История развития коробки передач

Коробка передач не всегда была такой, как сейчас. У ее развития тоже есть своя история. Ее необходимость остро встала, когда автомобилисты поняли, что необходим какой-то промежуточный механизм, способный менять крутящий момент помимо участия двигателя, так как его возможности ограничены всего лишь ограниченным диапазоном оборотов. Любой автоинструктор по вождению понимает, что сначала были созданы механические коробки, а потом автоматические. Но с чего все началось?

Изобретателем механической коробки переключения передач считается знаменитый немецкий инженер Карл Бенц. В 1887 году его супруга Берта тайно отправилась вместе с их сыновьями на первом автомобиле в мире навестить свою мать, на расстояние 80 километров. Путешествие оказалось очень сложным из-за несовершенства автомобильной конструкции. Трудность состояла не только в быстром износе тормозных механизмов, сделанных из кожаных ремней, и топлива, роль которого в те времена исполнял обычный пятновыводитель – средство под названием лигроин. Двигатель этого автомобиля был настолько слабым (его мощность равнялась всего лишь 0,8 лошадиным силам), что он не мог ехать под гору, и его приходилась заталкивать туда вручную. Именно после этого вояжа Бенц решил усовершенствовать автомобиль, установив на него вспомогательную передачу.

Первая МКПП была весьма примитивным устройством. Она представляла собой два шкива различного диаметра, установленные на ведущей оси. С валом мотора их соединял ремень. Рычаги помогали переставлять ремень. Со временем кожаные ремни по причине их низкой выносливости были заменены на цепь, а шкивы – на звездочки. Подобный механизм до сих пор успешно используется в велосипедах. Впоследствии появились синхронизаторы, позволившие частично автоматизировать процесс ручного переключения передач.

А вот автоматические коробки переключения передач впервые фигурировали в 1928 году, о чем мало кто знает. Автором этого детища автомеханики стал опять-таки немец – профессор Феттингер. В 1903 году он запатентовал самый первый гидротрансформатор, который впоследствии лег в основу разработки механизма первой в мире автоматической коробки передач, заменив роль сцепления в ее работе. Их начали использовать впервые на общественном транспорте – автобусах шведского производства. Первой же легковой моделью автомобиля с АКПП стал Бьюик в 1947 году.

Развитие компоновки трансмиссии

Печатаются по рекомендации методической комиссии института автомобильного транспорта и технологических систем.

Протокол № ___ от _____________ 201___ г.

Оператор компьютерной верстки

Редакционно-издательский отдел УГЛТУ

Отдел оперативной полиграфии УГЛТУ

Введение

Дви­гатель обеспечивает малый крутящий момент, особенно на низких оборотах. Поэтому за счет передаточного числа трансмиссия позволяет передавать и распреде­лять мощность двигателя на ведущие колеса при изменении подводимого крутящего момента и частоты вращения по величине и направлению. Обычно выходной вал из коробки перемены передач вращается с оборотами, со­ставляющими четвертую часть оборотов входящего вала.

В зависимости от способа переда­чи, изменения и распределения крутя­щего момента трансмиссии различают: механические, гидромеханичес­кие, гидрообъемные и электромеха­нические со ступенчатым, бесступен­чатым и автоматическим изменением крутящего момента.

Механические ступен­чатые трансмиссии состоят только из механических агрегатов (сцепление, коробка передач и др.) и обладают как рядом достоинств (высокий КПД, простота конструк­ции, относительно малые габариты и масса, надежность в эксплуатации и ремонтопригодность), так и рядом недостатков (сложность и трудо­емкость управления, значительный объем технического обслуживания, по­вышенные динамические нагрузки на агрегаты и механизмы). Ступенчатость изменения крутящего момента являет­ся основным недостатком механичес­ких трансмиссий, так как приводит к неполному использованию мощности двигателя, снижая среднюю скорость движения автомобиля и ухудшая его проходимость.

Для обеспечения лучшей приспособ­ляемости автомобиля к движению в различных условиях желательно иметь большее число ступеней в коробке перемены передач, но это усложняет кон­струкцию трансмиссии и управление автомобилем, повышает утомляемость водителя, особенно в городских условиях, что обычно сопровождается ухуд­шением безопасности движения.

