АКПП, механика и вариатор. Вскрываем коробку передач

«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир!» – говорил Архимед. Рычаги, блоки, шестерни и передаточные отношения были известны еще в древности. Тем не менее для многих наших современников до сих пор самая загадочная часть автомобиля – это коробка передач.
увеличить


Механическая коробка передач


Классическая «механика» устроена очень просто.


Клиноременный вариатор
Чтобы бесступенчатая трансмиссия могла передавать большой крутящий момент, ее ремень, испытывающий значительные боковые нагрузки, усиливают металлическими пластинами.


Синхронизаторы
Принцип работы синхронизаторов основан на трении.


Планетарная передача состоит из центральной шестерни (на рисунке обозначена желтым), сателлитов (синие), соединенных между собой водилом (зеленое), и внешней шестерни (красная).


Современная электронно-механическая коробка передач DSG (Direct Shift Gearbox) имеет два соосных сцепления, отдельно для четных и нечетных передач. Компьютер заранее включает следующую передачу, и переключение скоростей происходит без разрыва крутящего момента.


Торовый вариатор способен передавать больший крутящий момент, чем клиноременный, и может применяться в тяжелых представительских седанах.


Автоматическая трансмиссия
Всеми своими достоинствами и недостатками классический «автомат» обязан гидротрансформатору.





«Дайте мне точку опоры, и я переверну мир!» – говорил Архимед. Рычаги, блоки, шестерни и передаточные отношения были известны еще в древности. Тем не менее для многих наших современников до сих пор самая загадочная часть автомобиля – это коробка передач.

Как известно, двигатели внутреннего сгорания, применяемые на автомобилях, имеют очень узкий рабочий диапазон оборотов. Ниже этого диапазона двигатель «не тянет», выше – может просто выйти из строя. Для того чтобы обеспечить автомобилю возможность двигаться на разных скоростях, ускоряться и замедляться в разных дорожных условиях, служит коробка переключения передач, или КПП. Она изменяет передаточное отношение между двигателем и колесами авто, позволяя мотору работать в оптимальном режиме на любой скорости.

Гениально просто

Самым распространенным заблуждением, касающимся привычной механической коробки передач, является то, что при включении какой-либо скорости определенная пара шестерен входит в зацепление, а все остальные расцепляются. Разумеется, это не так. Однако обо всем по порядку.

Маховик двигателя, как правило, по совместительству служит одним из дисков сцепления (первичным). Сцепление необходимо, чтобы снять нагрузку с механизмов коробки при переключении, а также для того, чтобы за счет пробуксовки дисков плавно уравнять скорости вращения валов двигателя и коробки при включении той или иной передачи.

Вторичный диск сцепления приводит ведущий вал коробки через пару шестерен – так называемую главную передачу. Замена шестерен главной передачи – один из распространенных этапов тюнинга автомобиля.

Она позволяет «удлинить» или «укоротить» коробку, не вмешиваясь в сложный механизм переключения. Изменяя «главную пару», можно добиться лучшего разгона за счет снижения максимальной скорости или, наоборот, сделать машину более скоростной, но менее динамичной.

Ведомая шестерня главной пары приводит ведущий вал коробки передач. На нем жестко закреплены ведущие шестерни – к примеру, пять шестерен для движения вперед и одна для заднего хода. Все ведущие шестерни вращаются с той же скоростью, что и ведущий вал.

Ведомый вал коробки передач имеет сложное сечение. В некоторых местах он круглый, в некоторых – имеет шлицы. На круглых частях вала свободно вращаются ведомые шестерни. Их размер соответствует ведущим шестерням, все пары находятся в постоянном зацеплении. Главный фокус механической коробки передач заключается как раз в том, что ведомые шестерни свободно вращаются на ведомом валу, каждая со своей скоростью.

Между шестернями вал имеет сечение со шлицами. На него «надеты» стопорные кольца, отверстие которых имеет сечение, соответствующее шлицам вала. Они всегда вращаются со скоростью вала и могут перемещаться вдоль него, подходя к той или иной ближайшей шестерне. На нашей пятиступенчатой коробке таких колец понадобится три: между 1-й и 2-й, 3-й и 4-й, 5-й и задней шестернями. Кольца имеют устройства зацепления – как правило, шлицы. Соответствующие им шлицы имеются и на шестернях. Когда кольцо подходит к шестерне, они входят в зацепление и шестерня оказывается жестко соединена с ведомым валом. В каждый момент времени лишь одна шестерня соединена с ведомым валом, остальные свободно вращаются на нем. На нейтральной передаче с валом не соединено ни одной шестерни.

На старых автомобилях при переключениях необходимо было делать перегазовки: после выключения скорости нужно было на нейтральной передаче разогнать двигатель примерно до тех оборотов, которые должны быть при включении следующей скорости. После этого нужная ведомая шестерня и стопорное кольцо вращались приблизительно с одинаковой скоростью и могли легко войти в зацепление.

