Проекты

Коробка передач на завтра…

Коробкой переключения передач — то есть устройством, позволяющим изменять крутящий момент на колесах за счет скорости их вращения, — автомобили с двигателем внутреннего сгорания обзавелись буквально сразу, как только вышли из детского возраста «телеги без лошади». Можно сказать, что наличие КПП было в те времена их фирменным признаком — паровики и электромобили, популярные в начале прошлого века, в подобном устройстве не нуждались. И у парового, и у электродвигателя крутящий момент на валу не зависит от скорости его вращения, чего нельзя сказать про двигатели внутреннего сгорания.

Будь то бензиновый или дизельный, — он имеет достаточно узкий диапазон рабочих оборотов, в котором он способен развивать хоть какую-то мощность, и уж совсем узенький диапазончик, в котором работает в оптимальном режиме. Эта характеристика меняется в зависимости от конструкции мотора, но, в любом случае, этот интервал слишком узок, чтобы обеспечить автомобилю необходимый диапазон скоростей. Представьте себе автомобиль с одной-единственной передачей — он сможет тронуться (если она первая), но не разгонится быстрее 20 км/ч!

Ручной вариант

Первые КПП имели самое примитивное устройство, представляющее из себя приводной ремень и набор шкивов разного диаметра. Водитель посредством рычагов перекидывал ремень со шкива на шкив — примерно так работает коробка передач на велосипеде. Потом ремень заменили цепью, шкивы — «звездочками», а вскоре пришли к решению, остающемуся принципиально неизменным по сию пору — набору шестерен. Простейшая механическая КПП имеет два вала — первичный и вторичный. Первый соединен через механизм сцепления с двигателем, а второй — через систему привода с колесами. Валы расположены в масляной ванне и снабжены каждый своим набором шестерен разного диаметра. В зависимости от того, какие пары шестерен вошли в зацепление, меняется угловая скорость вторичного вала при постоянной скорости первичного. Одновременно на нем увеличивается крутящий момент.

На грузовиках Даймлера второго поколения сохранялась ременная передача крутящего момента от вала двигателя к колесам.

Звучит довольно просто, но относительность этой простоты поймет любой, кто хоть раз пытался отремонтировать автомобильную КПП самостоятельно. Современная механическая коробка передач — устройство сравнимое по сложности и точности исполнения с дорогими швейцарскими часами — ради достижения максимальной компактности, легкости переключения и долговечности конструкторы все больше и больше усложняют этот агрегат. Уже одно изобретение синхронизаторов, уравнивающих скорости валов при переключении и избавивших водителя от навыка «двойного выжима», значительно усложнило конструкцию. А между тем, и количество передач в коробке год от года росло. Первые КПП были двухступенчатыми — на первой трогаемся, на второй едем. Диапазон скоростей тогдашних автомобилей вполне позволял такую простоту. Как только водителю захотелось не просто ехать, но ехать быстро, появилась третья передача, благо выросшая мощность ДВС позволила уменьшить передаточное число ещё на ступень. Трехступенчатыми коробками обходились достаточно долго — например, «Волга» ГАЗ-21 неплохо ездила со своими тремя передачами.

Двигатели середины прошлого века — низкофорсированные и объемные, — имели неплохой тяговый диапазон, и трех передач им было достаточно. Однако их прожорливость и низкая литровая мощность заставили производителей переходить на более высокооборотистые моторы с большей степенью сжатия. Новинки оказались мощнее и экономичнее, но и потеряли присущую многолитровым монстрам «тракторную» тягу в широком диапазоне оборотов. Сначала потребовалась четвертая передача, позволяющая полнее реализовать новые возможности двигателей. А потом вспомнили об экономичности — появилась пятая, «повышающая» передача, позволяющая поддерживать высокую скорость при небольших оборотах мотора. И это не предел — стремление поддерживать обороты мотора близкими к оптимуму привело к тому, что и шестиступенчатые коробки уже перестали быть новинкой, а некоторые производители начинают присматриваться к цифре семь… Но это для легковых автомобилей. Что касается тяжелых грузовиков и тягачей, то для них, случается, делают и шестнадцатиступенчатые коробки.