Применение механических бесступенчатых трансмиссий усложняет конструкцию трансмиссии и автомобиля в целом.

Гидромеханические транс­миссии состоят из гидродинамическо­го агрегата и механических агрегатов, обеспечи­вая в определенных пределах плавное автоматическое изменение крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса, и частоты их вращения в зави­симости от условий движения. Кроме того, гидромеханическая транс­миссия частично выполняет функции сцепления, поэтому сцепление в ней может отсутствовать.

К достоинствам гидромеханической транс­миссии относятся: легкость и простота управления (способствует безопасности движения), снижение динамических на­грузок в трансмиссии, наличие авто­матического диапазона регулирования, обеспечение оптимального режи­ма работы двигателя. Недостатками ее явля­ются: более низкий КПД по сравне­нию с механической трансмиссией, сложность и высокая стоимость агре­гатов.

Электромеханические трансмиссии на легковых автомобилях по ряду при­чин пока не получили широкого при­менения, хотя первые электромобили появились более 100 лет назад и рабо­ты по их совершенствованию интен­сивно ведутся в настоящее время.

Развитие компоновки трансмиссии

Честь создания классической (заднеприводной)трансмиссии легкового автомобиля принадлежит Луи-Рене Панару (Louis-Rene Panhard) и Эмилю Левассору (Emile Levassor) в 1891 году: спереди расположен вертикальный двигатель, к которому примыкало сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал (изобретен в 1877 году Старлеем и Пекером) с распределителем и жесткая задняя ось с ведущими колесами.

Конструкция с поворотными кулачками и трапецией повышала устойчивость автомобиля и характер управления. В коробке передач использовались неизвестные ранее скользящие шестерни, однако другие технические решения сохранялись от конных экипажей. У автомобиля «Panhard et Levassor-4СV» были и недостатки: сцепление представляло собой грубый механизм, главная передача — цепная, дифференциал — самой простой конструкции.

В 1898 году Луи Рено (Louis Renault) строит автомобиль с двигателем De Dion мощностью 1,75 л.с. на трубчатой раме с революционной по тем временам коробкой перемены передач с высшей (прямой) передачей и карданной передачей (вместо цепной) к заднему мосту (Рис. 1, а).

Рис. 1. Эволюция компоновки трансмиссии автомобиля:

а) механическая 4х2 с задним приводом; б) механическая 4х2 с передним приводом;

в) механическая 6х4 с проходным мостом; г) гидравлическая или электрическая 4х2

с мотор-колесами; д) мостовая механическая 8х8; е) бортовая механическая 8х8

(1 — двигатель, 2 — сцепление, 3 — коробка передач, 4 — карданная передача, 5 — главная передача и межколесный дифференциал, 6 — шарниры равных угловых скоростей,

7 — раздаточная коробка, 8 — межосе­вой дифференциал, 9 — насос или генератор,

10 — гидро- или электродвигатель, 11 — колесный редуктор, 12 — бортовая передача)

Популярность цепного привода постепенно пошла на спад. Однако процесс развивался неспешно: на состоявшейся в 1903 году в Париже автомобильной выставке более 60% всех машин использовали задний мост с цепным приводом. К 1906 году наметился отход от цепной передачи к карданной передаче. Правда, на мощных быстроходных автомобилях сохранялась цепная передача к ведущим колесам, по мнению специалистов, обеспечивая меньшие неподрессоренные массы.

Англичанин Фредерик Ланчестер (Frederick Lanchester) создал свой автомобиль в 1895 году, который, по словам летописца автомобилестроения Энтони Берда, «был первый легковой автомобиль в мире, созданный на научной основе как единое целое». Оппозитный двигатель работал в паре с планетарной коробкой передач, от которой крутящий момент передавался коротким карданным валом червячной передаче заднего моста. Задний мост был оснащен шарикоподшипниками и шлицованными полуосями, что казалось высшим достижением технической мысли. Все узлы были стационарно смонтированы на раме, включая бензобак, придавая конструкции дополнительную жесткость. Кроме того, разработанная Ланчестером главная передача червячного типа имела КПД 97,6%, позволяя заметно снизить потери мощности.