Все современные механические коробки оснащаются синхронизаторами. Устройство синхронизаторов у разных производителей может быть разным, но принцип действия одинаков. При сближении стопорного кольца и шестерни они начинают тереться друг о друга подобно дискам сцепления. К тому моменту, как их шлицы сближаются, их скорости успевают уравняться за счет трения. В настоящее время синхронизаторы стали настолько привычны, что этим термином называют все стопорное устройство в сборе.

Синхронизаторы перемещаются вдоль вала с помощью так называемых вилок. В нашем случае для трех синхронизаторов необходимы три вилки и три приводящих их тяги. Тяги соединены с рычагом в салоне таким образом, что когда водитель перемещает рычаг влево или вправо, он выбирает тягу, а движениями вперед или назад толкает ее, соединяя синхронизатор с той или иной шестерней. На мотоциклах и некоторых спортивных автомобилях передачи переключаются секвентально: движение рычага в одну сторону повышает передачу, в другую – понижает. Существуют конструкции, позволяющие переключать скорости без выжима сцепления, не прерывая передачу крутящего момента от двигателя на колеса.

Излишне резкое переключение скоростей может приводить к тому, что скорости движения шестерни и синхронизатора не успеют уравняться за счет трения, и они встретятся в движении. Теперь мы знаем, что когда из коробки раздается леденящий душу скрежет, его издают не шестерни, а сцепные устройства синхронизаторов. Правда, на стоимости ремонта в меньшую сторону это не отражается, так что будьте осторожны.

Между ведущей и ведомой шестерней заднего хода установлена еще одна маленькая шестеренка, чтобы изменить направление вращения. Шестерни прямых передач имеют косые зубцы, благодаря чему работают практически бесшумно. А вот зубцы на шестернях заднего хода – прямые. Этим объясняется характерный звук автомобиля, движущегося задним ходом.

Тотальный контроль

После многочисленных экспериментов с разными типами трансмиссий на самых современных и дорогих автомобилях к нам вернулась старая добрая механическая коробка передач в несколько видоизмененном варианте – с электронным управлением. Новомодные современные коробки tip-tronic, step-tronic и прочие «троники» используют старые, хорошо проверенные принципы – шестерни, синхронизаторы, дисковое сцепление. Только управляется все это электроникой.

Идея электронной «механики» была доведена до совершенства на автомобилях Формулы-1. От сервоприводов требовалось не только выжимать и отпускать сцепление, а также менять передачи за водителя, но и делать это максимально быстро. Переключение скоростей в болидах Формулы-1 занимает 0,01–0,02 с.

Компьютерное управление КПП на автомобилях высшего класса позволило реализовать автоматическое управление переключением скоростей в соответствии с манерой вождения конкретного водителя. А при желании можно взять всё в свои руки и переключать передачи самостоятельно с помощью кнопок «+» и «–» на руле.

Главное, что электронные коробки сохранили все достоинства традиционной механики. Двигатель и колеса автомобиля жестко связаны, ни капли драгоценного крутящего момента не теряется. Переключения происходят быстро, процесс управления полностью понятен и подконтролен водителю. Электронная механика абсолютно лишена инертности и заторможенности, свойственной классическим автоматам. Единственный ее недостаток – высокая стоимость.

American muscle!

Американцам надоело дергать ручку переключения передач более полувека назад. В США автомобиль без автомата – большая редкость. Неудивительно, что там его и изобрели.

Принцип работы классического автомата коренным образом отличается от механики. В его основе лежит планетарная передача. Она состоит из центральной шестерни, сателлитов и внешней шестерни с зубцами внутрь. Сателлиты, закрепленные на водиле, могут вращаться вокруг центральной шестерни, внешняя шестерня – вокруг сателлитов. Фиксируя детали механизма относительно друг друга тем или иным способом, можно добиваться разных передаточных отношений. К примеру, зафиксировав водило относительно центральной шестерни, мы получим прямую передачу между центральной и внешней шестерней. Зафиксировав водило относительно корпуса коробки, мы получим другое передаточное отношение. Всего от одного планетарного механизма можно добиться до трех прямых и одной обратной передач. Как правило, в автоматической коробке располагается не один, а два или три таких механизма.

Детали планетарной передачи притормаживаются с помощью механизмов, напоминающих традиционные барабанные тормоза и сцепление. Они приводятся в действие гидравликой. Ранние автоматы имели очень простое управление. На выходном валу коробки располагался клапан. Не лишенные чувства юмора американцы назвали его The Governor – «управляющий». Чем быстрее ехала машина и быстрее вращался вал, тем сильнее открывался клапан, повышая давление в гидросистеме и переключая передачи. Режим кик-даун, позволяющий раскрутить мотор до более высоких оборотов, не переключаясь на повышенную передачу (для динамичного разгона или обгона), включался кнопкой, расположенной под педалью газа. Современные автоматы имеют компьютерное управление и даже адаптируются к манере вождения водителя. Компьютер позволяет машине с автоматом даже тормозить двигателем, что невозможно на старых авто.

