Тест драйв Історія автомобільних трансмісій – Частина 3

У цій останній частині ви знайдете різні типи сучасних рішень в цій області.

Сьогодні світ коробок передач більш різноманітний, ніж будь-коли, і автомобільні компанії та постачальники пов'язані складними відносинами та угодами, що ведуть до створення надзвичайно високотехнологічних продуктів – від невеликих CVT трансмісій до дев'ятиступінчастих автоматичних трансмісій.

У 50-х роках все, здавалося, набуло кришталево ясної картини: для американців автоматична коробка передач тепер має першорядне значення, а для європейців ручна коробка передач залишається пріоритетом. Однак те саме твердження можна застосувати і до 70-х років – ми не повинні забувати, що справжня «моторизація» Європи (Західної) почалася саме тоді, тому що 80-ті роки – це ще роки для відновлення з руїн війни. Історія показує, що в 2000-ті картина не сильно відрізнялася, хоча в Європі де-не-де стала з'являтися автоматика в більш розкішних автомобілях. Лише у 90-х роках поява електронного уряду почала змінювати ситуацію на користь автоматичних коробок передач та Старого континенту. Але навіть у 80 році, коли частка автоматизації в нових автомобілях у США досягла 15, а в Японії – 4%, таке рішення обрали лише 5% європейців. Звичайно, не можна недооцінювати в даному випадку психологічну складову і цілеспрямоване бажання останніх перемикати передачі самостійно. У той час вони все ще були переважно 2002 і 6 передачами - тільки в 8 році ZF представила перше покоління своєї шестиступінчастої трансмісії 8HP, щоб збільшити їх кількість до XNUMX, через сім років в ZF XNUMXHP. Останнє стає справжньою революцією не лише з кількістю передач, а й з ідеальним комфортом роботи, що завдяки інженерам компанії BMW та їх точній інтеграції до сьомої серії доведено до досконалості.

Це справді період неймовірних змін, тому що в той час ZF продовжувала постачати 4HP для Peugeot 407 і 5HP для VW та Skoda. Фактично, за 13 років частка автоматичних трансмісій у всьому світі стрімко зросла та досягла 46 відсотків у 2014 році. Незважаючи на збільшення кількості шестерень, розмір та вага зменшуються, і тут вже є щось для всіх. Навіть маленькі машини подобаються Honda Jazz також отримає коробки з подвійним зчепленням. Mercedes та ZF представляють послідовно дев'ять ступінчастих агрегатів. Активна спільна розробка GM та Ford, які вперто працюють над проектом на десять-ступінчасту автоматичну коробку передач, щоб протистояти в Америці Chrysler, який тим часом випускає ліцензійну версію ZF 8HP. У той час як еволюція механічних коробок передач рухається у бік покращення передач, спрощення та підвищення точності перемикання передач, доведення деяких автомобілів до такої досконалості, що позбавлення їх було б блюзнірством, автоматика тепер має величезний вибір опцій. З усіх автомобілів з автоматичними коробками передач, проданих у 2014 році, 49 відсотків – це класичні автоматичні трансмісії з 6 та більше передач, і лише 15 відсотків мають менше 6 передач. Трансмісії CVT становлять 20 відсотків, трансмісії з подвійним зчепленням – 9 відсотків, а автоматизовані механічні трансмісії – всього 3 відсотки, як і трансмісії гібридних та електричних транспортних засобів. За цими цифрами ховається деяка строга специфіка: основна частка трансмісій DSG, наприклад, знаходиться на ринку в Європі, класичні – у Європі та США, а висока частка трансмісій CVT припадає на Японію. У той же час нові агрегати ні в якому разі не важчі і не більші за своїх попередників - якщо 5-ступінчаста автоматична коробка передач Mercedes 2004 вимагає чотирьох планетарних передач і семи пристроїв блокування, то завдяки інтелектуальній архітектурі новий 9G-Tronic є він також керує чотирма планетарними механізмами, але з шістьма зчепленнями як фіксуючі елементи. Зрозуміло одне – дуже скоро навіть бренди середнього рівня підуть за виробниками предметів розкоші і тепер перейдуть на трансмісії з великою кількістю передач – гарним прикладом цього є той факт, що Opel знаходиться на завершальній стадії розробки восьмиступінчастої автоматичної коробки передач. Ідея автомобіля з автоматичною коробкою передач, яка змушує двигун неприємно прискорюватись і створює дивне синтетичне відчуття, тепер повністю увійшла до анналів історії.

