансмиссия «с прямым включением», экзотичные клиноременный и тороидный вариаторы. Чтобы сделать правильный выбор, не лишним будет изучить устройство этих агрегатов.

Для чего нужна коробка передач?

 Рис. 1. Зависимость мощности и крутящего момента от оборотов двигателя

Представим, что в каком-то автомобиле двигатель соединен с колесами напрямую. Не вдаваясь в подробности, каким образом такой автомобиль тронулся и разогнался, представим, что ему предстоит подняться в гору. Чем выше он поднимается, тем меньше становится его скорость, а значит, и число оборотов двигателя. Соответственно, величина крутящего момента (рис. 1) неизменно уменьшается. В какой-то момент его  перестанет хватать, и автомобиль попросту остановится. Чтобы этого не произошло, приходится поддерживать обороты двигателя на определенных частотах. Для этого и нужна коробка передач, в которой низшая передача — это наибольший момент и наименьшая скорость, а высшая — наименьший момент и наибольшая скорость.

Какими бывают коробки?

Классическая «механика»

Сегодня существует две основных схемы механических коробок передач. Первая реализована на заднеприводных автомобилях с продольно расположенными двигателями. В такой трансмиссии имеются три вала: ведущий, ведомый и промежуточный (рис. 2).

Рис. 2. Схема трехвальной коробки передач

Первые два установлены соосно друг другу, а последний — параллельно им. При этом крутящий момент от двигателя через сцепление сначала передается на ведущий вал, с него — на промежуточный, а затем — на ведомый. Величина момента «на выходе» зависит от того, через какую пару шестерен, расположенных на промежуточном и ведомом валах, он передается. И если в начале XX века для выбора нужной пары приходилось перемещать целиком весь блок шестерен, то позднее был предложен несколько иной принцип. Суть его в том, что на промежуточном валу шестерни крепятся жестко, а на ведомом — могут свободно вращаться. Это сделано для того, чтобы пары могли находиться в постоянном зацеплении. Соответственно, чтобы включить нужную передачу, достаточно муфтой жестко соединить нужную шестерню с валом.

Вторая схема реализована на переднеприводных автомобилях с поперечно расположенными двигателями. В такой трансмиссии имеются только два вала — входящий и выходящий. Шестерни, расположенные на обоих валах, находятся в постоянном зацеплении. Чтобы включить передачу, нужно, как и в предыдущем случае, соединить нужную шестерню с валом.

Любая механическая коробка передач нуждается еще в одном агрегате — сцеплении. Последнее необходимо, чтобы кратковременно отсоединять трансмиссию от двигателя. Это требуется, когда водитель переключает передачи, тормозит или трогается с места.

Особенности управления

Плюсы: такая трансмиссия — это наиболее дешевый вариант коробки передач. При этом знатоки считают, что только автомобиль с классической «механикой» способен подарить наибольшее удовольствие от вождения.
Минусы: процесс переключения передач в такой трансмиссии требует от водителя определенной сноровки. Нужно уметь, во-первых, плавно пользоваться сцеплением, во-вторых, правильно выбирать передачу в зависимости от условий движения. И, наконец, при движении в пробке водитель элементарно устает от постоянной работы педалями и рычагом коробки передач.

Автоматизированная «механика»

Первые попытки оснастить механическую коробку передач неким механизмом, автоматически «переключающим» передачи и «выжимающим» сцепление, появились еще в 30-х годах прошлого века. Однако тогда изобретателям были доступны лишь механические средства, а потому эти попытки были обречены на неудачу. В наше время эксперименты с автоматизированной «механикой», которую иногда называют «роботом», оказались вполне успешными. Наибольших успехов в этой области достигли инженеры BMW, спроектировавшие коробку передач SMG (что расшифровывается как Sequental M Gearbox), устанавливаемую на седаны М-серии. В основе этой трансмиссии лежит механическая 6-ступенчатая коробка передач, отключением сцепления и переключением передач в которой заведует гидравлика с электронным управлением. При этом процесс смены передач происходит практически мгновенно, занимая всего лишь 0,08 сек.

Впрочем, существуют более доступные способы превратить механическую коробку передач в автоматизированную. Наиболее простой из них реализован на Mercedes-Benz A-класса, где механическую коробку передач оснастили электрогидравлическим приводом сцепления. При этом водитель переключает передачи, как на автомобиле с обычной «механикой», но педалей в салоне две — электроника отслеживает положение педали газа и рычага КП и в нужный момент выключает сцепление. Чтобы рывки при переключении были моментальными, а мотор не заглох при резком торможении, система учитывает показания датчиков двигателя и ABS.

Еще один вариант — заменить гидронасосы шаговыми электродвигателями. Именно так поступили создатели «роботов» на автомобилях Opel и Ford. Правда, в данном случае экономия обернулась рядом неприятных особенностей: сильными рывками и раздражающими запаздываниями. Впрочем, и здесь есть исключения. Японцы, применив такие же электромоторы на Toyota Corolla, смогли добиться вполне приемлемого уровня комфорта и быстроты переключений.