Роль сцепления на авто с автоматом выполняет гидротрансформатор. Принцип его действия отлично раскрывает схема с двумя турбинами, расположенными друг против друга в корпусе, заполненном вязкой жидкостью. Гидротрансформатору автомат обязан практически всеми своими позитивными и негативными свойствами. К примеру, на машине с АКПП можно стоять с включенной передачей и нажатым тормозом – машина будет работать подобно привязанному катеру с винтом, опущенным в воду. На автомате легко трогаться, в том числе и в гору, да и педалей у таких машин всего две.

Негативная черта автомата – его инертность. Мало того, что на переключение скоростей требуется большое время, так еще и крутящий момент от двигателя передается как будто через гребной винт. Да и передач у автоматических КПП всегда было меньше, чем у механических коробок передач.

Однако старым американским автомобилям эти проблемы были нипочем. Их огромные моторы, пожирающие десятки литров дешевого бензина на сто километров, были настолько эластичны, обладали таким крутящим моментом во всем диапазоне оборотов, что при желании могли бы обойтись вообще без коробки передач. Недаром их называют American muscle!

Долой ступени

Идея бесступенчатой трансмиссии всегда представлялась инженерам как идеальный вариант коробки передач. CVT – continuously variable transmission – позволяет мотору постоянно работать на оборотах максимальной мощности или экономичности, в зависимости от дорожной ситуации. Плавное изменение передаточного отношения позволяет не разрывать связь между двигателем и колесами для уравнивания скоростей валов, не прерывать крутящий момент. Сцепление на машинах с бесступенчатыми вариаторами служит только для обеспечения работы двигателя на остановке.

Идея клиноременного вариатора очень проста. Ведущий и ведомый шкивы состоят из двух конических половинок с углом приблизительно в 20 градусов. Ремень имеет коническое сечение. При сближении половинок активного ведущего шкива ремень как бы выдавливается на больший радиус, при этом ведомый шкив наоборот раздвигается, преодолевая действие пружины, потому что длина ремня ограничена. Таким образом передаточное отношение изменяется.

Клиноременный вариатор уже давно стал стандартом для малокубатурных скутеров. Управление такой «коробкой» на скутерах реализовано очень остроумно. Внутри одной из половинок активного шкива в специальных пазах располагаются круглые грузики. При росте оборотов двигателя грузики под действием центробежной силы расходятся в стороны и толкают половинку шкива ближе ко второй половинке, преодолевая силу пружины. Характеристики скутерного вариатора изменяются путем простой замены грузиков.

Автомобильные вариаторы управляются электроникой. Им доступны все современные функции автоматических трансмиссий, в том числе ручное управление. Но все же распространение клиноременных вариаторов на автомобилях до сих пор затруднено. Это связано с тем, что система с гладким упругим ремнем не способна передать крутящий момент, необходимый для движения тяжелого аппарата. Конструкторы пытаются всеми способами усилить механизм, например изготавливая ремень из металлических элементов в сочетании с упругими. В настоящее время уже можно приобрести даже маленький внедорожник с клиноременным вариатором – Honda H-RV.

Веселая геометрия

Одной из последних разработок японских инженеров при участии компании Nissan стал торовый вариатор. Принцип его работы понятен из схемы. Два конусовидных ролика, ведущий и ведомый, располагаются на одной оси, остриями друг к другу. При взгляде сверху линии их поверхности образуют два полукруга. Конусов касаются тороидальные ролики. На виде сверху они выглядят как хорды вышеупомянутых полуокружностей. Как известно, хорда одной длины может соединять самые разные пары точек окружности. Тороидальные ролики на поворачивающихся кронштейнах могут касаться ведущего конуса в точке большего радиуса, чем ведомого, и наоборот. При этом передаточное отношение изменяется плавно.

Торовые вариаторы способны передавать больший крутящий момент, нежели клиноременные. Они уже воплощены в жизнь на автомобилях Nissan. Разумеется, торовый вариатор не лишен недостатков и проблем клиноременного, так как основан тоже на трении, а не на зацеплении вращающихся частей.

Прощай, коробка!

Преимущества вариаторов над классическими многоступенчатыми коробками очевидно. На практике доказано, что благодаря оптимальному использованию возможностей двигателя и непрерывной передаче крутящего момента автомобили, оснащенные бесступенчатой трансмиссией, набирают скорость быстрее своих аналогов. Кроме того, они более экономичны и комфортабельны. Разве что ездить на таких машинах слегка непривычно: при интенсивном разгоне салон наполняется монотонным гудением двигателя на одной и той же высоте.

Очевидно, что в скором времени вариаторы вытеснят классические коробки… Если только двигатели внутреннего сгорания в свою очередь сами не останутся без работы. Энергетический кризис, заботы об экологии, непредсказуемые колебания цен на нефть, а также разработка новых способов получения, хранения и передачи электроэнергии подталкивают автолюбителей и автопроизводителей к переходу на электродвигатели. А электрическим моторам не нужна коробка – они обеспечивают одинаковый крутящий момент во всем диапазоне оборотов, то есть обладают абсолютной эластичностью.

А пока наслаждайтесь всеми плодами прогресса сразу: новый Lexus RX400h оснащен мощным V6, двумя электромоторами и бесступенчатым вариатором одновременно!

Сергей Апресов, www.popmech.ru