Тест драйв История автомобильных трансмиссий – Часть 3

В этой последней части вы найдете различные типы современных решений в этой области.

Сегодня мир коробок передач более разнообразен, чем когда-либо, и автомобильные компании и поставщики связаны сложными отношениями и соглашениями, ведущими к созданию чрезвычайно высокотехнологичных продуктов – от небольших трансмиссий CVT до девятиступенчатых автоматических трансмиссий.

В 50-х годах все, казалось, приобрело кристально ясную картину: для американцев автоматическая коробка передач теперь имеет первостепенное значение, а для европейцев ручная коробка передач остается приоритетом. Однако то же самое утверждение можно применить и к 70-м годам – ​​мы не должны забывать, что настоящая «моторизация» Европы (Западной) началась именно тогда, потому что 80-е годы – это еще годы для восстановления из руин войны. История показывает, что в 2000-е картина не сильно отличалась, хотя в Европе кое-где стала появляться автоматика в более роскошных автомобилях. Лишь в 90-х годах появление электронного правительства начало менять ситуацию в пользу автоматических коробок передач и Старого континента. Но даже в 80 году, когда доля автоматизации в новых автомобилях в США достигла 15, а в Японии – 4 процентов, такое решение выбрали только 5 процентов европейцев. Конечно, нельзя недооценивать в данном случае психологическую составляющую и весьма целенаправленное желание последних переключать передачи самостоятельно. В то время они все еще были преимущественно 2002-й и 6-й передачами – только в 8 году ZF представила первое поколение своей шестиступенчатой ​​трансмиссии 8HP, чтобы увеличить их количество до XNUMX, семь лет спустя в ZF XNUMXHP. Последнее становится настоящей революцией не только с количеством передач, но и с идеальным комфортом работы, что благодаря инженерам компании BMW и их точная интеграция в седьмую серию доведена до совершенства.

Это действительно период невероятных перемен, потому что в то время ZF продолжала поставлять 4HP для Peugeot 407 и 5HP для VW и Skoda. Фактически, за 13 лет доля автоматических трансмиссий во всем мире стремительно выросла и достигла 46 процентов в 2014 году. Несмотря на увеличение количества шестерен, размер и вес уменьшаются, и здесь уже есть что-то для всех. Даже маленькие машины нравятся Honda Jazz также получит коробки передач с двойным сцеплением. Mercedes и ZF представляют последовательно девять ступенчатых агрегатов. Активная совместная разработка GM и Ford которые упорно работают над проектом на десять-ступенчатую автоматическую коробку передач, чтобы противостоять в Америке Chrysler, который тем временем выпускает лицензионную версию ZF 8HP. В то время как эволюция механических коробок передач движется в сторону улучшения передач, упрощения и повышения точности переключения передач, доведения некоторых автомобилей до такого совершенства, что лишение их было бы кощунством, у автоматики теперь есть огромный выбор опций. Из всех автомобилей с автоматическими коробками передач, проданных в 2014 году, 49 процентов – это классические автоматические трансмиссии с 6 и более передачами, и только 15 процентов имеют менее 6 передач. Трансмиссии CVT составляют 20 процентов, трансмиссии с двойным сцеплением – 9 процентов, а автоматизированные механические трансмиссии – всего 3 процента, как и трансмиссии гибридных и электрических транспортных средств. За этими цифрами скрывается некоторая строгая специфика: основная доля трансмиссий DSG, например, находится на рынке в Европе, классические – в Европе и США, а высокая доля трансмиссий CVT приходится на Японию. В то же время новые агрегаты ни в коем случае не тяжелее и не крупнее своих предшественников – если 5-ступенчатая автоматическая коробка передач Mercedes 2004 года требует четырех планетарных передач и семи устройств блокировки, то благодаря интеллектуальной архитектуре новый 9G-Tronic является он также управляет четырьмя планетарными механизмами, но с шестью сцеплениями в качестве фиксирующих элементов. Ясно одно – очень скоро даже бренды среднего уровня последуют за производителями предметов роскоши и теперь перейдут на трансмиссии с большим количеством передач – хорошим примером этого является тот факт, что Opel находится на завершающей стадии разработки восьмиступенчатой ​​автоматической коробки передач. Идея автомобиля с автоматической коробкой передач, которая заставляет двигатель неприятно ускоряться и создает странное синтетическое ощущение, теперь полностью вошла в анналы истории.

