Простое руководство по различным типам автомобильной трансмиссии
"Трансмиссия автомобиля" - служит для передачи крутящего момента от двигателя на дифференциал, который затем передаёт его на колёса. Поскольку двигатель может работать только в ограниченном диапазоне скоростей вращения, трансмиссия также должна обеспечивать увеличение или уменьшение оборотов колёсной пары. Чтобы автомобиль мог трогаться с места, трансмиссия также должна многократно увеличивать крутящий момент при помощи зубчатой передачи. При этом вал двигателя будет вращаться со своей постоянной скоростью, в то время как автомобиль будет двигаться очень медленно.
Иногда трансмиссию также называют «коробкой передач», хотя, как будет показано далее, в современных бесступенчатых трансмиссиях (CVT) зубчатых передач практически нет.
Если трансмиссия включает в себя дифференциал и ведущий мост, она называется "коробкой передач в блоке с ведущим мостом". Такая схема реализована в большинстве автомобилей с передним приводом и во многих спортивных автомобилях, в том числе Corvette.
В этом руководстве будет описан принцип действия каждого типа трансмиссии, начиная с наиболее распространённых.
Обычная автоматическая трансмиссия акпп
На американском рынке обычная автоматическая трансмиссия, или автоматический гидротрансформатор крутящего момента, является наиболее популярным типом коробки передач. Она получила распространение примерно с 1950-х годов, хотя впервые была представлена компанией General Motors в 1930-х годах. Когда количество переднеприводных машин с автоматом существенно выросло, популярность на рынке завоевали CVT благодаря их простоте.
Вместо механической муфты сцепления в ручной трансмиссии, обычная автоматическая система использует для соединения двигателя с коробкой передач жидкость внутри гидротрансформатор крутящего момента. Гидротрансформатор имеет кольцевую форму. В современных моделях автомобилей для большей эффективности он часто включает в себя гидравлически активируемую муфту. На стороне двигателя он крепится болтами к маховику, который вращает рабочее колесо или насос, расположенный под внешней крышкой.
Входной вал трансмиссии соединяется с внутренней турбиной, вращающейся за счёт жидкости, которую приводит в движение рабочее колесо. Статор между ними перенаправляет жидкость таким образом, чтобы усилить мощность гидротрансформатора на низких оборотах за счёт большего количества масла, попадающего на рабочее колесо, которое приводит в движение турбину и, в конечном итоге, коробку передач.
Внутри обычной автоматической трансмиссии находятся так называемые планетарные зубчатые передачи. Три или четыре малых зубчатых колеса движутся "по орбите" вокруг центрального колеса-солнца внутри большого наружного зубчатого колеса. Таким образом, малые шестерни постоянно находятся в зацеплении и вращаются между колесом-солнцем и кольцевой шестерёнкой. С помощью гидравлических клапанов и датчиков скорости/нагрузки внутренние тормоза и муфты ограничивают вращение внешних зубчатых колёс в пределах заданного диапазона, в то время как другие шестерни вращаются с прежней скоростью. В результате изменяется передаточное число механизма. Поскольку зубчатые колёса постоянно находятся в зацеплении, выбор передачи происходит плавно и система не испытывает сильных ударных нагрузок. Это позволяет эффективно использовать её на больших крутящих моментах двигателя.
В современных автомобилях за выбор передачи отвечает компьютер. Он принимает решение на основании данных о скорости движения, положении дроссельной заслонки, частоты вращения двигателя и ряда других факторов. Ранее для определения требуемого передаточного отношения использовались чисто механические средства, но они делали это с меньшей точностью. Компьютерное управление, наряду с увеличением числа ступеней коробки передач с четырёх до восьми скоростей и более, позволило повысить эффективность современных автоматов.
Автоматическая бесступенчатая трансмиссия (CVT)
До недавнего времени автоматическую бесступенчатую трансмиссию или вариатор можно было встретить лишь на снегоходах, мопедах и скутерах. Но технологический прогресс позволил распространить её применение и на легковые автомобили. В самой простой реализации передачи такого типа вместо зубчатых колёс используется ремень или цепь фиксированной длины и два шкива с регулируемым диаметром. Учитывая частоту вращения двигателя, компьютер решает, как изменить размеры шкивов относительно друг друга. Например, когда автомобиль трогается с места, шкив двигателя становиться меньше, чем шкив трансмиссии. Поэтому двигатель, работающий на высоких оборотах, отдаёт больше мощности и максимально большой крутящий момент. Когда же скорость транспортного средства увеличивается, шкив двигателя становится больше, чем шкив трансмиссии, обеспечивая максимальный коэффициент ускорения и экономию топлива.
Теоретически, автомобиль всегда должен работать на оптимальной передаче: как во время движения, так и при разгоне. Тем не менее, водителям, которые привыкли к обычной передаче, после перехода на бесступенчатый вариатор может показаться, что в механизме что-то проскальзывает или передача не переключается. Чтобы устранить этот "недостаток", некоторые автопроизводители вводят в конструкцию трансмиссии искусственные ступени для настроек шкива, чтобы создать ощущение переключения передач.