В течение первой половины XX века трансмиссия, в основном, была продольной. Закрепленная спереди коробка передач соединялась карданной передачей с главной передачей в середине балки заднего моста, с ве­дущими колесами с каждой стороны. Карданная передача имела не менее одного шарнира и специальное устройство для небольшого изменения длины для ком­пенсирования перемещения заднего моста относительно коробки передач.

Главная передача изменяла передаточное чис­ло трансмиссии обычно в отношении 4:1, без которой передаточное отношение первой передачи составляло бы примерно 16:1. Кроме того, она включала дифференциал для обеспечения вращения колес с разными скоростями на поворотах. Жесткая труба заднего моста со­держала полуоси одинаковой длины, соединяющие дифференциал и ступицы задних ведущих колес.

С ростом автомобилизации растет доля малоопытных водителей, тре­буя автомобиль с повышенной активной без­опасностью, простой в управле­нии. Таким, в сравнении с автомобилем классической компоновки, явля­ется переднеприводный автомобиль(Рис. 1, б), технологи­ческие преимущества при сборке и ремонте которого привели к тому, что сегодня более 70% выпускаемых в мире легко­вых автомобилей имеют переднеприводную ком­поновку, в основном с поперечным размещением двигателя.

В 1897 году были созданы модели Latil и Graf und Stift с передними ведущими колесами, в 1926 году начат выпуск Tracta — первого серийного переднеприводного автомобиля (двигатель располагался продольно). К началу 1930-х годов относится всплеск конструкций с передними ведущими колесами: Citroen во Франции, Adler и Аudi в Германии, Cord в США. В 1931 году начат выпуск DKW F1 — первого переднеприводного автомобиля с поперечным расположением двигателя и коробки перемены передач.

Наиболее существенные перемены внесли модели Traction Avant (передний привод) фирмы Citroen в 1934 году и Morris Mini в 1958 году, вслед за которыми в шестидесятые годы отмечен невиданный размах выпуска переднеприводных автомобилей. Для первого конструктор Морис Сентурат скомпоновал спереди ра­диатора коробку передач, за ней — главную передачу с полу­осями, а за ней — сам двигатель. Все это четырьмя длинными болтами крепилось к подрамнику несущего цельнометаллического кузова.

Новый период переднеприводных связан с Morris Mini — малогабарит­ным, длиной 3,1 м, микролитраж­ным автомобилем, спроектированным Алеком Иссигонисом (Alec Issigonis) из принципа «главное для легкового автомоби­ля — пассажирский салон (80% длины), остальное (20%) — двигателю и другим агрега­там». Для вместительности салона четырехцилиндровый двигатель (993 см 3 , 38 л.с., 5250 об./мин) поставлен поперек. Иссигонис, в отличие от предшественников, поставил его спере­ди автомобиля, радиатор сдвинул назад и влево, поставив его рядом с блоком цилиндров. Коробка передач размещалась внутри масляного поддона двигателя с цилиндрической главной передачей, расположенной за двигателем.

Если передние колеса ведущие, двигатель можно устанавливать и продольно, и поперечно с коробкой передач, объединяющей в себе главную передачу с цилиндричес­кими шестернями и дифференциал. Почти все последующие автомобили с поперечным расположением двигателя имели коробку передач, расположенную на одной оси с коленчатым валом. Такая конструкция намного про­ще, но приводит к тому, что двигатель в сборе с коробкой передач становится существенно шире, создавая проблемы с его установкой.

Компоновка с про­дольным расположением двигателя и коробкой передач (заднемоторные автомобили Volkswagen Beetle, Renault 4CV/Dauphine) не имеет тех преимуществ в компактнос­ти, которые имели компоновки с поперечным расположе­нием двигателя. Кроме того, конструкторы стояли перед тяжелым выбором: устанавливать двигатель перед передней осью, делая перегруженной переднюю часть автомобиля и ухудшая аэродинамику автомобиля, или за осью с коробкой передач, размещенной спереди. Во втором случае двигатель бал приближен к переднему сиденью.