Альянсы и соглашения

Однако Mercedes – скорее один из исключений как производитель автомобилей, который разрабатывает и производит собственные трансмиссии. На него похожи Mazda, PSA и Hyundai/ Kia, но на практике большинство производителей автомобилей в значительной степени связаны сложными отношениями и совместными предприятиями как друг с другом, так и с такими поставщиками коробок передач, как ZF и Aisin. С 8-ступенчатым автоматом ZF в разных вариантах, например, модели оснащены Audi, BMW и Rolls-Royce. По лицензионному соглашению Chrysler производит такую ​​же трансмиссию для моделей Уклонение, Крайслер, и Jeep, но и для Maserati и Fiat. GM производит восьмиступенчатую Hydra-Matic для самого Corvette, но совместно с Aisin разработала восьмиступенчатую коробку передач для Cadillac, а десять лет назад поставила автоматические коробки передач для BMW. В то же время американский гигант работает с Ford над созданием десятиступенчатой ​​коробки передач, а его европейское подразделение Opel разрабатывает собственную восьмиступенчатую коробку передач. Hyundai / Kia также разработали собственную восьмиступенчатую коробку передач. Компания Getrag, которая тем временем приобрела обширный опыт в производстве коробок передач с двойным сцеплением, предлагает свои агрегаты как для компактных моделей Ford, так и для Renault, а также для M-версий BMW, и два сцепления для них в большинстве случаев поставляет LUK. Знаменитая трансмиссия DSG от VW и Audi была сконструирована с помощью BorgWarner, а трансмиссия для Veyron была разработана Рикардо. Коробка передач с двумя сцеплениями и семью включенными передачами. Porsche PDK – это работа… ZF, BorgWarner и Aichi Machine Industry, которые совместно разрабатывают и производят трансмиссию для Nissan GT-R.

Конкурс классической автоматики

В предыдущей части мы подробно рассказали вам о создании и развитии классических автоматических трансмиссий. Мы добавим, что в более ранних версиях гидравлическая система под давлением, активирующая блокирующие элементы (см. Ниже), управляется механически на основе вакуума в коллекторах и с помощью центробежного регулятора. Позже все основано на электронике и параметрах, связанных с управлением двигателем. Важно отметить, что новые синтетические масла также вносят значительный вклад в точную работу современных трансмиссий. Однако стремительное развитие классических автоматических трансмиссий в последние годы помогло им стать сегодня непревзойденными с точки зрения комфорта переключения передач с исключительной плавностью и высокой скоростью, и пока они являются лидерами по количеству передач (уже 9). Быстрое отключение гидротрансформатора делает их более эффективными, и с ними не прерывается тяга, что приближает их к DSG, время переключения становится все короче и короче, а с помощью аккумуляторов давления интеграция системы старт-стоп не выполняется. вопрос. Интересно отметить, что в то время как в автобусах используются в основном классические автоматические трансмиссии, приоритетом для больших грузовиков является механическая трансмиссия с автоматическим пневматическим переключением передач.

Автоматические коробки передач

Всего десять лет назад их будущее выглядело многообещающим … После того, как они пришли в автоспорт в 80-х и перешли на высокоскоростные секвентальные коробки передач, теперь они все реже встречаются в серийных автомобилях, уступая место двухступенчатым коробкам передач. сцепление. Варианты механических трансмиссий с пневматическим и гидравлическим переключением остаются приоритетными для грузовых автомобилей, а секвентальные – для гоночных автомобилей. Последнее является довольно парадоксальным фактом и аргументируется FIA желанием сократить расходы. Дошло до того, что вскоре все автомобили Формулы 1, вероятно, будут получать коробки передач от одного и того же поставщика. Кроме того, они ограничены и по материалам, и по количеству передач, и по ширине передач – довольно странное решение на фоне внедрения новых турбомоторов.