Простые и надежные механические КПП имеют массу достоинств — низкую цену, экономичность, ремонтопригодность, долговечность, — но и один существенный недостаток: они требуют чрезмерного участия водителя в работе трансмиссии. «Ворочать кочергой», «крутить мешалкой» — все эти нелестные эпитеты относятся к управлению коробкой вручную. Во-первых, ручная коробка занимает лишнюю ногу (сцепление) и лишнюю руку (рычаг селектора), отвлекая водителя от руления; во-вторых, далеко не всякий водитель способен выбрать вручную оптимальную передачу. Конечно, «настоящий драйвер» всегда предпочитает «механику», но много ли их, «настоящих»? В конце концов, человечество всегда стремилось к уменьшению количества ручного труда — жертвой этой тенденции стала и ручная коробка.

Первая семиступенчатая автоматическая коробка передач с гидротрансформатором созданна в конструкторском бюро Mercedes-Benz. Выглядит устрашающе, зато обеспечивает плавность хода и экономит топливо.

Гидравлический вопрос

Самыми распространенными устройствами автоматического выбора передач являются на данный момент гидромеханические АКПП. Это устройство представляет из себя набор из отдельных планетарных рядов с разным передаточным коэффициентом — как бы несколько одноступенчатых КПП в одном корпусе — переключение между которыми осуществляется путем торможения нужного фрикциона. Звучит сложно? Поверьте, на деле все ещё сложней! Поскольку всеми функциями здесь заведует гидравлика, то АКПП имеет свой насос высокого давления, приводимый в действие от первичного вала. Сложная система клапанов передает создаваемое насосом давление к исполнительным механизмам, которые, собственно, и осуществляют переключение. Главнейший же элемент системы — гидротрансформатор, передающий крутящий момент от двигателя к трансмиссии и, заодно, выполняющий роль автоматического сцепления.

Сложность устройства АКПП компенсируется простотой его использования — в самом общем случае водитель переключает селектор в положение Drive и забывает о нем до конца поездки. В современных «автоматах» управление клапанами гидравлики взял на себя электронный блок, способный не только оптимизировать режимы работы, но и воспринимать команды водителя. Так что теперь и владелец машины с «автоматом» может «поиграть коробкой» — ручные режимы (устройство «Типтроник», «Стептроник» и т.д.) позволяют принудительно переключать передачи. Конечно, прямого воздействия на агрегат здесь не происходит — водитель лишь передает команды электронному «мозгу», а тот уже управляет коробкой (иногда предварительно оценив адекватность действий водителя, так что переключения «себе во вред» может и не допустить). Зачем нужно, переплатив за «автоматику», имитировать с её помощью ручную коробку — вопрос отдельный. Но раз есть спрос — то не замедлит появиться и предложение.

Рука робота

Гидромеханическая АКПП очень удобна в эксплуатации, но не лишена и недостатков. Из-за своей сложности она дорога в изготовлении и в ремонте, а кроме того увеличивает (хотя и незначительно) расход топлива и ухудшает динамику. Есть определенные проблемы с буксировкой, да и надежностью агрегат уступает «механике»… В общем, техническая мысль автоконструкторов на этом не остановилась. Идеальным решением было бы совместить удобство «автомата» с надежностью и экономичностью «механики» — и, с развитием электроники, такое решение было найдено.

Двухдисковое сцепление автомобиля Volkswagen DSG позволяет роботу загодя подготовить более высокую или более низкую передачу, на которую надо будет переключиться.

«Роботизированные КПП» — это словосочетание до сих пор звучит футуристически. А между тем, с появлением в автомобиле компьютерных систем весьма логично было поручить им переключение передач. Тем более, что управляющая электроника уже была отработана на гидромеханике. Представьте, что в вашем автомобиле обычная механическая коробка, но педалью сцепления и рычагом селектора управляет невидимый робот, сидящий где-то рядом с водителем. Естественно, эта картина является художественным упрощением — такой «робот» не нуждается в ноге для педали и руке для рычага, все действия совершают электромагнитные или гидравлические исполнительные механизмы. Как правило, «роботизированные» КПП имеют секвентальный (последовательный) механизм переключения — то есть передачи перебираются по порядку, от первой до пятой и обратно. Электроника, оценив скорость, обороты двигателя, тяговый момент и кучу прочих факторов, принимает решение включить следующую передачу — гидромеханическое сцепление разъединяется, электромагнит (или та же гидравлика) передвигает вилку включения передачи, а во всем остальном — работает классическая механика с её шестеренками. От основных недостатков классических «автоматов» — их «задумчивости» и неэкономичности — эта конструкция избавлена, но, в свою очередь, и она не идеальна.

