Що і як передає коробка передач?

При русі автомобіля крутний момент на колесах повинен змінюватися від мінімального до максимального і, навпаки, залежно від дорожніх умов, маневру або фази руху. Керованої повинна бути і частота обертання. Двигуни внутрішнього згоряння володіють недостатньою пристосованістю і вимагають спеціального механізму, який регулює частоту обертання і крутний момент, що виходять від колінчастого валу. Ім'я йому - коробка перемикання передач. Від коробки передач в чому залежать динамічні якості автомобіля. Не випадково, що в ралійних автомобілях саме коробка передач є найдорожчим механізмом і вартість його може перевищувати сотню тисяч доларів.

Top Gear від Луї Рено

На перших автомобілях крутний момент, частота обертання передавалися і регулювалися за допомогою ланцюгів, ременів і шестерень. Ланцюгово-ремінні конструкції, володіли низькою швидкістю, мали невисокий ККД, та до того ж часто ламалися. Справжньою революцією став винахід молодого Луї Рено. У 1899 році він зареєстрував патент на першу в світі коробку передач, вперше застосувавши систему рухливих зубчастих коліс і валів. Винахід, майбутнього промисловця, засновника найбільшої французької автомобільної компанії виявилося настільки революційним, що було прийнято практично всіма автомобільними заводами того часу.

У тому ж 1899 Луї Рено створює автомобіль, оснащеної КП з трьома передніми передачами і однією задньою. Крутний момент на задні колеса передавати не ланцюга, а вал з карданними шарнірами. Ця схема трансмісії досі застосовується в конструкції у задньопривідних автомобілів. Третя передача була названа прямою, оскільки передавальне число (відношення частот обертання колінчастого і карданного валів) дорівнювала одиниці. Частоти коленвала і кардана збігалися і автомобіль розвивав максимальну швидкість. Пряма передача також отримала назву «вищої», або «Top Gear» по-англійськи. Саме під цією назвою протягом 30 років виходить телепередача на британському каналі BBC. До речі, жителі Туманного Альбіону, на відміну від нас, мають можливість захоплюватися гумором Джеремі Кларксона і його колег протягом однієї години. І практично без реклами.

Чим вище передача, тим нижче швидкість

З моменту винаходу Луї Рено пройшло більше століття, але принцип механічної, так званої ступінчастою, коробки передач залишився колишнім. Ступінчаста коробка передач складається з групи шестерень, які вводяться в зачеплення для отримання різних передавальних чисел між коленвалом двигуна і колесами. Передавальне число змінюється шляхом переміщення або самих шестерень, або спеціального пристрою, так званого синхронізатора. Синхронізатор зрівнює (синхронізує) окружні швидкості включаються в зачеплення шестерень.

Варто відзначити, що чим вище передавальне число, тим нижче передача. Тому перше називають нижчої, оскільки передавальне число у неї найбільше. На нижчій передачі підвищенням частоти обертання двигуна збільшити крутний момент до необхідної величини. Передача обертання здійснюється від малої шестерні до великої і при високій частоті обертання коленвала, швидкість руху автомобіля залишається низькою. Передавальне число нижчої передачі автомобіля становить від 3 до 4,5. Наприклад, на Subaru Forester цей показник становить 3,545. Крім вищої і нижчої передачі в автомобілях є ще передача задньої швидкості, а також нейтральна. У нейтральному положенні крутний момент від двигуна на колеса не передається і автомобіль рухається за інерцією або стоїть.

Більшість сучасних автомобілів, оснащених механічною КПП, мають 4-5 передач, або швидкостей руху вперед. Коробки з 6-ма і більше швидкостями встановлюються на заряджені спортивні або джипи. Наприклад, Jeep Cherokee версій Sport, Limited і Renegade оснащується або «автоматом», або 6-ступінчастою механікою.

Трохи механіки про "механіці"

Розібравшись з історією механічною КПП, варто детальніше зупинитися на її пристрої. Традиційна коробка передач складається з:

- картера, тобто несучої конструкції, що виконує також захисну функцію-

- первинного, вторинного і проміжного валів з шестернямі;

- додаткового вала і шестерні заднього хода-

- синхронізаторів,

- механізму перемикання передач з замковим і блокувальним устройствамі;

- важеля перемикання.