По сути, все началось как революция в экстремальном инкубаторе Формулы-1, а ее концептуальным генератором стал главный дизайнер Ferrari в середине 80-х Джон Барнард. Его глубокая идея на практике состоит не в том, чтобы найти новый способ переключения, а в том, чтобы устранить сложные и тяжелые механизмы в кабине автомобиля. Поскольку на тот момент уже существовала технологическая основа в виде электрогидравлических устройств (как элемент активной подвески автомобилей), он решил, что можно использовать для этой цели такой активатор. Дело даже не в том, чтобы сначала убрать педаль сцепления. Первые прототипы включали устройства для переключения каждой передачи, и это решение позволило перенести рычаги рулевого колеса. Только тогда пришла идея отпустить педаль сцепления и синхронно ее открыть с помощью управляющего электронного мозга. Эта архитектура и усовершенствование микропроцессоров, а также введение дроссельных заслонок с электронным управлением позволяют добиться полностью автоматического переключения передач. Не будет ли это последний гвоздь в гроб классической АКПП – в девяностые годы таких голосов стало слышаться все больше и больше. Более того, автоматическая трансмиссия стремительно совершенствуется, переходя к совершенно новой архитектуре с упорядоченной (последовательной) конструкцией, в которой рычаги систем переключения размещены в каналах или следуют за рельефами вращающегося барабана.

Классический автомат теперь с ручным переключением

Но в то же время, когда полуавтоматические трансмиссии на основе механических трансмиссий сделали свои первые шаги в большом спорте, Porsche решил обратную проблему, создав классическую автоматическую трансмиссию с возможностью переключения с помощью рычагов на рулевом колесе. Конечно, трансмиссия принадлежит ZF, которая вместе с Bosch играет ведущую роль в проекте (Porsche создает основную идею и возглавляет проект, ZF разрабатывает оборудование, а Bosch – руководство). Реализация проекта демонстрируется в виде дополнительного оборудования для 911 и 968, а позже Audi и Mitsubishi купить лицензии на проект. Название этой коробки передач типтроник происходит от немецкого слова tippen (толкать) из-за возможности переключения путем нажатия и вытягивания рычага. Коробка передач этого типа уже имеет функцию изменения своего режима в зависимости от стиля вождения водителя.

Между тем творение Джона Барнарда занимает достойное место в автомобилях – конечно, для тех, у кого спортивный дух или, по крайней мере, с претензиями на него, – таких как Ferrari F360 Modena и гораздо более скромная Alfa 147 Selespeed с последовательной трансмиссией (на основе стандартной пятиступенчатой ​​коробки передач с добавленной механизм переключения и мозг Магнетти-Марелли. Но, как мы уже упоминали, рождение трансмиссии с двойным сцеплением, казалось, подпалило амбиции автоматических трансмиссий в мире крупногабаритных автомобилей, и последние обратились к более скромным моделям и возможности более дешевой автоматизации существующих трансмиссий (таких как Opel Easytronic). тем временем получил свое новое, третье издание). Это реализовано более простыми средствами, чем последовательная архитектура – для этого используется дополнительный блок управления, который уже достаточно компактен. Тем не менее, решение давней мечты конструкторов о синхронизированном автоматическом переключении и разъединении остается лишь утопией – на практике этого никогда не происходит, и все трансмиссии этого типа страдают от отсутствия гармоничного переключения с одной передачи на другую. . Производители спортивных автомобилей сосредоточили свое внимание на трансмиссиях с двойным сцеплением (DCT или DSG). Типичным примером в этом направлении является сотрудничество между BMW и Getrag, материализовавшееся как последовательная коробка передач SMG для M5 предыдущего поколения и преобразованная в семиступенчатую коробку передач DCT для нынешнего.