При всем изяществе технического решения, «роботы» тоже имеют свои недостатки. Большинство «бюджетных» «робошифтов» имеют отчетливо выраженные рывки при переключениях и неадекватно срабатывают в сложных условиях — при крутом подъеме или при пробуксовке колес. Конечно, почти всегда такой коробкой можно поуправлять и вручную, но зачем тогда было вообще огород городить? Более совершенные «роботы» отчасти избавлены от таких недостатков, но их сложность, а, соответственно, и цена позволяют применять такие агрегаты только в весьма дорогих машинах. Самое главное, что в них все так же остается неизбежная дискретность работы!

Возврат к истокам

Чтобы двигатель всегда работал в оптимальном диапазоне оборотов, количество передач должно быть как можно больше. В идеале, их число должно стремиться к бесконечности, а график изменения передаточного числа — не иметь ступенек. Представьте — мотор всегда работает на одних и тех же, наилучших для него оборотах, стрелка тахометра стоит как приклеенная, а машина ускоряется и замедляется, как нужно водителю. Фантастика? Ничего подобного! Для этого потребовалось всего лишь вернуться к истокам.

Принципиальная схема одной из конструкций вариатора: контакт между двумя конусами обеспечивает металлическое кольцо, помеченное красной стрелкой, — перемещаясь, оно изменяет передаточное число.

Помните, каково было устройство самых первых КПП? Два шкива, соединенных ремнем. Если диаметры шкивов постоянны, то передаточное число такой конструкции не меняется, но стоит их диаметрам измениться — вместе с тем изменится и передаточный коэффициент. Менять диаметр шкивов довольно просто — надо только сделать их раздвижными. Раздвинулись боковинки шкива — ремень провалился глубже — диаметр шкива стал меньше. По таком принципу и работают бесступенчатые КПП — вариаторы.

Такое, в принципе, несложное техническое решение придумали не вчера. Проблема была лишь в ремне — не так-то просто найти ремешок, который передаст на колеса крутящий момент мощного мотора! Поэтому первые вариаторы стали уделом скутеров и прочих мопедов — мощность невелика, и ремень служит долго. Однако прогресс не стоит на месте, и появляются новые, высокопрочные материалы. Нынешний ремень вариатора больше напоминает хитрой формы цепь, набранную из пластин специальной стали. Зато и усилие, которое он может передать, стало воистину гигантским. Так, например, сейчас вариатором оснащена топовая комплектация нового Lancer X — машины отнюдь не маломощной.

Естественно, двумя шкивами и ремнем конструкция автомобильного вариатора отнюдь не исчерпывается. Прежде всего, для того, чтобы тронуться с места, здесь присутствует аналог сцепления — пакет фрикционов или же гидротрансформатор. Ну и, конечно, электроника — теперь без нее никуда. Система электронного управления определяет оптимальное для каждого режима движения передаточное число и управляет изменением диаметра шкивов, позволяя получить… аналог механической КПП с дискретными передачами и ручным управлением! Вот только количество передач, на которые поделит контроллер диапазон передаточных чисел вариатора, определяется уже сугубо фантазией производителя. В принципе, их можно сделать хоть сто, но водителю оперировать числом больше шести просто неудобно.

Вариатор — достаточно надежное изделие. Количество деталей в нем чуть ли не на порядок меньше, чем в любой другой конструкции, и срок его службы определяется только долговечностью ремня. Однако и сам высокотехнологичный ремень, и управляющая электроника пока весьма дороги, что не позволяет оснастить такими агрегатами все автомобили мира.

Привод внедорожника Lexus RX400h содержит одновременно несколько технических новинок: это  и бесступенчатый вариатор в приводе передних колес, и электромеханическая трансмиссия  сзади.

Конечно, прогресс не стоит на месте — существуют и более замысловатые способы передать энергию двигателя к колесам. Как правило, они связаны с дополнительными преобразованиями энергии. Например, двигатель вращает мощный генератор, а колеса крутит электромотор. Или же двигатель приводит в движение гидронасос, а усилие к колесам поступает от гидромотора. В этих случаях КПП, как таковая, вообще отсутствует. Однако эти конструкции весьма мало распространены, так что пока покупатель автомобиля может рассчитывать на одно из четырех основных решений — механическую КПП, гидравлический «автомат», роботизированную коробку или вариатор. Выбор, как всегда, за покупателем!