Усередині картера розміщуються основні вузли та деталі коробки передач. Картер коробки передач примикає до картера зчеплення, закріпленому на двигуні. Вали коробки передач обертаються в підшипниках, встановлених в стеках картера, і несуть набори шестерень. Синхронізатори необхідні для плавного, безшумного і ненаголошеного включення передач, шляхом зрівнювання кутових швидкостей обертових шестерень. Для зміни передач служить механізм перемикання, який управляється водієм за допомогою важеля. Замковий пристрій не дозволяє включатися одночасно двом передачам, а від випадкового вимикання захищає блокувальний пристрій. Для запобігання передчасного зносу деталей, що труться коробки кратер заповнюється спеціальним трансмісійним, рідше звичайним моторним, маслом.

За допомогою зчеплення крутний момент від коленвала передається на провідний вал коробки через пару шестерень (головну передачу). Відома шестерня головної пари задіє провідний вал коробки передач. На ньому жорстко закріплені провідні шестерні різного розміру за кількістю швидкостей - наприклад, чотири шестерні для руху вперед і одна для заднього ходу як на жігульовськой «класиці».

Шестерні ведучого вала взаємодіють зі своїми «напарницями», розташованими на відомому валу коробки передач. Ведений вал має більш складно пристрій, ніж ведучий - частина його поверхні кругла, а на частині нанесені поздовжні шліци має шліци. На круглих частинах валу вільно обертаються відомі шестерні, кожна зі своєю швидкістю. І кожна з ведених шестерень перебувають у постійному зачепленні зі своєю провідною «напарницею», міцно сидить на ведучому валу.

Шліци ж служать для переміщення стопорних кілець уздовж веденого вала. Вони обертаються зі швидкістю валу і можуть переміщатися уздовж нього, підходячи до тієї чи іншої найближчої шестерні. При перемиканні передач кільце підходить до найближчої шестерні, як би стопорить її і шестерня виявляється жорстко сполучена з відомим валом. У будь-який момент часу лише одна шестерня може бути жорстко сполучена з відомим валом, інші вільно обертаються на ньому. В результаті, тим самим забезпечується вбрання в даний момент значення передавального числа коробки передач.

Планети Форда

Поки автопром Європи на початку минулого століття впроваджував винахід Луї Рено, по той бік Атлантики пішли іншим шляхом. Американським піонером став інший великий винахідник і автопромисловець - Генрі Форд. У 1903 році Форд відкриває власну фірму «Форд Мотор Компанії» і починає працювати над створенням дешевого доступного для широких мас автомобіля. І він його створює. Прообразом стає автомобіль моделі «А» з 2-циліндровим двигуном в 8 кінських сил, з ланцюговим приводом, що передавали крутний момент на задню вісь. Форд не скористався здобутками Рено, а застосував свій принцип перемикання передач - планетарний і згодом КПП, що працюють на цьому принципі стали називати планетарними.

Принцип планетарної передачі полягає в наступному. Це -механічна система, що складається з декількох (планетарних або сателітів) шестерень, що обертаються навколо центральної (сонячної або центральної) шестерні. Планетарні шестерні фіксуються разом з допомогою водила. Крім цього, додаткова зовнішня кільцева шестерню, має внутрішнє зачеплення з планетарними шестернями. Сателіти, закріплені на воділе, обертаються навколо центральної шестерні (як планети навколо Сонця), зовнішня шестерня - навколо сателітів. Різні передавальні відносини досягаються шляхом фіксації різних деталей відносно один одного.

Планетарні коробки передач класифікують за числом ступенів свободи, якими вони володіють у разі повного виключення всіх елементів управління:

- двухстепенние;

-трехстепенние;

-четирехстепенние і т.д.

Для включення передачі в разі двоступеневий коробки передач, необхідно впливати на один елемент управління. Причому, якщо це буде блокировочная муфта, то коробка повністю заблокується, що відповідає прямій передачі. У коробці передач володіє з трьома ступенями свободи, для включення передачі дія йде на два елементи управління.