Модель Subaru Justy, поступившая в продажу в США в 1989 году, была первым современным автомобилем с CVT. Сейчас многие небольшие легковые авто предполагают лишь один вариант автоматической трансмиссии - вариатор. Впрочем, даже в машинах класса люкс (Audi A4) и минивенах (Chrysler Pacifica) он предлагается в качестве опции. Почти все автопроизводители в 21 веке разработали свою версию вариатора для тех или иных модификаций транспортных средств.
Механическая трансмиссия имеет муфту сцепления, которая может отключить двигатель от коробки передач, и рычаг переключения передач, позволяющий выбирать от 3 до 7 скоростей в зависимости от модели трансмиссии.
Муфта сцепления представляет собой простой диск, вдавленный в маховик пружинами. Представьте, что вы держите муфту сцепления в руках так, что одна ладонь находится на стороне трансмиссии, а другая - на стороне двигателя. Если сжать ладони вместе и провернуть одну из них, то вторая также начнёт вращаться. Достаточно прекратить сжимать муфту, и её половины будут вращаться независимо друг от друга. Ладони рук в конструкции сцепления заменяет сэндвич из прижимных пластин, управляемых педалью сцепления. Прижимная пластина прикручена к маховику двигателя (большое металлическое колесо, вращаемое двигателем), а фрикционный диск сцепления находится между ними. Центр фрикционного диска соединён с входным валом трансмиссии. Нажатие на педаль сцепления отводит пружины прижимной пластины, поэтому фрикционный диск может свободно вращаться.
Внутри фактической коробки передач находится несколько зубчатых колёс, которые смещаются назад или вперёд при движении вилки переключения передач, соединённой с рычагом переключения. Каждая передняя передача предполагает зацепление своей пары зубчатых колёс на двух параллельных валах. Один вал является входом трансмиссии, а другой - выходом. При нормальной работе одновременно может быть задействована только одна пара зубчатых колёс. Однако если вилка погнулась или её крепление нарушено, она может застрять между шестернями или между двумя парами колёс одновременно.
Поскольку выходной вал трансмиссии всегда вращается со скоростью движения автомобиля, для плавного переключения передачи частота вращения двигателя должна уменьшаться до требуемых оборотов для повышающих передач или увеличиваться до более высоких оборотов для понижающих передач. Ранее это приходилось делать вручную, полагаясь на водительский опыт. Но с 1960-х годов в трансмиссиях стали использовать синхронизаторы, которые быстро обеспечивают соответствие скоростей передачи во время переключения. Переключаясь на более высокую скорость без согласования оборотов, вы почувствуете биение в передаче или же сопротивление рычага переключению. В лучших моделях спортивных автомобилей механическая трансмиссия сочетается с компьютером, обеспечивая возможность быстрого переключения скоростей.
Автоматизированная механическая трансмиссия (или полуавтомат)
Эта трансмиссия имеет автоматическое сцепление, которое позволяет переключать передачи без нажатия на педаль. В некоторых случаях используется система приводов и компьютеров для управления обычной механической передачей и обеспечения её полностью автоматического переключения. Одним из самых ранних примеров полуавтомата является система «Automatic Stickshift» от компании VW, в которой использовался электрический переключатель, расположенный на самом рычаге переключения передач, для автоматического нажатия сцепления при перемещении рычага. В современных версиях отключение сцепления в нужный момент (при переключении скоростей) обеспечивают датчики, исполнительные механизмы и процессоры, исключая возможность повреждения зубчатых колёс.
В автомобилях BMW SMG, Smart FourTwo и некоторых моделях Maserati и Ferrari традиционная механическая трансмиссия управляется компьютером. Всю работу по переключению передач выполняют электродвигатели и гидравлика. Также имеется автоматическое сцепление. Управление такими машинами не отличается от езды на моделях с обычным автоматом в положении "drive". Хотя некоторые водители жалуются на проблемы с автоматизированной передачей на очень низких скоростях, например, при парковке.
Трансмиссия с двойным сцеплением
Самый популярный в последнее время тип трансмиссии, сочетающий в себе преимущества всех перечисленных ранее типов, это автоматическая механическая трансмиссия с двойным сцеплением. Как следует из названия, она включает в себя две муфты сцепления, каждая из которых передаёт мощность на свой вал внутри передачи. Первое сцепление работает на первой, третьей и пятой скорости, а второе - на второй, четвёртой и шестой передаче. Компьютер управляет как переключением трансмиссии, так и включением сцепления. Система с двумя сцеплениями позволяет заранее выбирать требуемую передачу (на ступень выше, либо на ступень ниже) и включать одно сцепление, отключив в то же время другое. В результате переключение передачи, когда это необходимо, происходит практически мгновенно, без потери мощности или ускорения.
Такие системы сочетают в себе эффективность традиционного ручного управления, простоту использования обычного автомата, высокую скорость переключения для повышения производительности и возможность ручного управления.
Первую успешную версию трансмиссии с двойным сцеплением выпустила компания Volkswagen. Сегодня на рынке присутствуют такие системы от разных производителей под различными торговыми марками, включая S-tronic (Audi), DSG (VW) и PDK (Porsche). Компания Bugatti считает технологию достаточно успешной, чтобы установить её на свой суперкар. Acura, Ford, Fiat, Nissan, BMW, Mercedes, Ferrari и многие другие используют в своих автомобилях систему с двойным сцеплением.