14 комментария к записи Коробка передач на завтра…

  1. Mynine 22.06.2009 в 10:57 #

    Из серии «Для чайников» ? 🙂

    Не хочу затеивать спор, просто выскажу мнение что, судя по темпам прогресса, сомневаюсь я однако в перспективах вариатора. Если за прошедшие десятилетий так и не смогли довести конструкцию (действительно простейшую) до массового использования (я имею в виду как замену ручки), то очевидно, что ее врожденные недостатки фактически неустранимы. :- (

    Ну и про передачи — трогаться-то можно и на 4-ой. Только сцепление сгорит быстро.

    • Semiurg 22.06.2009 в 11:16 #

      Ну, это как сказать...

      Вон, в Америке ручную кпп вообще считают подозрительным чудачеством...

      Скажем, на десятом Лансере вариатор уже вполне неплох. Как замену ручке я бы его не взял, но уже определенно приятней гидромеханики.

      • Mynine 22.06.2009 в 11:30 #

        Я имел в виду вот что — с точки зрения конструкции механика и гидроавтомат по сути одно и то же (передача КМ через зацепление шестерен). А вот вариатор имеет совершенно другой принцип, который, несмотря на кажущуюся простоту и элементарность конструкции, оказался негоден к замене ручки или обычного автомата. Да, используют его многие, но с некоей опаской.

        А ведь казалось бы — сделать его по цене и надежности сравнимым с механикой и он убьет все остальные виды коробок. Ан нет... Не выходит каменный цветок.

        • Semiurg 22.06.2009 в 11:38 #

          По-моему ты спешишь с выводами 🙂

          На скутерах и прочих мопедах вариаторы давно вытеснили все другие виды трансмиссий. С автомобилями — вопрос времени. Пока они просто дороговаты.

          • Mynine 22.06.2009 в 11:59 #

            Может быть и спешу, но вот это именно «пока» меня и настораживает. Длится оно долго, это «пока».

            Да и не только в цене дело — не думаю я что DSG сильно дешевле получается — однако не от хорошей жизни его VW сейчас ставит повсюду.

            А про разницу между мопедом и автомобилем не мне тебе рассказывать 😉 Потребные мощности и усилия тут на порядки различаются. Что отлично подходит для одного совершенно непригодно для другого. Поэтому в авто годами это «опция», а не «база».

            Ладно, погодим еще с выводами 😉

            • Semiurg 22.06.2009 в 12:11 #

              Долгое время все упиралось в материал ремня. До сих пор нельзя сказать, что проблему разрешили на 100%, но прогресс весьма значительный.

              Впрочем, я в любом случае за МКПП 🙂

    • Как мне кажется, вариатор спасет прогресс ) Если все же будет изобретен, какой-нибудь очень надежный и очень дешевый полимер, то вариатор начнут использовать намного чаще.

      • Mynine 22.06.2009 в 12:01 #

        Всё спасет прогресс! Надеюсь и ДВС тоже помрет, когда наконец найдут способ дешево аккумулировать энергию.

        • Semiurg 22.06.2009 в 12:12 #

          Кстате да. ДВС, если вдуматься, довольно нелепая штука. 🙂

          • Mynine 22.06.2009 в 12:37 #

            Во-во, как вообще поразителен прогресс — казалось бы очевидные механизмы никак не могут дойти до практического применения, а, напротив, самые изощренные и сложные, да и вообще, не могущие работать в принципе на первый взгляд (велосипед) оказываются самыми живучими.

            Древний пародокс «здравого смысла» и точной науки...

  2. Всеволод 22.06.2009 в 14:49 #

    >> Что касается тяжелых грузовиков и тягачей, то для них, случается, делают и шестнадцатиступенчатые коробки.

    А зачем? У них ведь как раз низкооборотистые и многолитровые моторы.

    • Semiurg 22.06.2009 в 14:51 #

      У них и вес с грузом соответственно...

      Для экономии топлива, вестимо.

  3. Sem 24.06.2009 в 20:17 #

    вариаторы ставили еще в восьмидесятые наверно на какие-то небольшие вольво... конструкция, скажу я вам, была... во все днище...

    • DiVersant 17.09.2014 в 6:03 #

      Первым серийным автомобилем с вариатором был DAF-600... В далёком 1959.