Альянси і угоди

Однак Mercedes – скоріше один із винятків як виробник автомобілів, який розробляє та виробляє власні трансмісії. На нього схожі Mazda, PSA та Hyundai/Kia, але на практиці більшість виробників автомобілів значною мірою пов'язані складними відносинами та спільними підприємствами як один з одним, так і з такими постачальниками коробок передач, як ZF та Aisin. З 8-ступінчастим автоматом ZF у різних варіантах, наприклад, моделі оснащені Audi, BMW та Rolls-Royce. За ліцензійною угодою Chrysler виробляє таку ж трансмісію для моделей Ухилення, Крайслер, Jeep, але і для Maserati і Fiat. GM виробляє восьмиступінчасту Hydra-Matic для самого Corvette, але спільно з Aisin розробила восьмиступінчасту коробку передач для Cadillac, а десять років тому поставила автоматичні коробки для BMW. У той же час американський гігант працює з Ford над створенням десятиступінчастої коробки передач, а його європейський підрозділ Opel розробляє власну восьмиступінчасту коробку передач. Hyundai/Kia також розробили власну восьмиступінчасту коробку передач. Компанія Getrag, яка тим часом набула великого досвіду у виробництві коробок передач з подвійним зчепленням, пропонує свої агрегати як для компактних моделей Ford, так і для Renault, а також для M-версій BMW, і два зчеплення для них у більшості випадків постачає LUK. Знаменита трансмісія DSG від VW та Audi була сконструйована за допомогою BorgWarner, а трансмісія для Veyron була розроблена Рікардо. Коробка передач з двома зчепленнями та сімома включеними передачами. Porsche PDK – це робота… ZF, BorgWarner та Aichi Machine Industry, які спільно розробляють та виробляють трансмісію для Nissan GT-R.

Конкурс класичної автоматики

У попередній частині ми докладно розповіли вам про створення і розвиток класичних автоматичних трансмісій. Ми додамо, що в більш ранніх версіях гідравлічна система під тиском, що активує блокують елементи (див. Нижче), управляється механічно на основі вакууму в колекторах і за допомогою відцентрового регулятора. Пізніше все засновано на електроніці і параметрах, пов'язаних з управлінням двигуном. Важливо відзначити, що нові синтетичні масла також вносять значний вклад в точну роботу сучасних трансмісій. Однак стрімкий розвиток класичних автоматичних трансмісій в останні роки допомогло їм стати сьогодні неперевершеними з точки зору комфорту перемикання передач з винятковою плавністю і високою швидкістю, і поки вони є лідерами за кількістю передач (вже 9). Швидке відключення гідротрансформатора робить їх більш ефективними, і з ними не переривається тяга, що наближає їх до DSG, час перемикання стає все коротшими і коротшими, а за допомогою акумуляторів тиску інтеграція системи старт-стоп не виконується. питання. Цікаво відзначити, що в той час як в автобусах використовуються в основному класичні автоматичні трансмісії, пріоритетом для великих вантажівок є механічна трансмісія з автоматичним пневматичним перемиканням передач.

Автоматичні коробки передач

Всього десять років тому їхнє майбутнє виглядало багатообіцяючим… Після того, як вони прийшли в автоспорт у 80-х і перейшли на високошвидкісні секвентальні коробки передач, тепер вони все рідше зустрічаються у серійних автомобілях, поступаючись місцем двоступінчастим коробкам передач. зчеплення. Варіанти механічних трансмісій із пневматичним та гідравлічним перемиканням залишаються пріоритетними для вантажних автомобілів, а секвентальні – для гоночних автомобілів. Останнє є досить парадоксальним фактом та аргументується FIA бажанням скоротити витрати. Дійшло до того, що незабаром усі автомобілі Формули 1, ймовірно, отримуватимуть коробки передач від одного й того ж постачальника. Крім того, вони обмежені і за матеріалами, і за кількістю передач, і за шириною передач досить дивне рішення на тлі впровадження нових турбомоторів.