При пе­реднем приводе не требуются карданные валы. Для переда­чи крутящего момента на передние колеса, позво­ляя им перемещаться вертикально относительно двигателя и коробки передач, в маленьких автомобилях с задним расположе­нием двигателя 1950-х годов и с независимой подвеской зад­них колес применили различные варианты качающихся полуосей. Но применить качающиеся полуоси с обычными карданными шарнирами в переднем приводе, когда колеса должны по­ворачиваться, невозможно, и необходимо использовать шарниры равных угловых ско­ростей.

Чтобы сделать автомобиль более мощным без создания нового двигателя, в 1935 году конструктор Луиджи Бацци (Luigi Bazzi) разместил один восьмицилиндровый агрегат спереди, другой – за спиной пилота. Ведущими на Alfa Romeo Bimotore были только задние колеса, что потребовало разработки оригинальной трансмиссии (Рис. 2).

Рис. 2. Схема трансмиссии Alfa Romeo Bimotore:

1 — маховик; 2 — сцепление; 3 — коробка передач; 4 — вторичный вал коробки передач;

5 — промежуточный вал; 6 — приводные валы задних колес; 7 — кулачковая муфта; 8 — вал заднего двигателя; 9 — полуоси

Под днищем проходила система валов от заднего двигателя, связанного с маховиком основного переднего мотора специальной кулачковой муфтой, с помощью которой можно отсоединить второй двигатель от трансмиссии. Вторичный вал коробки передач сделали полым, пропустив через него промежуточный вал. Крутящий момент от двух моторов через двухдисковое сцепление и трехступенчатую коробку передач передавался на дифференциал, после которого две конические передачи приводили карданные валы, расходящиеся к бортам – к ведущим колесам. Карданы и полуоси также связаны парами конических шестерен. Два двигателя объемом по 3165 см з каждый развивали в сумме 540 л.с. при 5400 об./мин. Автомобиль достигал скорости 320 км/час, но его гоночная жизнь оказалась недолгой вследствие трудности управляемости автомобилем и его большой массы.

Конструкция привода всех колес была запатентована Робер­том Твифордом 7 июля 1898 года. В Голландии фирма Spyker экспериментально построила в 1903 году опытный полноприводный легковой автомобиль.

Полноприводные автомобили строили Гарри Миллер (Harry Miller) для знаменитых гонок «500 миль Индианаполиса» в 1931 году и Этторе Бугатти (Ettore Bugatti) для гор­ных гонок в 1932 году (Bugatti Type 53 с 300-силь­ным восьмицилиндровым двигателем), после чего появились се­рийные образцы вездеходов. Цель Миллера и Бугатти была иной — применением привода на все колеса они стремились полностью ис­пользовать вес автомобиля в качестве сцепного, повысить стабильность и скорость автомобиля на дорогах.

Как США, так и Германия в 1936-39 годах создавали армейские внедорожные автомобили. Немецкие штабные машины трех унифицированных типов имели независимую подвеску всех колес, колесную формулу 4х4, блокируемые дифференциалы, четыре управляемых колеса. В противовес немецкой конструкции американская — создала простейшие по конструкции джипы с зависимой рессорной подвеской колес. В 1939 году компания American Bantam Car C o представила Вооруженным силам США легкий дозорный автомобиль — полноприводный Bantam BRC.

По требованиям военного департамента США Studebaker, Chevrolet, International, REO развернули в 1942 году широкомасштабный выпуск трехосных полноприводных грузовиков грузоподъемностью 2,5 т, конструкция которых для многих фирм стала образцом для подражания.

Автомобили с четырьмя ведущими колесами обо­значают 4WD или 4х4. Имеются причины, чтобы сделать все колеса ведущими: достижение максимального сцепления для движения в плохих дорожных условиях, улучшение управляемо­сти и способности к разгону. Семейство внедорожных и вседорожных автомобилей часто обозначают RV (recreational vechicle — автомобили для отдыха) или SUV (sport utility vehicle — автомобили для спорта).

Дорожная концепция 4WD возникла с появлением в 1980 году Audi Quattro, не забывая при этом Jensen FF (1966 год) и исследовательскую программу по пол­ному приводу, проводившуюся в Англии в 1950-х и возглав­ленную Гарри Фергюсоном (Harry Ferguson) и Тони. Рольтом (Tony Rolt).