Особенности управления

Плюсы: «робот» — самый доступный вариант для тех, кто хочет получить автомобиль без педали сцепления.
Минусы: только последние версии автоматизированных трансмиссий научились более-менее сносно выбирать нужную передачу. Более-менее потому, что решить бюджетными способами проблему рывков и несвоевременных переключений на недорогих автомобилях инженерам пока не под силу. Поэтому владельцам таких машин предложили разумную альтернативу — ручной режим работы автоматизированной трансмиссии. В этом случае водитель сам выбирает нужную передачу в зависимости от дорожной ситуации, но педаль сцепления выжимать уже не нужно. Однако ряд неудобств все равно остается. Во-первых, на машине с автоматизированной «механикой» очень трудно тронуться плавно, что сильно осложняет движение в пробке. Во-вторых, если не пользоваться ручником, автомобиль при трогании на склоне скатывается назад.

DSG

По своей сути коробка передач DSG (что расшифровывается как Direct Shift Gearbox — коробка передач с прямым включением), устанавливаемая на автомобили концерна Volkswagen, представляет собой «робот». Правда, «робот» не совсем обычный, так как переключение передач происходит без разрыва потока мощности. Реализовать это удалось благодаря двум ведущим валам, находящимся один внутри другого, и передающим крутящий момент на многодисковые сцепления. Каждый из валов «заведует» только определенными передачами — четными или нечетными. При этом постоянно включены две соседние передачи, а гидроприводы, включая и выключая сцепления, направляют крутящий момент по нужному валу.

Сегодня не только Volkswagen предлагает автомобили с подобными трансмиссиями. Аналогичные коробки передач имеются и у Ford для обновленного Focus, и у Mitsubishi для Lancer Evo X, и у некоторых других автопроизводителей. Это говорит о том, что такая трансмиссия обладает ощутимыми преимуществами в сравнении с классическими автоматами.

Особенности управления

Плюсы: Во-первых, в сравнении с классическими «автоматами» снижается расход топлива, а во-вторых, переключение передач происходит практически незаметно.

Минусы: основной недостаток в виде высокой цены DSG с лихвой окупается упомянутыми выше преимуществами.

Клиноременный вариатор 

Рис.3. Схема работы клиноременного вариатора

Современную историю вариаторов принято вести с 1950 года, когда инженеры фирмы DAF разработали бесступенчатую трансмиссию Variomatic. Принцип ее работы до гениальности прост — крутящий момент передает резиновый ремень, надетый на перемещающиеся конические диски, которые образуют шкивы ременной передачи (см. рисунок). Когда ведущие диски раздвигаются, а ведомые сдвигаются, момент «на выходе» увеличивается. И наоборот, когда ведомые диски раздвигаются, а ведущие сдвигаются, момент уменьшается. Такая конструкция позволяет менять передаточное число в очень широких пределах. Сегодня вариаторы с резиновыми ремнями до сих пор используются на скутерах и снегоходах. А вот на тех, что установлены на автомобилях, применяется либо наборный ремень из стальных пластин, либо многозвенная цепь (как на автомобилях Audi).

Основной недостаток вариаторов скрыт в отсутствии задней и нейтральной передач. Последнюю проблему на разных автомобилях решают по-разному. Например, на Subaru установили электромагнитное сцепление. По сути, оно представляет собой обычное мокрое сцепление, пространство между дисками которого заполнено жидкостью с добавлением частиц металла. Последние под воздействием магнитного поля «притягивают» диски друг к другу. Другой вариант — оснастить вариатор многодисковым сцеплением с гидроприводом и управлением от компьютера, как поступили инженеры, создававшие Honda Civic. Наиболее оригинальный, но и наиболее дорогой выход из положения предложила компания ZF, оснастив вариатор гидротрансформатором. Что касается отсутствия заднего хода, то простейший способ решения этой проблемы — установка планетарной передачи.

Особенности управления

Плюсы: вариатор позволяет наиболее эффективно реализовать возможности двигателя, обеспечивая необходимое изменение скорости и крутящего момента.
Минусы: первые автомобили с вариаторами имели весьма непривычную для автолюбителей особенность. Дело в том, что такие автомобили разгонялись при постоянных оборотах двигателя, потому что вариатор поддерживал обороты двигателя, необходимые для лучшего ускорения. Работала такая система очень хорошо, но из-за непривычного звука у водителя создавалось впечатление, что автомобиль разгоняется вяло. Это заставило производителей «научить» управляющую систему вариатора имитировать фиксированные передачи. При этом количество таких «передач» может быть любым, а переключать их водитель может вручную. Первым такую идею предложил Nissan в 1997 г., после чего ее подхватили и другие производители вариаторов.

