0

Автоматическая коробка передач.Часть 1 История.

В ЭТОЙ ЧАСТИ БУДЕТ РАССКАЗАНО О АКПП, ВВЕДЕНИЕ И ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДАННОГО МЕХАНИЗМА В ЦЕЛОМ.

Автоматическая коробка перемены передач (АКПП, также автоматическая коробка передач — АКП) — разновидность коробки передач автомобилей, обеспечивающая автоматический (без прямого участия водителя) выбор соответствующего текущим условиям движения передаточного числа, в зависимости от множества факторов.

С чисто-технической точки зрения, «автоматической» является любая разновидность коробки передач, в которой переключение передач осуществляется автоматически, без участия водителя. Однако исторически название «автоматическая коробка передач» закрепилось лишь за одной разновидностью таких коробок передач — гидромеханической планетарной коробкой передач, которая и описывается по преимуществу в данной статье. В последние десятилетия наряду с классическими гидромеханическими АКП предлагаются и различные варианты механических коробок передач с автоматизированным переключением («роботы»), имеющих электронное управлением и электромеханические или электропневматические исполнительные устройства — по указанным выше причинам они выделяются в отдельный класс. Используемая на некоторых автомобилях вариаторная передача разновидностью автоматической коробки передач не является, как и коробкой передач вообще — вариатор осуществляет изменение передаточного числа трансмиссии плавно, без каких либо фиксированных ступеней (передач), и, таким образом, является подвидом бесступенчатой трансмиссии.

Согласно принятой инженерной терминологии, «автоматической коробкой передач» именуется только планетарная часть агрегата, непосредственно осуществляющая переключение передач, которая вместе с гидротрансформатором образует автоматическую передачу. При этом автоматическая коробка передач всегда действует в паре с гидротрансформатором, без которого её нормальная работа невозможна, поэтому в обиходе часто «автоматической коробкой передач» именуют весь трансмиссионный агрегат, включая и гидротрансформатор, что является не вполне точным — гидротрансформатор непосредственно в переключении передач не участвует, а лишь подаёт заданное значение крутящего момента на входной вал автоматической коробки и обеспечивает гашение толчков при переключении передач. Также в отечественной литературе для обозначения данного трансмиссионного агрегата используется термин гидромеханическая передача (ГМП) — например, применительно к автомобилям «Чайка» и автобусам ЛиАЗ; это название отражает не способность к автоматизированному переключение передач, а конструктивную особенность — сочетание гидравлических и механических элементов, и является равнозначным с приведённым выше.

Термины автоматическая коробка перемены передач и автоматическая коробка передач равнозначны, первый в настоящее время является несколько архаичным и практически вытеснен вторым в официальной документации. Словосочетание автоматическая трансмиссия является получившим в последнее время некоторое распространение, главным образом в Интернете, безграмотным заимствованием из английского языка — вне зависимости от принципа работы, автоматическая коробка передач является лишь одним из многих агрегатов трансмиссии транспортного средства.

ИСТОРИЯ

К появлению классической гидромеханической автоматической коробки передач привели три изначально независимые линии разработок, которые были впоследствии объединены в её конструкции.

Наиболее ранней из них можно считать применявшиеся на некоторых конструкциях автомобилей первой четверти XX века, в том числе — Ford T, планетарные механические коробки передач. Хотя и всё ещё требующие от водителя определённого навыка для своевременного и плавного включения в работу соответствующей передачи (например, на двухступенчатой планетарной КП Ford T это осуществлялось при помощи двух ножных педалей, одна переключала низшую и высшую передачу, вторая включала задний ход), они уже позволяли довольно значительно упростить его работу, особенно в сравнении с использовавшимися в те годы коробками передач традиционного типа без синхронизаторов.

