Автоматические трансмиссии

 

3.1 КЛИНОРЕМЕННЫЕ ВАРИАТОРЫ

Впервые на серийном автомобиле трансмиссия с клиноременным вариатором DAF Variomatic была использована в 1950 г. В трансмиссии Variomatic использовался бесконечный резиновый приводной ремень, зажатый между коническими поверхностями шкивов.

Расстояние между двумя половинками  шкивов изменялось, поэтому изменялся  рабочий радиус ведущего шкива, а это в свою очередь заставляло изменять радиус ведомого шкива, половины которого сжимались пружиной. Такая конструкция обладала существенными недостатками. Резиновые ремни, расположенные под днищем автомобиля, быстро разрушались, и их замена являлась довольно сложной операцией. Величина передаваемого крутящего момента была небольшой и поэтому такую конструкцию можно было применять только на автомобилях с маломощными двигателями. Кроме того, автомобиль с такой трансмиссией мог двигаться задним ходом с той же скоростью, что и вперед, а это было довольно опасно. Голландский инженер Ван Доорн усовершенствовал конструкцию клиноременного вариатора, заменив резиновый ремень стальным, состоящим из набора отдельных пластин специальной формы.

Принципиальным отличием этой конструкции  является то, что такой ремень может  передавать не только тяговые, но и толкающие усилия. Ван Доорн использовал свою разработку в конструкции трансмиссии Transmatic, которая могла передавать крутящие моменты величиной до 150 Н«м. Трансмиссии с вариаторами не имеют нейтральной передачи, и поэтому при остановке автомобиля необходимо отсоединять двигатель от трансмиссии с помощью какого-либо устройства. В трансмиссиях Variomatic и Transmatic для этой цели использовалось центробежное сцепление, которое автоматически выключалось и включалось. Троганье с места и остановка автомобилей с этими трансмиссиями сопровождались резкими рывками. Компания Subaru (Япония), использовавшая коробку передач с клиноременным вариатором на автомобиле Justy, применила электромагнитное порошковое сцепление с компьютерным управлением. Аналогичное решение использует и компания Nissan на автомобилях Micra с вариатором. Для ограничения скорости заднего хода применяют специальные ограничительные устройства.

Компания Honda разработала свою собственную конструкцию вариатора со стальным ремнем и шкивами. Для троганья с места и остановки используется многодисковое, мокрое сцепление, управляемое компьютером. Эта трансмиссия устанавливается на автомобиль среднего класса Civic, приводимый в движение 1,6-литровым двигателем, развивающим максимальный крутящий момент 140 Н м. Среди особенностей трасмиссии следует отметить компьютерный контроль (от электронной системы управления), давления для управления положением половин обоих шкивов вариатора. Эта система обеспечивает оптимальное давление без чрезмерного его увеличения. Слишком сильное «сжатие» снижает механическую эффективность, а также приводит к преждевременному износу ремня и увеличению шумности работы. Программирование вариатора на автомобиле Civic обеспечило хорошее соотношение с режимами экономичной работы двигателя, и это привело к повышению топливной экономичности автомобиля с вариатором при испытаниях в городском цикле движения, на 15 % по сравнению с топливной экономичностью автомобиля с обычной четырехступенчатой автоматической коробкой передач.

 В 1995 г. немецкая компания ZF продемонстрировала автоматическую  коробку передач с клиноременным вариатором Ecotronic, в которой использовался гидротрансформатор.

Такое решение усложняет и удорожает  конструкцию, но обеспечивает плавное троганье с места и интенсивный разгон автомобиля. Наличие гидротрансформатора дает возможность уменьшить диапазон передаточных чисел вариатора, что снижает его размеры и габариты автоматической коробки передач. В настоящее время ZF производит три варианта таких коробок передач. Наиболее мощный вариант из этого семейства коробок CFT25 имеет стальной ремень шириной 30 мм, планетарную передачу для обеспечения заднего хода, которая включается с помощью многодискового, мокрого сцепления. Коробка

передач может передавать крутящий момент до 250 Н«м, что дает возможность использовать такие коробки передач на автомобилях среднего класса VW Passat, Ford Mondeo и др. Управление коробками передач ZF осуществляется с помощью компьютера, программное обеспечение которого обеспечивает адаптивное управление различными режимами движения.

Автомобили с современными автоматическими  коробками передач, использующими  вариатор со стальным ремнем, обладают гораздо лучшими показателями топливной экономичности и плавностью работы по сравнению с обычными гидромеханическими автоматами. Надежность и долговечность современных коробок передач с такими вариаторами также довольно высока. Однако широкое применение таких коробок сдерживается в силу не технических, а, скорее, психологических проблем. Водители привыкли, что при разгоне автомобиля с обычной механической или автоматической коробками передач они ощущают увеличение частоты вращения двигателя. Автомобиль с вариатором может интенсивно разгоняться и при постоянной частоте вращения двигателя, потому что вариатор поддерживает эту частоту, которая необходима для лучшего разгона. Такая работа обеспечивает наиболее оптимальный разгон, но из-за непривычного звука у водителя создается впечатление, что приемистость автомобиля недостаточна.