Тороидный вариатор

 Рис. 4. Схема работы тороидного вариатора

Еще одна конструкция бесступенчатой трансмиссии появилась в 30-х годах прошлого века, но из-за невысокой долговечности широкого распространения не получила. В ее основе (см. рисунок) лежит поворачивающийся ролик (3), перемещающийся между двумя «чашами» (1 и 2), одна из которых закреплена на коленчатом валу двигателя, а вторая — приводит в движение колеса. В зависимости от угла поворота ролика меняется передаточное отношение. Недостаток этой трансмиссии заключается в том, что передача крутящего момента полностью зависит от трения ролика с чашами. Соответственно, чем выше момент, тем сильнее давит ролик на чашу, ускоряя ее разрушение. Единственной компанией, сумевшей довести эту конструкции до массового производства, стал Nissan. Для этого инженерам компании пришлось провести огромную работу по исследованию специальных сталей и трансмиссионных масел, а также пристыковать к вариатору планетарную передачу и гидротрансформатор, которые обеспечивают задний ход и «нейтраль» соответственно. В итоге с 1999 года с заводского конвейера ограниченными сериями стали сходить седаны Cedric и Gloria с 3-литровыми V-образными «шестерками», работающими в паре с тороидными трансмиссиями.

Особенности управления

Все сказанное о вариаторах клиноременных можно смело отнести и к вариаторам тороидным.

Классический «автомат»

Классическая автоматическая коробка передач (АКПП) состоит из двух основных компонентов. Первый из них — это гидротрансформатор. На автомобилях, где он применяется, маховик заменен «бубликом», состоящим из двух половинок. Первая — насосное колесо, приводимое в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя. Вторая — турбинное колесо, соединенное с ведущим валом коробки передач. На обеих «половинках» имеются направляющие лопатки, а пространство между ними частично заполнено жидкостью, которая и передает крутящий момент от двигателя к коробке передач. Особенность простейшего гидротрансформатора (который справедливо называть гидромуфтой) заключается в том, что он передает крутящий момент практически без изменения (не считая потерь при перемешивании жидкости). Однако если внутри «бублика» установить неподвижный реактор, лопатки которого определенным образом направляют поток жидкости, то крутящий момент «на выходе» будет увеличиваться. Это полезно при резких стартах на низшей передаче, но вредно при движении на высоких скоростях. Поэтому по мере разгона момент «на выходе» из гидротрансформатора плавно уменьшается, а реактор начинает вращаться вместе с турбинным и насосным колесами. На тех режимах, когда преобразование момента и вовсе не требуется, вступает в работу специальная блокировка, устанавливающая жесткую связь между элементами гидротрансформатора.

Рис. 5. Схема работы планетарной передачи АКПП

Второй, не менее важный компонент «автомата» — планетарная коробка передач. Простейшая планетарная передача (см. рисунок) состоит из следующих компонентов — двух больших зубчатых колес (1 и 2) и нескольких шестерен небольшого размера (3), смонтированных на специальной раме, именуемой водилом (4). Эти шестерни называют сателлитами, потому что вращаются они вокруг центрального, «солнечного», зубчатого колеса, как спутники вокруг планеты. Теоретически любая из трех составных частей (зубчатые колеса или блок сателлитов) может вращаться, в то время как одна из двух других должна быть заторможена, тогда с третьей можно снимать выходной момент. В планетарной коробке передач несколько планетарных рядов, связанных в сложную систему. Чтобы включить нужную передачу, многодисковые муфты и тормоза связывают или останавливают отдельные элементы рядов. Стоит отметить, что механическая начинка «автоматов» за время их существования изменилась весьма незначительно. Разве что число передач выросло с двух (на Vauxhall Victor) до восьми (на Lexus LS460). А вот системы управления значительно эволюционировали. Если на первых автомобилях с «автоматами» приходилось выбирать нужную передачу, передвигая маленький выключатель вверх или вниз, то уже к середине прошлого века трансмиссии «научились» делать все самостоятельно. Позднее эту «самостоятельность» стало возможным корректировать с учетом манеры езды конкретного водителя, выбирая один из нескольких режимов работы. Например, активный водитель мог выбрать режим «спорт», а спокойный — режим «комфорт». Наиболее современные «автоматы», называемые адаптивными, способны без подсказок «подстраиваться» под водителя.

Особенности управления

Плюсы: сегодня адаптивные «автоматы» стали настолько совершенными, что даже опытные водители отказываются от автомобилей с «механикой».
Минусы: «автомат» — достаточно сложное, дорогое и тяжелое устройство. При этом потери мощности в гидротрансформаторе довольно велики, что уменьшает мощность двигателя и увеличивает расход топлива.

Что же выбрать?

Сегодня наиболее оптимальным выбором трансмиссии является классический «автомат», Если не смотреть на его высокую цену. Но более доступной и при этом столь же совершенной автоматической трансмиссии сегодня просто не существует.

Многие специалисты убеждены, что со временем вариатор вытеснит все остальные трансмиссии. При этом предпочтение будет отдано вариатору тороидному, так как в нем отсутствует ремень, износ и растяжение которого сегодня являются основной проблемой. Но перед этим придется решить еще немало проблем, связанных с выбором подходящих материалов и смазки. А пока инженеры совершенствуют классический «автомат» и ищут ему доступную альтернативу в виде автоматизированной «механики» и трансмиссий с прямым включением (DSG)

Перейти в форум "Клуб автомобилистов"