Перша планетарна коробка від Форда мала дві швидкості вперед і одну назад. Світовим визнанням планетарної коробки передач стало її застосування в одному з наймасовіших автомобілів - «Форд Т», який у період з 1908 по 1927 роки розійшовся тиражем в 15 мільйонів екземплярів. До речі, коробка була вельми примхливої і стала причиною появи в автомобільному жаргоні терміна «Козел», «Козлик». При перемиканні швидкостей «Форд Т» підстрибував і «буцався». Радянські водії-ветерани, пам'ятайте норовливу модель «Форда» за схожий дизайн (облицювання радіатора) нагородили незавидною прізвиськом спочатку «ГАЗ 67», а потім і «ГАЗ 69».

Тим не менш, механічна планетарна коробка передач цілком успішно прижилася. Приміром, саме планетарні коробки передач установлювалися на гордість радянського автопрому - представницькі «Чайки» і «ЗІЛи».

Тріумф гідравліки

Планетарні коробки передач стали відправною точкою створення ще в 30-х роках минулого століття автоматичних коробок передач. У сучасних коробках використовуються каскади з декількох планетарних передач для отримання великого діапазону передавальних чисел, що забезпечує плавність перемикання швидкостей. І сьогодні АКПП в корені відрізняються від шестеренних - вони здатні міняти передачі на повній потужності двигуна, що практично нездійсненно зі легкими шестернями і синхронізаторами для звичайних автомобілів. Але цієї тріумфальної перемоги передували десятиліття наполегливих розробок кращих автоінженер.

Перші автомати стали виробляти за океаном. Деталі планетарної передачі пригальмовувати за допомогою спеціальних механізмів-гальм, які приводилися в дію тиском масла, що подається насосами через спеціальний клапан на вихідному валу коробки. Чим вище була швидкість машини, тим швидше обертався вал, тим сильніше відкривався клапан. Тиск в гідросистемі підвищувався і переключалися передачі. Одним з перших подібних автоматів стала коробка «Олдсмобіл» 30-х років. До речі, автомат встановлювався в якості як зараз прийнято називати додаткової опції, вартістю 80 доларів.

З моменту своєї появи автоматичні коробки зазнали серйозних змін. Сьогодні виділяють три основних етапи в їх розвитку:

Гідравлічні коробки однокомандние.

Гідравлічні коробки з електронним управлінням -многокомандние, з управлінням вручну через важіль, кнопку, наявність спеціальних функцій.

Гідравлічні автоадаптірующіеся з електронним управлінням - многокомандние, з управлінням як вручну, так і автоматично через систему автоадаптаціі, наявність спеціальних функцій, адаптація під конкретного водія, умови дороги і т.д.

Принципова схема роботи сучасної АКПП виглядає наступним чином. У проміжному кожусі, між двигуном і коробкою передач, встановлений гідротрансформатор, який працює як звичайне зчеплення. Гідротрансформатор, наповнений трансмісійної рідиною, обертається з великою швидкістю. Він передає крутний момент, поглинає і згладжує вібрації двигуна, приводить в дію масляний насос, що знаходиться в корпусі коробки передач. Масляний насос наповнює трансмісійної рідиною гідротрансформатор і створює робочий тиск у системі управління і контролю.

У корпусі самої коробки передач розташовані кілька планетарних механізмів, які забезпечують необхідні передавальні відносини. А передача крутного моменту від двигуна через планетарні механізми до коліс відбувається за допомогою фрикційних дисків, диференціала і інших сервісних пристроїв. Управління всіма цими пристроями здійснюється завдяки трансмісійної рідини через систему управління і контролю.

Вузол управління і контролю складається з маслосборника, шестеренчатого насоса і клапанної коробки. Клапанна коробка являє собою систему каналів з розташованими в них клапанами і плунжерами, які виконують функції контролю і управління. Цей пристрій перетворює швидкість руху автомобіля, навантаження двигуна і ступінь натиснення на педаль газу в гідравлічні сигнали. На основі цих сигналів, за рахунок послідовного включення і виходу з робочого стану фрикційних блоків, автоматично змінюються передавальні відносини в коробці передач.