Хронологически вторым направлением разработок, приведшим впоследствии к появлению автоматической коробки передач, можно назвать работы по созданию полуавтоматических коробок передач, в которых была автоматизирована часть действий по переключению передач или для переключения передач был применён сервопривод. Например, в середине 1930-х годов американские фирмы Reo и General Motors практически одновременно представили полуавтоматические КП собственной разработки. Наиболее интересна была КП разработки GM: как и появившиеся позднее автоматические коробки передач, она использовала планетарный механизм, работой которого управляла гидравлика в зависимости от скорости автомобиля.

Планетарный механизм был очень удобен для конструкторов автоматических передач в том отношении, что для управления его передаточным числом и направлением вращения выходного вала, осуществляемого за счёт торможения отдельных частей планетарной передачи, могли быть использованы сравнительно небольшие, и притом постоянные, усилия, с задействованием в качестве исполнительных механизмов фрикционов и ленточных тормозов, управление которыми при помощи сервоприводов в те годы не вызывало особых затруднений, так как уже было хорошо отработано, к примеру, на танках, где фрикционы использовались для разворота. В противоположность этому, автоматизация «классической» механической коробки передач, при всей логичности такого решения, в те годы встречала целый ряд существенных затруднений, в первую очередь связанных именно с отсутствием подходящих для используемого в ней принципа переключения передач сервоприводов: для перемещения шестерён или муфт включения и введения их в зацепление друг с другом требовались надёжные и быстродействующие исполнительные механизмы, обеспечивающие достаточно большие усилия и рабочие ходы — намного большие, чем требуемые для сжатия блока фрикционов или затягивания ленточного тормоза. Удовлетворительное решение эта задача получила лишь ближе к середине 50-х годов XX века, а пригодное для массовых моделей — только в последние десятилетия (см. ниже).

Между тем, эти ранние разработки были недостаточно надёжны, а главное — всё ещё использовали сцепление для временного разобщения двигателя и трансмиссии при переключении передач.

Электромеханическая коробка передач «Коталь».

Особое место среди предшественников автоматических коробок передач занимает электромеханическая планетарная коробка передач «Коталь», устанавливавшаяся на некоторых дорогих европейских автомобилях 1930-х годов, например марки Delage. В ней имелось три планетарных механизма — два для четырёх передач переднего хода и третий для задней передачи и нейтрали. Управление осуществлялось электрическим приводом с электромагнитными дисками в качестве исполнительного механизма, при переключении передач по-прежнему происходило разобщение двигателя с трансмиссией. Выбор передач осуществлялся водителем вручную при помощи небольшого рычажка, установленного на рулевой колонке или ступице рулевого колеса. Эта коробка была дорога, не отличалась надёжностью и даже могла вызвать возгорание из-за перегрева, кроме того — в то время, до появления микрокомпьютеров, автоматизация переключения передач гидравликой могла быть реализована намного проще, чем электрическим приводом, поэтому дальнейшего развития это направление не получило.

Рычаг переключения передач преселекторной коробки системы Уильсона, один из прототипов классического селектора-квадранта будущих автоматических коробок передач.

В планетарной коробке передач типа «Уильсон», устанавливавшейся на малолитражки английской фирмы BSA, для торможения элементов планетарного механизма были применены ленточные тормоза. Переключение передач осуществлялось подрулевым рычажком. Коробка Уильсона была преселекторной, то есть, водитель мог заранее выбрать нужную передачу, которая включалась только после нажатия на педаль переключения передачи (располагавшуюся обычно на месте педали сцепления) — без необходимости точно координировать действия рычагом и педалью, что упрощало вождение и ускоряло переключения, особенно по сравнению с тогдашними несинхронизированными механическими коробками передач.

Схожим образом действовала преселекторная коробка передач системы Де Норманвилля, отличавшаяся использованием гидропривода для управления тормозами, что позволило исключить педаль переключения передачи — передача включалась автоматически в момент её выбора.