В начале 1990-х производитель считал обязательным предложить полноприводный вариант серийной модели. В сравнении с приводом на два колеса полный привод существенно увеличивает стоимость, массу трансмис­сии и механические потери при вращении подшипников, зацеплении ше­стерен и перемешивании масла, снижая общую работоспособность и топливную экономичность. Поэтому преимущества 4WD должны перевешивать недостатки.

При бездорожье пол­ный привод дает возможность двигаться медленно и осторожно, в то время когда при двух ведущих колесах приходится «гнать» и есть риск повредить автомобиль или застрять. У 4WD гораздо боль­ший шанс вовремя затормозить перед тем, как движение станет невозможным, но при за­стревании на мягком грунте он «копает» в два раза быстрее, чем обычный автомобиль. 4WD придает больше уверенности и обеспечивает мень­ше риска.

Если вы собираетесь осто­рожно ползти вперед, очень важны большие передаточные числа, вот почему внедорожники оборудуют­ся раздаточными коробками — дополнительными 2-ступенчатыми коробками передач, служащими для распределения крутящего момента между ведущими мостами. В раздаточной коробке может осуществляться также увеличение мо­мента, подводимого к ведущим коле­сам автомобиля. Как правило, в раздаточных коробках предусматривается устройство для включения и отключе­ния переднего ведущего моста, а иног­да от раздаточной коробки обеспечи­вается привод дополнительных агрега­тов (например, коробки отбора мощ­ности).

Часто применяются раздаточные коробки с блокированным приводом (приводы всех мостов постоянно жестко связаны друг с другом и всегда вращаются с одинаковыми угловыми скоростями). В таких коробках обычно имеется устройство для отключения привода переднего моста при движении по твердому покрытию с высоким коэффициентом сцепления, позволяя снизить расход топлива, уменьшить нагрузки трансмиссии и износ шин.

Критическим также является максимальный дорожный просвет (клиренс): не имеет никакого смысла иметь настоящий полный привод, если середина автомоби­ля застревает на кочке. Для 4WD при разных условиях движения нужны разные типы шин.

Конструкция 4WD должна предусматривать устройства, не допускающие буксова­ния одного колеса и пол­ного обездвиживания автомобиля. В руках опытного водителя автомо­биль с приводом на два колеса, с низкими передаточными числами, достаточным клиренсом и подходя­щими шинами, возможно, проедет дальше, чем полноприводный авто­мобиль, поскольку первый автомо­биль будет легче, а вес — один из вра­гов движения по бездорожью.

На твердой доро­ге полный привод мощно­го автомобиля дает преимущества на скользкой дороге, потому что он будет способен разгонять­ся быстрее (хотя он не сможет быстрее остановиться). В отношении вли­яния полного привода на управляемость и устойчивость он дает небольшое преимущество в устойчивости на скользких до­рогах, но обеспечивает более легкий контроль над автомо­билем в пограничных условиях (намного легче контролировать, чем заднеприводной автомобиль). На су­хих поверхностях с высоким коэффициентом сцепления преимущества проблематичны.

Имеется стандартная компоновка трансмис­сии 4WD c продольно расположенным двигателем, передающим крутящий момент через коробку передач, затем через короткий карданный вал в центральный узел трансмиссии, который может быть раздаточной коробкой или распре­делителем момента вперед-назад, и межосевой дифференциал. В некоторых SUV с короткой колесной базой первич­ный карданный вал может отсутствовать, и центральный узел трансмиссии является продолжением коробки передач.

Не­обходимость в межосевом дифференциале обусловлена тем, что при повороте автомобиля не только внутренние колеса вращаются медленнее, чем наружные, но и задние колеса двигаются медленнее, чем передние. Без межосевого дифференциала передние и задние колеса будут противодей­ствовать друг другу, увеличивая износ шин. Это можно допустить для автомобилей, использующих 4WD толь­ко на скользких дорогах и переключающих привод на два коле­са на твердых (SUV сохраняют привод четырех колес все время).

От центрального узла трансмиссии крутящий момент передается к передней и задней главным передачам, и к четырем колесам с помощью двух коротких карданных валов. Выходной вал к задним колесам может находиться на одной линии с входным, а выходной вал к пе­редним колесам может выступать в сторону, при этом пере­дача крутящего момента на него осуществляется с помощью цилиндрической передачи или многозвенной цепью.