За час свого існування АКПП встигли не тільки змінитися, але і завоювати величезну популярність. Рік від року поліпшуються їх експлуатаційні якості. Наприклад, порівняно недавно рекомендований міжсервісний інтервал АКПП становив 15 000 кілометрів, сьогодні 60000 тисяч уже не межа. Таким ресурсом володіє наприклад Нова автоактівная і автоадаптірующаяся коробка AL 4, дітище концерном PSA PEUGEOT - CITROEN. Однак АКПП залишається дуже складним агрегатом і тому виробників автоматичних коробок у світі налічується не так вже й багато - набагато менше, ніж конвеєрних виробників.

Так все ж: «механіка» або «автомат»?

За прогнозом західних експертів, оприлюдненому на сайті Just-Auto.com, в новому 2007 число автомобілів з автоматичними коробками передач перевищить кількість машин, на які будуть встановлені традиційні механічні КПП.

За словами експертів, найбільшою популярністю автоматична трансмісія користується у покупців легкових машин і легкого комерційного автотранспорту в Північній Америці і Японії. У Європі, а також у країнах Азії, автомобілісти віддають перевагу традиційній «механіку». Приміром, у США автомобілів з автоматичною коробкою передач продається 90%, а Японії - більше 80%.

Тому завдяки традиційній прихильності європейців і азіатів до механіки тільки до 2012 року продажі автомобілів з автоматичними КПП перевищать 50 відсотків від числа всіх нових машин. Потреба ринку в коробках передач такого типу потребують від автовиробників збільшення власних виробничих потужностей, порівнянного з запуском 10 нових спеціалізованих підприємств. Росія до «автоматизації» власними силами поки ще не готова - в нашій країні досі немає жодного підприємства, здатного поставляти «автоматику» на конвеєр. Правда, неодноразово заявлялося, що якесь ТОВ «Каті», створене випускниками МГТУ ім. Баумана за підтримки «Внешторгбанка» і «Рособоронекспорту» налагодить в Калінінграді випуск до 260 тисяч комплектів АКПП. C моменту першої заяви минуло півтора року, земля під виробництво виділена, а вітчизняних коробок поки не видно. До речі, даний проект оцінюється в серйозну суму - до 150 мільйонів доларів.

Поява вітчизняного виробника цілком можливо зробило б автоматичні коробки передач більш доступними для населення. Тим більше, у автоматики чимало переваг:

- комфортність водіння завдяки зменшенню контрольних функцій водія;

- безшумність при роботі;

- відсутність обмежень у передачі потужності двигуна;

- захищеність механізмів від поломок при неправильному включенні передач;

- захист двигуна і ходової частини від перегрузок;

- збільшений ресурс.

Але з рахунків не можна скидати і недоліки АКПП в порівнянні з механікою:

- істотно більш висока ціна;

- підвищений на 5-15% витрата палива у зв'язку з втратами енергії в гідросістеме;

- підвищена вартість обслуговування (більше часта зміна рідини, фільтрів очищення рідини гідросистеми) ;

- погіршення динамічних якостей автомобіля, «загальмованість».

Так що, який вид КПП вибрати - справа особиста, залежне від пріоритетів конкретної людини. Очевидно лише, що з кожним роком експлуатаційні властивості автоматичних коробок поліпшуються, а число шанувальників АКПП впевнено зростає.

Автоматизована механіка

Досягнення в галузі нових матеріалів та електроніки буквально вдихнули друге життя в механічну коробку передач. Починаючи з 1970-х років минулого століття конструктори прагнули автоматизувати роботу механічної коробки передач, зберігши при цьому всі її переваги, головне з яких - динаміка. Це прагнення принесло численні плоди. І тепер багато видів коробок перемикання передач і начебто механічними не назвеш, і до автомата не віднесеш. Назвемо основні:

«Easytronic» - практично та ж МКПП, але перемикає передачі електропривод.

«Tip-tronic», «Step-tronic» і різні «Тронік» - автоматичні коробки передач, які завдяки електроніці дозволяють їхати як в автоматичному, так і в ручному режимі.