Фирма «Майбах» пошла по иному пути: в её коробке передач была применена система вакуумных сервоприводов с поршнями, управляемыми золотниками, которые перемещали отвечающие за переключение передач кулачковые муфты. По сути это была кулачковая механическая коробка передач с сервоприводом. Похожим образом работала и коробка передач фирмы Bendix, устанавливавшаяся на автомобилях Hudson, но в ней для управления вакуумной системой использовался электромеханический привод.

В целом, все частично автоматизированные коробки передач первого поколения отличались сложностью и низкой надёжностью, которые едва ли окупало некоторое повышение комфорта вождения. Их распространение в основном пришлось на эпоху несинхронизированных механических коробок передач, управление автомобилем с которыми было достаточно тяжёлым трудом, требующим от водителя существенного навыка. После появления синхронизаторов они практически перестали применяться, так как обычная синхронизированная коробка передач позволяла переключать передачи со вполне сравнимым удобством при намного меньшей сложности и дороговизне, а в случае использовании автоматического привода сцепления, вроде системы Saxomat, становилась в этом отношении полностью аналогична им. Тем не менее, многие из применённых в них конструктивных решений были очень интересны с чисто-технической точки зрения и впоследствии получили развитие.

Третьей линией разработок было внедрение в трансмиссию гидравлического элемента, смягчающего толчки при переключении передач, что в те годы, при сравнительно примитивной управляющей автоматике, не способной гибко приспосабливаться к различным условиям движения, было необходимым условием создания успешной автоматической передачи.

Здесь примером могут служить коробки передач корпорации Chrysler. Первые разработки относились к 1930-м годам, но массовое распространение гидромеханические передачи получила на автомобилях этой фирмы уже в последние предвоенные и послевоенные годы (то есть, уже после появления самых первых автоматических гидромеханических передач). Помимо введения в конструкцию гидромуфты (позднее заменённой гидротрансформатором), она отличалась тем, что параллельно с двухступенчатой обычной механической коробкой передач в ней работал автоматически включающийся овердрайв (повышающая передача с передаточным числом меньше единицы). Таким образом, хотя с технической точки зрения это была механическая коробка передач с гидравлическим элементом и овердрайвом, производителем она заявлялась как полуавтоматическая.

Она несла обозначение М4 (на довоенных моделях, коммерческие обозначения — Vacamatic или Simplimatic) и M6 (с 1946 года, коммерческие обозначения — Presto-Matic, Fluidmatic, Tip-Toee Shift, Gyro-Matic и Gyro-Torque) и изначально представляла собой комбинацию трёх агрегатов — гидромуфты, традиционной механической коробки передач с двумя ступенями переднего хода, и автоматически (на М4 вакуумным, на М6 электрическим приводом) включающегося овердрайва (повышающей передачи).

Каждый блок этой коробки передач имел своё назначение:

Гидромуфта делала трогание автомобиля с места плавнее, позволяла «бросать сцепление» и останавливаться, не выключая передачи или сцепления. Позднее она была заменена гидротрансформатором, который увеличивал крутящий момент и значительно улучшал динамику автомобиля по сравнению с гидромуфтой, с характерными для неё большими потерями энергии из-за пробуксовки насосного и турбинного колёс.
Механическая коробка передач служила для выбора рабочего диапазона КП в целом. Существовало три рабочих диапазона — нижний (англ. Low), верхний (англ. High) и заднего хода (англ. Reverse).
Овердрайв автоматически включался в работу при превышении автомобилем определённой скорости, таким образом, переключая передачи внутри текущего диапазона; в каждом диапазоне было две передачи, итого давая 4 передачи переднего хода: I — Low, II — Low-Overdrive, III — High, IV — High-Overdrive.
Переключение диапазонов работы производилось обычным рычагом, расположенным на рулевой колонке. Поздние варианты переключателя имитировали характерный для настоящих АКП указатель-квадрант диапазона над рычагом — хотя сам процесс выбора передач не претерпел изменений. Педаль сцепления имелась, но использовалась только для выбора диапазона и была окрашена в красный цвет.

