Коробка передач

Самая деликатная часть трансмиссии современного легкового автомобиля уйдет в историю раньше бензинового двигателя внутреннего сгорания.
Первая семиступенчатая автоматическая коробка передач с гидротрансформатором созданна в конструкторском бюро Mercedes-Benz. Выглядит устрашающе, зато обеспечивает плавность хода и экономит топливо. Фото: DaimlerChrysler
Первая семиступенчатая автоматическая коробка передач с гидротрансформатором созданна в конструкторском бюро Mercedes-Benz. Выглядит устрашающе, зато обеспечивает плавность хода и экономит топливо. Фото: DaimlerChrysler
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. 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 крохотный диапазон, 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!

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.

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.

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

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

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

«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.

Поскольку вариаторы располагают бесконечным числом передач, они позволяют двигателю работать на наиболее выгодных режимах — нужна ли нам (на светофорных гонках) максимальная мощность, или, напротив, плавность и наименьший расход топлива (при спокойной езде). Потому модели с вариаторами отличает, при прочих равных, высокая экономичность, сочетающаяся с не менее приличной динамикой.
Поскольку вариаторы располагают бесконечным числом передач, они позволяют двигателю работать на наиболее выгодных режимах — нужна ли нам (на светофорных гонках) максимальная мощность, или, напротив, плавность и наименьший расход топлива (при спокойной езде). Потому модели с вариаторами отличает, при прочих равных, высокая экономичность, сочетающаяся с не менее приличной динамикой.
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.

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.

Кроме того...
Первый книжный сканер
Американская компания Atiz сообщила о начале производства нового необычного продукта — сканера, предназначенного специально для оцифровывания книг...
ТОП-10 идиотских преступлений
Забавные случаи происходят, когда обделённые умом люди совершают преступления.....
Тараканы набираются ума на закате
В разное время суток эффективность обучения животных неодинакова. Даже тараканов...
  • Текущие обсуждения статей
Бионическая рука-протез
Телепортация - фантастика или реальность?
Ученые вывели формулу удачи
Смех не лечит раковых больных
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Нью-Йорк и Лос-Анджелес уйдут под воду к 2015-му году
Посмотреть весь форум