Кулачкові коробки передач. Модернізована механіка. На торцях шестерень розташовані виступи-кулачки, за допомогою яких шестерні входять в зачеплення. Передачі можна перемикати з неповним вижимом зчеплення або взагалі без вижиму - ударні навантаження припадають на кулачки, а не на зуби шестерень. Застосовуються в основному в автоспорті.

Секвентальні, (послідовні) коробки передач. Передачі перемикаються строго послідовно, одна за одною. Переміщення важеля відбуваються тільки вперед-назад. Рух важеля вперед підвищує передачу, тому - знижує. Електроніка забезпечує швидке, точне і м'яке перемикання передач. Водій просто рухає важелем і в певний момент різко натискає або відпускає педаль газу, всім іншим управляє автоматика. Подібні коробки передач - атрибут гоночних автомобілів і суперкарів.

«Direct Shift Gearbox» (DSG) - плід творчості інженерів Audi. DSG поєднує в собі механічну шестиступінчасту ручну коробку передач і сучасний «автомат». Завдяки механізму «парного» зчеплення, з'являється можливість для одночасного використання усіх передач відразу! DSG дозволяє перемикати передачі, навіть не використовуючи педаль зчеплення. Наприклад, ви рухаєтеся на четвертій передачі, а зчеплення п'ятої вже включено і для того, щоб перейти на неї, досить просто пересунути важіль.

Варіатор: коробка без передач

Принципово від «механіки» і «автоматики» відрізняється «коробка передач» майбутнього, так званий варіатор - безступінчата трансмісія з зовнішнім управлінням, яке дозволяє плавно змінювати передавальне число, вибираючи найбільш оптимальне відповідно зовнішньої навантаженні і оборотам двигуна. В даний час автовиробниками використовується два види воротарів: клиноременной і тороідний. Одним з найпоширеніших позначень воротарів стала абревіатура «CVT» (Continuously Variable Transmission), що можна перекласти як «трансмісія з плавно змінним передавальним числом»

Головними деталями клиноремінного варіатора є два розсувних шківа і сполучає їх ремінь. Якщо половинки провідного шківа зрушити, вони виштовхнуть ремінь, немов потрапив між ними клин, назовні - радіус шківа, за яким працює ремінь, збільшиться. Одночасно збільшиться і передавальне відношення. А якщо половинки веденого шківа, навпаки, розсунути, то ремінь провалиться всередину, і буде працювати по меншому радіусу - зменшиться передавальне відношення. Якщо обидва шківа будуть в проміжному положенні, то передача стане прямій. Цей принцип в автомобілебудування вперше був застосований в 1958 році, коли світ побачив DAF-600, оснащений трансмісією «Variomatic» на основі клиноремінного варіатора, яка потім встановлювалася на Volvo 343. Потім на цьому напрямку зосередили свої зусилля такі гіганти як Audi (трансмісія «Multitronic »на А6), Honda, NISSAN, TOYOTA і багато інших. Як показує практика, варіатори мають переваги автоматичної коробки, при цьому позбавлені їх недоліків (підвищена витрата, погіршення динаміки і т.д.). Обмежують застосування безступінчатим трансмісією інші фактори:

- конструкційна слабкість ременів, недовговічність, нездатність витримувати великі навантаження;

- потреба в додаткових механізмах для режимів рушання і заднього хода;

- більш висока вартість;

- велику вагу.

Але і як у випадку з АКПП прогрес не стоїть на місці, і матеріали для ременів весь час удосконалюються. Тому автогіганти все частіше свій погляд звертають на CVT. Лідером у цьому напрямку сьогодні по праву вважається компанія NISSAN, яка розраховує в 2007 році продати не менше мільйона автомобілів, оснащених безступінчатим трансмісією. Особливо перспективним експерти вважають застосування воротарів в гібридних автомобілях, де проблема додаткових механізмів для режимів рушання і заднього ходу вирішується за рахунок наявності електродвигунів. Наприклад, як у Lexus RX400h. Правда знову російському автолюбителю не пощастило - велика частина автомобілів з варіаторами проводиться спеціально для США і Японії.