По суті все почалося як революція в екстремальному інкубаторі Формули-1, а її концептуальним генератором став головний дизайнер Ferrari в середині 80-х Джон Барнард. Його глибока ідея на практиці полягає не в тому, щоб знайти новий спосіб перемикання, а в тому, щоб усунути складні та важкі механізми у кабіні автомобіля. Оскільки на той момент вже існувала технологічна основа у вигляді електрогідравлічних пристроїв (як елемент активної підвіски автомобілів) він вирішив, що можна використовувати для цієї мети такий активатор. Справа навіть не в тому, щоб спочатку прибрати педаль зчеплення. Перші прототипи включали пристрої для перемикання кожної передачі і це рішення дозволило перенести важелі рульового колеса. Тільки тоді прийшла ідея відпустити педаль зчеплення та синхронно її відкрити за допомогою електронного мозку, що управляє. Ця архітектура та вдосконалення мікропроцесорів, а також введення дросельних заслінок з електронним керуванням дозволяють досягти повністю автоматичного перемикання передач. Чи не буде це останній цвях у труну класичної АКПП - у дев'яності роки таких голосів стало чути все більше і більше. Більш того, автоматична трансмісія стрімко вдосконалюється, переходячи до абсолютно нової архітектури з упорядкованою (послідовною) конструкцією, в якій важелі систем перемикання розміщені в каналах або йдуть за рельєфами барабана, що обертається.

Класичний автомат тепер з ручним перемиканням

Але в той же час, коли напівавтоматичні трансмісії на основі механічних трансмісій зробили свої перші кроки у великому спорті, Porsche вирішив проблему, створивши класичну автоматичну трансмісію з можливістю перемикання за допомогою важелів на рульовому колесі. Звичайно, трансмісія належить ZF, яка разом із Bosch відіграє провідну роль у проекті (Porsche створює основну ідею та очолює проект, ZF розробляє обладнання, а Bosch – керівництво). Реалізація проекту демонструється у вигляді додаткового обладнання для 911 та 968, а пізніше Audi та Mitsubishi купити ліцензії на проект. Назва цієї коробки передач типтронік походить від німецького слова tippen (штовхати) через можливість перемикання шляхом натискання та витягування важеля. Коробка передач цього типу має функцію зміни свого режиму залежно від стилю водіння.

Тим часом творіння Джона Барнарда займає гідне місце в автомобілях – звичайно, для тих, у кого спортивний дух або принаймні з претензіями на нього – таких як Ferrari F360 Modena і набагато скромніша Alfa 147 Selespeed з послідовною трансмісією (на основі стандартної п'ятиступінчастої коробки передач з доданою механізм перемикання і мозок Магнетті-Мареллі Але, як ми вже згадували, народження трансмісії з подвійним зчепленням, здавалося, підпалило амбіції автоматичних трансмісій у світі великогабаритних автомобілів, і останні звернулися до більш скромних моделей і можливості дешевої автоматизації існуючих трансмісій (таких як Opel Easytronic), тим часом отримав своє нове, третє видання). Це реалізовано більш простими засобами, ніж послідовна архітектура – ​​для цього використовується додатковий блок керування, який досить компактний. Тим не менш, рішення давньої мрії конструкторів про синхронізоване автоматичне перемикання та роз'єднання залишається лише утопією – на практиці цього ніколи не відбувається, і всі трансмісії цього типу страждають від відсутності гармонійного перемикання з однієї передачі на іншу. . Виробники спортивних автомобілів зосередили свою увагу на трансмісія з подвійним зчепленням (DCT або DSG). Типовим прикладом у цьому напрямі є співпраця між BMW та Getrag, що матеріалізувалась як послідовна коробка передач SMG для M5 попереднього покоління та перетворена на семиступінчасту коробку передач DCT для нинішнього.