С двумя сцеплениями без прерывания тяги

Все началось в 2003 году, когда VW представил коробку передач с прямым переключением передач (или Direct Schalt Getriebe на немецком языке), разработанную совместно с BorgWarner. Как только он появился, он продемонстрировал способность переключаться быстрее и без толчков механической и автоматической трансмиссий, без потери тяги и без ухудшения расхода из-за отсутствия преобразователя. Однако возвращение к истории показывает, что Audi использовала аналогичную коробку передач в своих раллийных автомобилях еще в середине 80-х годов (например, Sport Quattro S1 Pikes Peak), но технология должна подождать некоторое время, прежде чем появятся достаточно быстрые электронные системы. контроль для серийного производства, подходящие материалы для муфт и быстрые гидравлические активаторы. В отличие от обычной трансмиссии, DSG имеет два соосных вала, каждый со своим сцеплением. Эти соединители расположены концентрически друг относительно друга, причем внешний соединяется с внутренним из двух валов, а внутренний – с полой внешней секцией. Один из валов принимает нечетные, а другой – четные шестерни. Когда, например, включается первая передача, вторая уже подготовлена, и включение происходит путем одновременного выключения одной и включения другой без прерывания тягового усилия. Привод передач осуществляется с помощью классических синхронизаторов, но вместо механических тяг и вилок это осуществляется с помощью гидроэлементов. Многодисковые муфты отличаются по конструкции от таковых механических трансмиссий и в этом отношении близки к механизмам, которые служат блокировочными элементами в автоматике – их разработка внесла свой вклад в эволюцию DSG. Однако эти два типа схожи не только с точки зрения открывания и замыкания сцеплений гидравлических приводов, но и с точки зрения электронного управления на основе нескольких датчиков. В более ранних версиях трансмиссия имела муфты в масляной ванне для лучшей теплопередачи, но с развитием материалов теперь используются более эффективные сухие муфты. Трансмиссии DSG сейчас являются приоритетом в основном для спортивных моделей, но также часто используются в качестве альтернативы для компактных и небольших моделей, таких как Ford Focus и Renault Megane (оснащенные Getrag), VW Golf, Audi A3, Skoda Octavia (VW-BorgWarner). автоматических и автоматизированных. Так что сегодня с помощью электроники все типы автоматических трансмиссий имеют возможность механически переключать и разные режимы работы автоматов.

А что тем временем случилось с вариатором?

Идея бесступенчатой ​​трансмиссии стара как мир, и проекты включают в себя множество разновидностей. Их проблема обычно заключается в том, что отсутствуют шестерни и передача крутящего момента на скользящие поверхности приводит к боксу. Еще в начале 20 века такая трансмиссия была у швейцарца Вебера, но лишь в 1955 году братьям Дорн удалось создать практическое решение такого рода – последнее появилось в виде Variomatic в голландском автомобиле DAF. Основная проблема простой и многообещающей бесступенчатой ​​смены в широком диапазоне конструкции с аксиально смещенными гидравлическими активаторами и коническими элементами, соединенными скошенным ремнем, заключается в их износе. Поэтому в более поздних разработках он был заменен сегментированным металлическим элементом из стали с высоким коэффициентом трения, в котором движение осуществляется не за счет тяги, а за счет толкания, что обеспечивает более высокий крутящий момент. В конце 80-х многие компании, такие как Ford, Fiat, Subaru и ZF, начали совместное производство с Van Doorne, и чтобы передавать крутящий момент больше, чем в 2000 году, Audi создала трансмиссию CVT с использованием цепи. В 2003 году Nissan, который определенно уважает эти трансмиссии, во многом благодаря местному производителю Jatco, оснастил Murano трансмиссией CVT, а в нынешней версии Subaru Legacy с автоматической коробкой передач используется такая трансмиссия от LUK.

Еще в конце 19 века были созданы первые вариаторные трансмиссии, в которых использовалось прямое зацепление с дисками разного диаметра, а в 20-х годах Citroen и GM впервые выпускают первые производственные варианты. Их интерес к этому технологическому решению вернулся в конце 80-х, снова с разработкой материалов, и его хранителями стали британская компания Torotrak и вышеупомянутая Jatco – последняя как лидер в области трансмиссий CVT. В последнее время появляется все больше и больше новых решений такого рода, таких как Double Rollet CVT Ultimate Transmission, которые еще не продемонстрировали свою жизнеспособность.