Для решения этой проблемы некоторые  производители были вынуждены адаптировать управляющие системы своих вариаторов для искусственного создания ряда фиксированных передаточных чисел, преодолев, таким образом, психологическую проблему. У водителей таких автомобилей появилась возможность выбора между ручным последовательным (секвентальным) переключением передач с фиксированными значениями или бесступенчатым автоматическим управлением. Впервые такая конструкция была использована компанией Nissan в 1997 г. в коробке передач Hyper CVT-M6.

Компания Audi при создании коробки передач с вариатором Multitronic (рис. 2) использовала другой принцип. При разгоне обеспечивается увеличение оборотов двигателя с увеличением скорости автомобиля. Такой режим разгона не является самым эффективным, но дает возможность решить психологические проблемы. При экстремальном разгоне управляющая электроника переключает вариатор на оптимальный режим работы. Новый подход обеспечил возможность автомобилю Audi A6 с коробкой передач Multitronic показать лучшие результаты по топливной экономичности и интенсивности разгона по сравнению с таким же автомобилем, но имеющим механическую коробку передач. Кроме автоматического режима Multitronic поддерживает режим секвентального переключения передач с шестью фиксированными передаточными числами. В конструкции используется мокрое многодисковое сцепление для обеспечения возможности старта с места. Приводной ремень Audi представляет собой многозвенную цепь, которая передает крутящий момент за счет трения между торцами осей пластин, составляющих цепь, и поверхностями шкивов (рис. 3). Гидравлическая система управления вариатором обеспечивает оптимальное усилие  сжатия шкивов, не допуская проскальзывания цепи и обеспечивая необходимую долговечность вариатора.

 

 Рис. 2. Схема коробки передач Multitronic: 1 — двигатель; 2 — сцепление; 3 — вариатор;4 — цепь; 5 — гидронасос; 6 — управляющий блок; 7 — блок электроники

 

Рис. 3. Схема работы вариатора Multitronic: 1 — цепь

 

 

 

 

 

 

3.2 ОРОИДНЫЕ ВАРИАТОРЫ

В тороидном вариаторе между двумя колесами со сферической (тороидной) рабочей поверхностью зажимается ролик. Одно колесо является ведущим, а другое — ведомым. Передача крутящего момента обеспечивается силами трения между рабочими поверхностями колес и ролика. Изменение положения оси ролика в поперечной плоскости приводит к изменению передаточного числа ариатора, равного отношению радиусов окружностей проходящих через точки контакта колес с роликом.

В зависимости от угла поворота ролика ведомое колесо может вращаться  с той же скоростью, что и ведущее (если ролик горизонтален), с большей, или меньшей (если ролик поворачивается). При использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего  хода и отключения вариатора от двигателя с помощью сцепления.

Первый патент на конструкцию трансмиссии с тороидным вариатором был получен Чарльзом Хаитом еще в 1877 г. Такие трансмиссии производства Perbury-Hayes предлагались для автомобилей в 1930-е гг., однако они отличались недостаточной величиной передаваемого крутящего момента и низкой долговечностью из-за отсутствия соответствующих материалов и технологий. Основная проблема заключается в том, что передача крутящего момента целиком зависит от трения в контакте ролика с колесами, и чем выше передаваемый момент, тем больше должна быть сила трения, причем при очень малой площади контакта. Для увеличения трения давление между деталями вариатора должно быть выше, что может привести к повреждению вариатора.

В 1999 г. компания Nissan начала устанавливать на некоторых из своих автомобилей, предназначенных для японского рынка, коробки передач Extroid. В этой коробке передач используется сдвоенный тороидный вариатор, разделяющий поток мощности с целью уменьшения размеров узла. Коробка передач была сконструирована для продольной установки на мощные заднеприводные автомобили и может передавать крутящий момент до 300 Н«м, что на сегодняшний день является рекордом для коробок передач с вариаторами.

Возможность передачи таких усилий обеспечена применением высококачественных сталей и специальных трансмиссионных масел. Усилия сжатия колес и роликов вариатора составляют величину до 10 т. При таких усилиях сжатия повернуть ролик для изменения передаточного числа вариатора не просто. Nissan использует оригинальную систему поворота роликов, в которой ролики поворачиваются автоматически при их небольшом смещении относительно оси вращения. Совместно с вариатором в коробке передач Extroid работает гидротрансформатор. Для включения заднего хода используется планетарная передача, управляемая с помощью многодискового мокрого фрикционного сцепления.

На Токийском автосалоне 1999 г. компания Mazda продемонстрировала трансмиссию, которая включает в себя два тороидных вариатора, двухступенчатую планетарную передачу и два автоматических сцепления. При троганьи автомобиля с места планетарная передача понижает передаточное число, в целях получения высокого крутящего момента. На большой скорости привод на колеса осуществляется непосредственно оттороидного вариатора. Коробка передач включает в себя и главную передачу с дифференциалом и предназначена для поперечной установки на переднеприводные автомобили.