З двома зчепленнями без переривання тяги

Все почалося в 2003 році, коли VW представив коробку передач з прямим перемиканням передач (або Direct Schalt Getriebe німецькою мовою), розроблену спільно з BorgWarner. Як тільки він з'явився, він продемонстрував здатність перемикатися швидше та без поштовхів механічної та автоматичної трансмісій, без втрати тяги та без погіршення витрати через відсутність перетворювача. Однак повернення до історії показує, що Audi використовувала аналогічну коробку передач у своїх ралійних автомобілях ще в середині 80-х років (наприклад, Sport Quattro S1 Pikes Peak), але технологія повинна почекати деякий час, перш ніж з'являться досить швидкі електронні системи. контроль для серійного виробництва, відповідні матеріали для муфт та швидкі гідравлічні активатори. На відміну від звичайної трансмісії, DSG має два співвісні вали, кожен зі своїм зчепленням. Ці з'єднувачі розташовані концентрично один щодо одного, причому зовнішній з'єднується з внутрішнім із двох валів, а внутрішній – з порожнистою зовнішньою секцією. Один із валів приймає непарні, а інший – парні шестерні. Коли, наприклад, включається перша передача, друга вже підготовлена, і включення відбувається шляхом одночасного вимикання однієї включення інший без переривання тягового зусилля. Привід передач здійснюється за допомогою класичних синхронізаторів, але замість механічних тяг та виделок це здійснюється за допомогою гідроелементів. Багатодискові муфти відрізняються по конструкції від таких механічних трансмісій і в цьому відношенні близькі до механізмів, які є блокувальними елементами в автоматиці - їх технологія внесла свій внесок в еволюцію DSG. Однак ці два типи схожі не тільки з погляду відкривання та замикання зчеплень гідравлічних приводів, але і з точки зору електронного управління на основі декількох датчиків. У попередніх версіях трансмісія мала муфти в масляній ванні для кращої теплопередачі, але з розвитком матеріалів тепер використовуються більш ефективні сухі муфти. Трансмісії DSG зараз є пріоритетом в основному для спортивних моделей, але також часто використовуються як альтернатива компактним і невеликим моделям, таким як Ford Focus і Renault Megane (оснащені Getrag), VW Golf, Audi A3, Skoda Octavia (VW-BorgWarner). автоматичних та автоматизованих. Тому сьогодні за допомогою електроніки всі типи автоматичних трансмісій мають можливість механічно перемикати і різні режими роботи автоматів.

А що тим часом сталося з варіатором?

Ідея безступінчастої трансмісії стара як світ, і проекти включають безліч різновидів. Їх проблема зазвичай полягає в тому, що відсутні шестірні і передача моменту, що крутить, на ковзаючі поверхні призводить до боксу. Ще на початку 20 століття така трансмісія була у швейцарця Вебера, але лише в 1955 братам Дорн вдалося створити практичне рішення такого роду - останнє з'явилося у вигляді Variomatic в голландському автомобілі DAF. Основна проблема простої та багатообіцяючої безступінчастої зміни в широкому діапазоні конструкції з аксіально зміщеними гідравлічними активаторами та конічними елементами, з'єднаними скошеним ременем, полягає в їх зносі. Тому в пізніших розробках він був замінений сегментованим металевим елементом із сталі з високим коефіцієнтом тертя, в якому рух здійснюється не за рахунок тяги, а за рахунок штовхання, що забезпечує вищий крутний момент. Наприкінці 80-х багато компаній, таких як Ford, Fiat, Subaru та ZF, почали спільне виробництво з Van Doorne, і щоб передавати крутний момент більше, ніж у 2000 році, Audi створила трансмісію CVT з використанням ланцюга. У 2003 році Nissan, який безперечно поважає ці трансмісії, багато в чому завдяки місцевому виробнику Jatco, оснастив Murano трансмісією CVT, а в нинішній версії Subaru Legacy з автоматичною коробкою передач використовується така трансмісія від LUK.

Ще наприкінці 19 століття було створено перші варіаторні трансмісії, у яких використовувалося пряме зачеплення з дисками різного діаметра, а 20-х роках Citroen і GM вперше випускають перші виробничі варіанти. Їхній інтерес до цього технологічного рішення повернувся наприкінці 80-х, знову з розробкою матеріалів, і його зберігачами стали британська компанія Torotrak та вищезгадана Jatco – остання як лідер у галузі трансмісій CVT. Останнім часом з'являється все більше і більше нових рішень такого роду, як Double Rollet CVT Ultimate Transmission, які ще не продемонстрували свою життєздатність.