В стандартной трансмиссии CVT небольшая планетарная передача обычно размещается перед главной передачей, чтобы обеспечить переднюю, заднюю и нейтральную передачи. В различных пусковых решениях используются магнитные штекерные соединители или стандартный преобразователь (Subaru или ZF Ecotronic CVT). Коробки передач CVT, которым в последние годы давно не уделялось должного внимания, снова вызывают повышенный интерес, особенно со стороны японских производителей. Они по-прежнему имеют большую долю в общем производстве автоматических коробок передач. В этой области все более интенсивно работают трансмиссионные технологии Bosch. Как и в случае с другими, на помощь приходят новые материалы и электроника.

Базовая конструкция классической автоматической коробки передач

В своей новой трансмиссии 9G-Tronic Mercedes использует так называемый гидродинамический преобразователь крутящего момента, который представляет собой чрезвычайно сложное устройство, но принцип его действия не отличается от такового у первых таких устройств (см. Фото). На практике он состоит из насоса, соединенного с маховиком двигателя, турбины, соединенной с шестернями, и промежуточного элемента, называемого статором. Динамика жидкостей в этом устройстве чрезвычайно сложна, но просто помещенное в него масло направляется насосом по его периферии круговым движением, аналогичным верхней части рисунка 8, но в трехмерной версии, в которой пересекающиеся линии смещены. относительно друг друга. Специфическая форма лопаток турбины как знак кронштейна на самом деле является чрезвычайно точно рассчитанной кривизной, которая оптимальным образом поглощает силу потока, которая, в свою очередь, резко меняет направление. В результате крутящий момент увеличивается. К сожалению, как только направление меняется, поток уже оказывает отрицательный эффект, потому что он направлен назад против лопастей насоса. Здесь на помощь приходит статор, роль которого заключается в изменении направления потока, и именно этот элемент превращает устройство в преобразователь крутящего момента. Он сконструирован таким образом, что у него есть блокирующий механизм, который удерживает его в неподвижном состоянии при этом давлении. Вследствие всего вышесказанного при запуске наибольшее увеличение крутящего момента. Хотя поток направлен в обратном направлении с определенной скоростью, с постепенным увеличением его окружной скорости турбины в противоположном направлении, его результирующая скорость становится такой же, как и в направлении турбины. Чтобы понять это, представьте, что вы едете на трамвае со скоростью 50 км / ч и отбрасываете мяч обратно со скоростью 30 км / ч. Для вас он движется назад, но на самом деле направление движения вперед со скоростью 20 км / ч. В этом случае поток масла проходит за лопатками статора, его блокировка отключается и он начинает свободно вращаться, а при достижении 90 процентов скорости насоса вихревой поток становится радиальным и увеличение крутящего момента прекращается. Таким образом машина заводится и разгоняется, но это всегда связано с потерями, даже с современными агрегатами. В современных трансмиссиях вскоре после пуска преобразователь отключается, а точнее блокируется его действие с помощью т.н. муфта блокировки, что увеличивает общий КПД трансмиссии. В гибридных версиях, таких как ZF 8HP, он заменен электродвигателем, который увеличивает крутящий момент, а в некоторых решениях, таких как AMG 7G-DCT, преобразователь заменен набором пластинчатых муфт. И еще – для оптимизации динамики потока масла в некоторых случаях лопатки статора имеют изменяющийся угол атаки, что в зависимости от ситуации меняет крутящий момент.