 

 

4.АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

В последнее время возродился интерес  к автоматическому управлению механическими  коробками передач с использованием электронного контроля и современных исполнительных устройств. То, чего изобретатели не могли осуществить в прошлом, используя хитроумные механические устройства, стало возможным после появления надежных компьютеров и новых технологий.

Впервые такой агрегат — SMG (Sequential M Gearbox) — был предложен компанией BMW. Эта коробка передач предлагается как дополнительное оборудование для автомобиля BMW M3, имеет шесть передач для движения вперед и может работать в двух независимых, управляемых сервомеханизмами режимах.

В первом, так называемом экономичном  режиме, коробка передач работает полностью автоматически, как и любая другая автоматическая коробка. Этот режим включается автоматически каждый раз когда включается зажигание. Второй, спортивный режим, который выбирает сам водитель, дает возможность переключать передачи вверх-вниз, как это делает система Tiptronic. Для переключения передач используются гидравлические исполнительные механизмы. Инженерам BMW удалось добиться рекордного времени переключения передач — при разгоне автомобиля время переключения не превышает 0,08 с. Электронный блок управления коробки передач контролирует не только исполнительные устройства, но и управляет работой двигателя, обеспечивая перерегулирование при переключении на низшие передачи. При снижении скорости до 15 км/ч автоматически включается вторая передача, а при полной остановке первая.

В коробке передач Easytronic, разработанной совместно компаниями Valeo и Luk и предназначенной для установки на небольшие автомобили для европейского рынка, в качестве исполнительных устройств используются три шаговых электродвигателя. Коробка передач получилась легкой и компактной, но переключение передач осуществляется медленнее, чем в коробках передач с гидравлическим управлением.

Управление трансмиссией грузовых автомобилей, в особенности коробками передач магистральных тягачей с большим числом передач, всегда требовало большого умения от водителя. Неслучайно, что автоматизация коснулась и таких коробок. Большинство производителей грузовых автомобилей предлагают в качестве вариантов автоматические и полуавтоматические коробки передач.

 

 

5.АВТОМАТИЧЕСКИЕ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ С ДВОЙНЫМ СЦЕПЛЕНИЕМ

В 2003 г. компания Volkswagen предложила автомобили Audi TT 3.2 Quattro и VW Golf 5 с новыми автоматизированными коробками передач, в которых переключение передач при разгоне происходит без разрыва потока мощности (рис. 4).

В этой коробке передач крутящий момент от двухмассового маховика двигателя передается на два многодисковых сцепления, связанных с соответствующими соосными ведущими валами, один из которых проходит внутри другого (рис. 5).

 Рис. 5. Принципиальная схема коробки

передач с двумя сцеплениями: 1, 2 — многодисковые сцепления; 3, 4, 5, 6 — синхронизаторы

 

Параллельно ведущим валам расположены  два ведомых вала. С одним из ведущих валов жестко связаны ведущие шестерни нечетных передач (1, 3, 5), а с другим — ведущие шестерни четных передач (2, 4, 6 и передача З.Х.). На ведомых валах находятся шестерни постоянного зацепления соответствующих передач, которые могут жестко соединяться с ведомыми валами с помощью синхронизаторов. Управление сцеплениями и перемещением синхронизаторов осуществляется посредством гидравлических исполнительных устройств. Необходимое давление в гидравлической системе создается электрическим гидронасосом. Управляет работой коробки передач электронный блок управления, который получает информацию от десяти датчиков, расположенных в коробке и связан высокоскоростной шиной с электронным блоком управления двигателем.

 

 

Рис. 4. Коробка передач с двумя сцеплениями автомобиля Audi TT 3.2 Quattro:

1 — ведущий вал I; 2 — двигатель; 3 — ведущий вал II; 4 — сцепление  II; 5 — сцепление I;

6 — выход на главную передачу; 7 — задний ход; 8 — VI передача; 9 — V передача; 10 — I передача

(активна); 11 — III передача; 12 — IV передача; 13 — II передача (выбрана); 14 — выход

на главную передачу; 15 — главная передача

          При троганьи автомобиля с места электронный блок дает команду, включая первую передачу, а затем первое сцепление, после чего крутящий момент передается на один из ведомых валов коробки передач, который через ведущую шестерню приводит во вращение ведущую шестерню главной передачи. Главная передача через дифференциал приводит во вращение ведущие колеса автомобиля и одновременно раскручивает второй ведомый вал, на котором расположены синхронизаторы, включающие четные передачи. За время разгона на первой передаче при достижении соответствующей скорости и за счет простого переключения сцеплений на параллельном ведомом валу включается вторая передача. Переход на последующие передачи происходит аналогично, без разрыва потока мощности, неизбежного в простых механических коробках передач.

Процесс переключения усложняется  тогда, когда появляется необходимость  переключения на более низкую передачу при движении с постоянной скоростью. Алгоритм переключения, заложенный в памяти электронного блока управления, был разработан компанией Audi. Автомобили с такими коробками передач показывают очень хорошие результаты по динамике разгона и топливной экономичности в сравнении с автомобилями оснащенными обычными механическими коробками.