У стандартній трансмісії CVT невелика планетарна передача зазвичай розміщується перед головною передачею, щоб забезпечити передню, задню і нейтральну передачі. У різних пускових рішеннях використовуються магнітні штекерні з'єднувачі або стандартний перетворювач (Subaru або ZF Ecotronic CVT). Коробки передач CVT, яким в останні роки давно не приділялося належної уваги, знову викликають підвищений інтерес, особливо з боку японських виробників. Вони як і раніше мають велику частку в загальному виробництві автоматичних коробок передач. У цій області все більш інтенсивно працюють трансмісійні технології Bosch. Як і у випадку з іншими, на допомогу приходять нові матеріали і електроніка.

Базова конструкція класичної автоматичної коробки передач

У своїй новій трансмісії 9G-Tronic Mercedes використовує так званий гідродинамічний перетворювач крутного моменту, який є надзвичайно складним пристроєм, але принцип його дії не відрізняється від такого у перших таких пристроїв (див. Фото). На практиці він складається з насоса, з'єднаного з маховиком двигуна, турбіни, з'єднаної з шестернями, та проміжного елемента, званого статором. Динаміка рідин у цьому пристрої надзвичайно складна, але просто вміщене в нього масло направляється насосом по його периферії круговим рухом, аналогічним верхній частині малюнка 8, але в тривимірній версії, в якій лінії, що перетинаються, зміщені. щодо один одного. Специфічна форма лопаток турбіни як знак кронштейна насправді є надзвичайно точно розрахованою кривизною, яка оптимально поглинає силу потоку, яка, у свою чергу, різко змінює напрямок. В результаті момент, що крутить, збільшується. На жаль, як тільки напрямок змінюється, потік вже має негативний ефект, тому що він спрямований назад проти лопатей насоса. Тут на допомогу приходить статор, роль якого полягає в зміні напряму потоку, і саме цей елемент перетворює пристрій на перетворювач моменту, що крутить. Він сконструйований таким чином, що має блокуючий механізм, який утримує його в нерухомому стані при цьому тиску. Внаслідок всього вищесказаного при запуску найбільше збільшення моменту, що крутить. Хоча потік спрямований у зворотному напрямку з певною швидкістю, з поступовим збільшенням його окружної швидкості турбіни у протилежному напрямку, його результуюча швидкість стає такою самою, як і в напрямі турбіни. Щоб зрозуміти це, уявіть, що ви їдете на трамваї зі швидкістю 50 км/год і відкидаєте м'яч назад зі швидкістю 30 км/год. Для вас він рухається назад, але насправді напрямок руху вперед зі швидкістю 20 км/год. У разі потік масла проходить за лопатками статора, його блокування відключається і він починає вільно обертатися, а при досягненні 90 відсотків швидкості насоса вихровий потік стає радіальним і збільшення моменту, що крутить, припиняється. Таким чином машина заводиться та розганяється, але це завжди пов'язано із втратами, навіть із сучасними агрегатами. У сучасних трансмісіях невдовзі після пуску перетворювач відключається, а точніше блокується його дію за допомогою т.зв. муфта блокування, що збільшує загальний ККД трансмісії. У гібридних версіях, таких як ZF 8HP, він замінений електродвигуном, який збільшує момент, що крутить, а в деяких рішеннях, таких як AMG 7G-DCT, перетворювач замінений набором пластинчастих муфт. І ще - для оптимізації динаміки потоку масла в деяких випадках лопатки статора мають кут атаки, що змінюється, що в залежності від ситуації змінює крутний момент.