Трогаться в обычных дорожных условиях рекомендовалось в диапазоне High, то есть, на второй передаче двухступенчатой МКПП и третьей передаче трансмиссии в целом — крутящий момент многолитровых шести- и восьмицилиндровых двигателей Chrysler это вполне позволял. На подъёме и при движении по грязи необходимо было начинать движение с диапазона Low, то есть, с первой передачи. После превышения определённой скорости (варьировалась в зависимости от конкретной модели) и окончания интенсивного разгона, что определялось по отпусканию водителем педали акселератора, происходило автоматическое переключение на вторую передачу за счёт включения овердрайва (сама МКПП оставалась при этом на первой передаче). При необходимости водитель переключался на верхний диапазон, при этом включалась в большинстве случаев сразу четвёртая передача (так как овердрайв уже был включён для получения второй передачи). Перебрать все имеющиеся четыре передачи подряд при практическом вождении было почти невозможно, хотя трансмиссия формально считалась четырёхступенчатой. Для этого было нужно начать движение в режиме Low, затем отпустить педаль акселератора для переключения на Low-Overdrive, после чего при переключении в диапазон High выжать педаль акселератора до отказа («кикдаун»), что отключало овердрайв, в результате чего трансмиссия оказывалась на третьей скорости — High, а не сразу на High-Overdrive.

Диапазон задних передач также включал две передачи и включался, как обычно, после полной остановки автомобиля с выжатым сцеплением.

Таким образом, с точки зрения водителя езда на автомобиле с такой коробкой передач очень напоминала езду на машине с двухступенчатой АКПП, с той разницей, что переключение между диапазонами L и H происходило с нажатием сцепления.

Коробка передач данного типа ставились с завода или были доступна как опция на автомобилях всех подразделений корпорации Chrysler 1940-х — начала 1950-х годов. После появления настоящей автоматической двухступенчатой коробки передач PowerFlite, а позднее — и трёхступенчатой TorqueFlite, полуавтоматические КП семейства Fluid-Drive были сняты с производства. Последним годом их установки стал 1954, в этом году они были доступны на самой дешёвой марке корпорации — Plymouth. Фактически они стали переходным звеном от МКПП к гидродинамическим автоматическим передачам и служили для «обкатки» технических решений, позднее использовавшихся на них.

Однако первую в мире полностью автоматическую коробку передач создала другая американская фирма — General Motors. В 1940 модельном году таковая стала доступна в виде опции на автомобилях марки Oldsmobile, затем Cadillac, впоследствии — Pontiac. Она несла коммерческое обозначение Hydra-Matic и представляла собой комбинацию гидромуфты и четырёхступенчатой планетарной коробки передач с автоматическим гидравлическим управлением. Система управления учитывала такие факторы, как скорость автомобиля и положение дроссельной заслонки. Hydra-Matic использовалась не только на автомобилях всех подразделений GM, но и на автомобилях таких марок, как Bentley, Hudson, Kaiser, Nash и Rolls-Royce, а также некоторых моделях военной техники. С 1950 по 1954 год автомобили Lincoln также снабжались АКПП Hydra-Matic. Впоследствии немецкий производитель Mercedes-Benz разработал на её основе весьма похожую по принципу работы четырёхступенчатую АКПП, хотя и имеющую значительные конструктивные отличия.

В 1956 году GM представила усовершенствованную АКПП Jetaway, которая отличалась использованием двух гидромуфт вместо одной у Hydra-Matic. Это позволило сделать переключения передач значительно более плавными, но привело к большому снижению КПД. Кроме того, на ней появился режим парковки (положение селектора «P»), в котором трансмиссия блокировалась специальным стопором. На Hydra-Matic блокировку включал режим заднего хода «R».