Набор планетарных механизмов

Как упоминалось в предыдущем разделе, планетарная передача была выбрана как наиболее подходящая передача из-за ее способности работать с различными передачами без шестерен или синхронизаторов. Механизм представляет собой коронную шестерню (корону) с внутренними зубьями, солнечную шестерню и планетарные колеса, трущие ее и сцепленные с коронным кольцом, которые соединены с общей направляющей. Когда один из элементов (заводная головка, направляющая или солнечное колесо) заблокирован, крутящий момент передается между двумя другими, а передаточное число зависит от конструкции. Блокирующими элементами могут быть муфты или ленточные тормоза, и их приведение в действие осуществляется гидравлическими приводными элементами механически в старых трансмиссиях и с помощью электронного управления в новых. Даже первые автоматические трансмиссии, такие как GM Hydra-Matic или Chrysler Torque-Flite, использовали не обычный планетарный механизм, а композитные конструкции, такие как Simpson. Последний назван в честь своего создателя, американского инженера Говарда Симпсона, и включает в себя две полностью идентичные планетарные (эпициклические) шестерни, в которых одна из частей второй соединена с первой (например, направляющая с солнечным колесом). В данном случае фиксирующими элементами выступают две многодисковые муфты, два тормозных ремня, а также односторонняя муфта, обеспечивающая прямую передачу крутящего момента. Третий механизм, обеспечивающий так называемую повышающую передачу, может быть добавлен отдельно к коробке передач. В ряде более современных конструкций используется более сложный, чем обычный планетарный механизм, такой как Ravigneaux (названный в честь его создателя Поля Равиньо), который объединен с одним и двумя стандартными механизмами для увеличения количества передач до пяти. Он включает в себя общую корону и комбинацию двух разных типов спутников и солнечных колес, между которыми имеют место еще более сложные потоки энергии. Первая 6-ступенчатая автоматическая коробка передач ZF, представленная в 2002 году, использует механизм Lepelletier (его создателя Поля Лепелетье), благодаря которому в ней было меньше компонентов, меньше вес и объем. Интеллект современных решений заключается, главным образом, в возможности, благодаря компьютерному анализу, интегрировать более компактные запорные механизмы, валы и шестерни, обеспечивая взаимодействие большего количества элементов и, следовательно, – достигать большего количества шестерен.

В авангарде 9 передач: Mercedes 9G-Tronic.

У новой трансмиссии Mercedes 9G-Tronic передаточное число (передаточное число от первой до девятой) составляет 9,15. Таким образом, оснащенный этой трансмиссией, E 350 Bluetec может двигаться на девятой передаче со скоростью 120 км / ч всего при 1350 об / мин. Способность двигаться на более низких скоростях также поддерживается двойным торсионным демпфером, заменяющим маховик, в сочетании с устройством на основе центробежного маятника. Несмотря на то, что она может выдерживать крутящий момент до 1000 Нм, эта трансмиссия, основанная на огромном количестве компьютерных симуляций, легче и компактнее, чем раньше. Двухэлементный корпус выполнен из алюминия в гидродинамическом преобразователе крутящего момента и магниевых сплавов в остальном с полимерным картером. Многочисленные анализы были выполнены до того, как была достигнута возможность реализации девяти передач только с четырьмя планетарными механизмами. Эта трансмиссия будет широко использоваться в других моделях с поперечным креплением, а для компактных моделей будет использоваться DSG.

Фантастическая отдача ZF: 9HP

Корни 9HP можно проследить до 2006 года, когда ZF решила вернуться к сегменту поперечного крепления (предыдущими продуктами были четырехступенчатые коробки передач и трансмиссии CVT, производство которых было прекращено в конце 90-х годов). Обычно на разработку уходит около 4 лет, но компания не хочет, чтобы их возвращение было с 6-ступенчатой ​​автоматической коробкой передач, потому что они уже существуют. Тот факт, что на цель компании уходит 7 лет, говорит об огромной проектной работе, которая была брошена на создание этой трансмиссии. Решение представляет собой невероятно высокотехнологичное решение, которое даже в версии с крутящим моментом 480 Нм весит всего 86 кг. Благодаря новой коробке передач расход топлива снижен примерно на 10 процентов по сравнению с 6-ступенчатой ​​коробкой передач, а при постоянной скорости 120 км / ч снижение составляет 16 процентов. Интеллектуальная архитектура включает размещение четырех планетарных механизмов, вложенных друг в друга, и добавление дополнительных пальцевых соединителей, которые имеют меньшее остаточное трение в открытом состоянии. К гидротрансформатору добавлена ​​многоступенчатая система демпфирования.

Текст: Георгий Колев