Набір планетарних механізмів

Як згадувалося в попередньому розділі, планетарна передача була обрана як найбільш підходяща передача через її здатність працювати з різними передач без шестерень або синхронізаторів. Механізм являє собою коронну шестірню (корону) з внутрішніми зубами, сонячну шестерню і планетарні колеса, що труть її і зчеплені з коронним кільцем, які з'єднані із загальною напрямною. Коли один із елементів (заводна головка, напрямна або сонячне колесо) заблокований, момент, що крутить, передається між двома іншими, а передатне число залежить від конструкції. Блокуючими елементами можуть бути муфти або стрічкові гальма, їх приведення в дію здійснюється гідравлічними приводними елементами механічно в старих трансмісіях і за допомогою електронного управління в нових. Навіть перші автоматичні трансмісії, такі як GM Hydra-Matic або Chrysler Torque-Flite, не використовували звичайний планетарний механізм, а композитні конструкції, такі як Simpson. Останній названий на честь свого творця, американського інженера Говарда Сімпсона, і включає дві повністю ідентичні планетарні (епіциклічні) шестерні, в яких одна з частин другої з'єднана з першою (наприклад, що направляє з сонячним колесом). В даному випадку фіксуючими елементами виступають дві багатодискові муфти, два гальмівні ремені, а також одностороння муфта, що забезпечує пряму передачу моменту, що крутить. Третій механізм, що забезпечує так звану передачу, що підвищує, може бути доданий окремо до коробки передач. У більш сучасних конструкцій використовується складніший, ніж звичайний планетарний механізм, такий як Ravigneaux (названий на честь його творця Поля Равіньо), який об'єднаний з одним і двома стандартними механізмами для збільшення кількості передач до п'яти. Він включає загальну корону і комбінацію двох різних типів супутників і сонячних коліс, між якими мають місце ще більш складні потоки енергії. Перша 6-ступінчаста автоматична коробка передач ZF, представлена ​​в 2002 році, використовує механізм Lepelletier (його творця Поля Лепелетьє), завдяки якому в ній було менше компонентів, менша вага та об'єм. Інтелект сучасних рішень полягає, головним чином, у можливості, завдяки комп'ютерному аналізу, інтегрувати більш компактні запірні механізми, вали та шестерні, забезпечуючи взаємодію більшої кількості елементів і, отже, досягати більшої кількості шестерень.

В авангарді 9 передач: Mercedes 9G-Tronic.

У новій трансмісії Mercedes 9G-Tronic передавальне число (передавальне число від першої до дев'ятої) становить 9,15. Таким чином, оснащений цієї трансмісією, E 350 Bluetec може рухатися на дев'ятій передачі зі швидкістю 120 км / год всього за 1350 об / хв. Здатність рухатися на більш низьких швидкостях також підтримується подвійним торсійним демпфером, який заміняє маховик, в поєднанні з пристроєм на основі відцентрового маятника. Незважаючи на те, що вона може витримувати крутний момент до 1000 Нм, ця трансмісія, заснована на величезній кількості комп'ютерних симуляцій, легше і компактніше, ніж раніше. Двоелементний корпус виконаний з алюмінію в гідродинамічному перетворювачі крутного моменту і магнієвих сплавів в іншому з полімерним картером. Численні аналізи були виконані до того, як була досягнута можливість реалізації дев'яти передач тільки з чотирма планетарними механізмами. Ця трансмісія буде широко використовуватися в інших моделях з поперечним кріпленням, а для компактних моделей буде використовуватися DSG.

Фантастична віддача ZF: 9HP

Коріння 9HP можна простежити до 2006 року, коли ZF вирішила повернутися до сегменту поперечного кріплення (попередніми продуктами були чотириступінчасті коробки передач і трансмісії CVT, виробництво яких було припинено в кінці 90-х років). Зазвичай на розробку йде близько 4 років, але компанія не хоче, щоб їх повернення було з 6-ступінчастою автоматичною коробкою передач, тому що вони вже існують. Той факт, що на мету компанії йде 7 років, говорить про величезну проектної роботі, яка була кинута на створення цієї трансмісії. Рішення являє собою неймовірно високотехнологічне рішення, яке навіть у версії з обертовим моментом 480 Нм важить всього 86 кг. Завдяки новій коробці передач витрата палива знижена приблизно на 10 відсотків в порівнянні з 6-ступінчастою коробкою передач, а при постійній швидкості 120 км / год зниження становить 16 відсотків. Інтелектуальна архітектура включає розміщення чотирьох планетарних механізмів, вкладених один в одного, і додавання додаткових пальцевих з'єднувачів, які мають меншу залишкову тертя у відкритому стані. До гидротрансформатору додана багатоступенева система демпфірування.

Текст: Георгій Колев