C 1948 модельного года на автомобилях Buick (марка, принадлежащая GM) стала доступна двухступенчатая АКПП Dynaflow, отличавшаяся использованием гидротрансформатора вместо гидромуфты. Впоследствии появились подобные КП на автомобилях марок Packard (1949) и Chevrolet (1950). По замыслу их создателей, наличие гидротрансформатора, имеющего свойство повышать крутящий момент, компенсировало недостаток третьей передачи.

Уже в начале 1950-х годов появляются трёхступенчатые АКПП с гидротрансформатором разработки фирмы Borg-Warner (правда, первая передача у них использовалась только в режиме Low, при обычном вождении трогание происходило на второй передаче). Они и их производные использовались на автомобилях фирм American Motors, Ford, Studebaker и других, как в США, так и за их пределами, например International Harvester, Volvo и Jaguar. Многие из заложенных в её конструкцию идей были также использованы в СССР при проектировании автоматических гидромеханических передач Горьковского автозавода, устанавливавшихся на автомобилях «Волга» и «Чайка», и западногерманской фирмой ZF при проектировании её первой АКПП 3HP-12.

В 1953 году свою двухступенчатую АКПП PowerFlite представил и Chrysler. С 1956 года в дополнение к ней стала доступна трёхступенчатая TorqueFlite. Из всех ранних разработок, модели фирмы Chrysler нередко называют наиболее удачными и совершенными.

В середине 1960-х годов окончательно утвердилась и (в США) была законодательно зафиксирована современная схема переключения диапазонов АКПП — P-R-N-D-L. В прошлое ушли кнопочные переключатели диапазонов и старые модели без парковочной блокировки.

К концу 1960-х годов ранние образцы двух- и четырёхступенчатых АКПП в США уже практически повсеместно вышли из употребления, уступая место трёхступенчатым с гидротрансформатором. Совершенствовались и используемые эксплуатационные жидкости — например, с конца 1960-х годов из её состава была исключена дефицитная китовая ворвань, заменённая синтетическими материалами.

В 1980-е годы повышение требований к экономичности автомобилей привело к возвращение четырёхступенчатых АКПП, четвёртая передача в которых имела передаточное число меньше единицы («овердрайв»). Кроме того, получают распространение блокирующиеся на большой скорости гидротрансформаторы, позволяющие ощутимо повысить КПД трансмиссии за счёт снижения потерь, возникающих в её гидравлическом элементе.

В конце 1980—1990-е годы происходит компьютеризация систем управления двигателем. Эти же системы, либо аналогичные им, стали применяться и для управления переключением передач. Если прежние системы управления использовали лишь гидравлику и механические клапаны, то теперь потоками жидкости управляют соленоиды, контролируемые компьютером. Это позволило как сделать переключения более плавными и комфортными, так и улучшить экономичность за счёт повышения эффективности работы трансмиссии. Кроме того, на некоторых автомобилях появляются «спортивные» режимы работы АКПП, или возможность вручную управлять коробкой передач («Типтроник» и аналогичные системы). Появляются первые пятиступенчатые АКПП. Совершенствование расходных материалов позволяет на многих АКПП устранить процедуру замены масла в процессе эксплуатации автомобиля, так как ресурс залитого в её картер на заводе масла стал сравним с ресурсом самой коробки передач.

В 2002 году на BMW седьмой серии появляется шестиступенчатая АКПП разработки ZF (ZF 6HP26). В 2003 году Mercedes-Benz создаёт первую семиступенчатую АКПП 7G-Tronic. В 2007 году Toyota представила Lexus LS460 с восьмиступенчатой трансмиссией. В 2013 году Land Rover объявил о скором появлении на своих автомобилях 9-ступенчатой автоматической коробки передач, разработанной компанией ZF, первой ее получит в 2014 году обновленная модель Evoque.

Продолжение следует…

пожаловаться
Другие статьи автора
Комментарии
Самые активные
наверх