  • поиск статей на сайте
Введите фразу, слово или часть слова
Темы этого номера
Создана система вывода данных за пределы наладонника
Создана система вывода данных за пределы наладонника Создана система вывода данных за пределы наладонника
Профессор Дэн Ольсен (Dan Olsen) и его коллеги из университета Бригема Янга (Brigham Young University) создали интерактивную систему работы с данными на карманном компьютере
Разработан логический вентиль для теплового компьютера
Разработан логический вентиль для теплового компьютера Разработан логический вентиль для теплового компьютера
Ученые создали логические вентили для теплового компьютера. Вентили – основные элементы логической обработки данных – состоят из термических транзисторов
Ученые используют теорию игр для предсказания будущего
Ученые используют теорию игр для предсказания будущего Ученые используют теорию игр для предсказания будущего
Американский ученый Брюс Буэно де Мескита из Нью-Йоркского университета разработал компьютерную модель на основе теории игр, которая позволяет с высокой точностью предсказывать будущее
Новая технология определения подлинности отпечатка пальца
Новая технология определения подлинности отпечатка пальца Новая технология определения подлинности отпечатка пальца
Природа личности перестала быть исключительно сферой интересов философов и психологов. Теперь, с появлением новейших цифровых технологий, личность приобретает более конкретные характеристики, включая пароли
Безопасный радиоактивный брелок
Безопасный радиоактивный брелок Безопасный радиоактивный брелок
Не можете найти замочную скважину в темноте? Воспользуйтесь радиацией. Маленькие трубочки-брелоки, светящиеся без всяких батареек 10-12 лет, помогут вам. Радиоактивный брелок, да ещё в кармане
Создано концептуальное рабочее место в форме ракушки
Создано концептуальное рабочее место в форме ракушки Создано концептуальное рабочее место в форме ракушки
Эта так называемая «офисная система» под названием Eclipse является разработкой дизайнера Маркуса Каррена и представляет собой офисное рабочее место будущего
Honda представила потребительский водородный автомобиль
Honda представила потребительский водородный автомобиль Honda представила потребительский водородный автомобиль
Японская компания Honda представила свой первый водородный автомобиль, выпущенный не в форме концепт-кара, а в виде модели, которая пойдет на рынок конечных покупателей. Формально новый Honda Civic FCX представлен вчера
В Корее построят тематические парки роботов
В Корее построят тематические парки роботов В Корее построят тематические парки роботов
Южной Корее будут построены два тематических парка роботов, первых в своем роде. Руководить парками будет Министерство коммерции, индустрии и энергии Кореи
Комета размером с солнце
Комета размером с солнце Комета размером с солнце
Астрономы всего мира, отмечают, что комета, которая до сих пор считалась довольно обычным космическим объектом после неожиданного извержения стала по своим размерам больше Солнца
Катастрофа за Марсом породила убийц динозавров
Катастрофа за Марсом породила убийц динозавров Катастрофа за Марсом породила убийц динозавров
Новая версия гибели динозавров заставляет по-новому взглянуть на роль главного пояса астероидов в истории. Глобальная катастрофа на Земле, приведшая к массовому вымиранию видов 65 миллионов лет назад
Жизнь на Марсе. Репетиция.
Жизнь на Марсе. Репетиция. Жизнь на Марсе. Репетиция.
Вполне возможно пилотируемая экспедиция на Марс никогда не осуществится, и для исследования красной планеты будет достаточно беспилотных аппаратов
NASA на Сатурне. Часть вторая: сюрпризы колец
NASA на Сатурне. Часть вторая: сюрпризы колец NASA на Сатурне. Часть вторая: сюрпризы колец
"В течение многих лет мы мечтали о получении таких снимков, как эти. После долгого планирования, ожидания и волнения только наблюдение этих первых изображений делает всё это стоящим"
Пластиковые бутылки для детского питания опасны
Пластиковые бутылки для детского питания опасны Пластиковые бутылки для детского питания опасны
Пластиковые бутылки для детского питания могут быть опасны и повлиять на репродуктивную функцию тех детей, которые питаются с их помощью
Пессимистов будут лечить от апноэ
Пессимистов будут лечить от апноэ Пессимистов будут лечить от апноэ
Пациенты, которые лечатся от синдрома обструктивного апноэ сна, нередко излечиваются и от депрессии, обнаружили американские ученые, чью статью в журнале «Journal of Clinical Sleep Medicine», посвященного проблемам сна
Пиво полезно после занятий спортом
Пиво полезно после занятий спортом Пиво полезно после занятий спортом
Ученые утверждают, что употребление пива после игры в футбол, долгой пробежки или напряженного раунда гольфа может быть полезно для организма
Люди могут следить за восьмью движущимися объектами одновременно
Люди могут следить за восьмью движущимися объектами одновременно Люди могут следить за восьмью движущимися объектами одновременно
Американские исследователи выяснили, что люди способны отслеживать одновременно движение вдвое большего количества объектов, чем считалось ранее
Японские ученые вывели мышей, которые не боятся кошек
Японские ученые вывели мышей, которые не боятся кошек Японские ученые вывели мышей, которые не боятся кошек
Японские генетики вывели мышей, которые не боятся запаха кошки и не интересуются запахом вкусной пищи. При этом мыши сохраняют способность чувствовать запахи и могут обучиться на них реагировать
Общественный образ жизни повышает стабильность системы «хищник–жертва»
Общественный образ жизни повышает стабильность системы «хищник–жертва» Общественный образ жизни повышает стабильность системы «хищник–жертва»
Экологи из США и Канады показали, что групповой образ жизни хищников и их жертв радикально меняет поведение системы «хищник–жертва» и придает ей повышенную устойчивость
Две основные причины гибели динозавров
Две основные причины гибели динозавров Две основные причины гибели динозавров
В существовании динозавров сомневаться не приходится. Но по-прежнему остается загадкой, что же их убило. Основной теорией много лет оставалась теория огромного метеорита, упавшего на землю в меловой период. Но
Побит рекорд Пизанской башни
Побит рекорд Пизанской башни Побит рекорд Пизанской башни
Колокольня одной из немецких церквей побила рекорд Пизанской башни и даже была внесена в Книгу рекордов Гиннесса как самое наклонное здание в мире
Коробка передач
Коробка передач Коробка передач
Самая деликатная часть трансмиссии современного легкового автомобиля уйдет в историю раньше бензинового двигателя внутреннего сгорания
Витамин С. Как его понимать?
Витамин С. Как его понимать? Витамин С. Как его понимать?
Как самостоятельное, причем массовое и смертельное заболевание, цинга (скорбут) была подробно описана в Средние века. Она наваливалась на людей как бич божий во время длительных морских походов

 
  • Главные темы / архив
№082текущий номер Технологии
Биоклиматическое здание
    

    

    

    

    

 
  • Человек
  • Планета Земля
  • История изобретений
  • Коробка передачКоробка передач
    Самая деликатная часть трансмиссии современного легкового автомобиля уйдет в историю раньше бензинового двигателя внутреннего сгорания
  • Чёрный ящик
  • Витамин С. Как его понимать?Витамин С. Как его понимать?
    Как самостоятельное, причем массовое и смертельное заболевание, цинга (скорбут) была подробно описана в Средние века. Она наваливалась на людей как бич божий во время длительных морских походов
  • Воля случая
  • Технологии
  • Техника
  • Космос
  • NASA на Сатурне. Часть вторая: сюрпризы колецNASA на Сатурне. Часть вторая: сюрпризы колец
    "В течение многих лет мы мечтали о получении таких снимков, как эти. После долгого планирования, ожидания и волнения только наблюдение этих первых изображений делает всё это стоящим"
  • Комета размером с солнцеКомета размером с солнце
    Астрономы всего мира, отмечают, что комета, которая до сих пор считалась довольно обычным космическим объектом после неожиданного извержения стала по своим размерам больше Солнца
  • Катастрофа за Марсом породила убийц динозавровКатастрофа за Марсом породила убийц динозавров
    Новая версия гибели динозавров заставляет по-новому взглянуть на роль главного пояса астероидов в истории. Глобальная катастрофа на Земле, приведшая к массовому вымиранию видов 65 миллионов лет назад
  • Жизнь на Марсе. Репетиция.Жизнь на Марсе. Репетиция.
    Вполне возможно пилотируемая экспедиция на Марс никогда не осуществится, и для исследования красной планеты будет достаточно беспилотных аппаратов
064
  • История изобретений