Со смещением в сторону передняя главная передача расположена близко к двигателю или непосредственно под поддоном двигателя. Смещение особенно важно при использовании неразрезной балки моста, поскольку она пе­ремещается вверх и вниз. В некоторых моделях передний и задний карданные валы находятся на одной линии друг с дру­гом, а обе главные передачи смещены в сторону (компоновка при использовании раз­даточной коробки).

Преимущество применения неразрезных балок мостов для 4WD заключается в постоянстве расстояния между корпусом главной передачи и дорогой, в то время как при независимой подвеске это рас­стояние может сильно уменьшаться при полном сжатии уп­ругих элементов подвески.

Главные передачи должны передавать высокие значения крутящего момента, если автомобиль может использовать понижающую передачу в раздаточной коробке. Поскольку большое пере­даточное число понижающей передачи значительно увели­чивает крутящий момент двигателя, и, если центральный дифференциал имеет устройство повышенного трения, спо­собность к передаче крутящего момента главной передачей должна быть еще больше. Следовательно, передняя и задняя главные передачи ав­томобилей 4WD обычно больше и тяжелее, чем на простых легковых автомобилях.

Межосевой дифференциал может распределять крутящий момент несимметрично. Если распределение не 50:50, то большая часть момента обычно передается к зад­ним колесам. Когда автомо­биль движется вверх или ускоряется, происходит перераспределение массы назад, поэтому задние колеса могут реализовать больший крутящий момент, чем передние. Создать привод к задним колесам, способный воспринимать большую часть момента, легче — он не дол­жен найти свой путь, минуя двигатель, к передней главной передаче. Уменьшение доли крутящего момента, поступающего к передним колесам, улучшает управляемость автомобиля и меньше подвергает ее влиянию изменения кру­тящего момента.

Раздаточная коробка может обеспечить прямую передачу или понизить передаточное число привода в соотношении при­мерно 2:1 для работы на низких скоростях. Это может быть двухвальная коробка, в которой оба вала связаны зубчатой передачей (обычно одна пара шестерен с большим переда­точным числом для понижающей передачи, а вторая пара – повышающая).

Понижающая передача обычно имеет передаточное число, обеспечивая движение на первой передаче с полностью отпущенной педалью сцепле­ния со скоростью пешехода. Она также полезна для спуска с крутых склонов без помощи тормозов, применение которых может быть опасным.

Раньше в раздаточных коробках использовали кулачковые муфты для вклю­чения передач и переключения между низшей и высшей пе­редачами, что приводило к необходимости почти полной остановки автомобиля. Современные трансмиссии 4WD по­зволяют производить переключения на средних скоростях. Если установлено специальное сцепление для включения или отключения двух колес, включение понижающей передачи автоматически включает привод на четыре колеса (на высшей передаче отключает), что позволяет делать привод «подключаемым» в отличие от «постоянного» 4WD.

Примером может служить система первых Land Rover, когда ступицы передних колес имели «обгонные муфты», обеспечивающие на крутых поворотах свободное качение пе­редних колес без противодействия задним. Хотя, в зависимости от «внедорожных» условий раздаточная коробка может быть исключена, уменьшая стоимость, вес и экономя место.

При потере сцепления одного из колес с дорогой при использовании трех дифференциалов крутящий момент не сможет передаться ни к одному из других трех колес. Поэтому, межосевой дифференциал снабжают блокировкой (начиная с Jensen FF): при проскальзывании колеса с одной стороны автомобиля, крутящий момент пере­дается колесам другой стороны автомобиля.

При полном бло­кировании весь крутящий момент передается в одном направлении, означая, что карданный вал и полуоси должны быть сделаны вдвое более прочными, не допуская перегрузки и возможности поломки.

В боль­шинстве современных 4WD трансмиссий межосевой дифференциал заменяют вязкостной муфтой, автома­тически перераспределяемой крутящий момент при проскальзывании колес с другой стороны авто­мобиля.

Большинство «серьезных» SUV имеют непосред­ственную блокировку заднего дифференциала, которая в случае пробуксовки одного из задних колес в грязи или на другой подобной поверхности, может пе­редавать крутящий момент к остальным трем колесам. Блокировка дифференциала передней оси обычно не предусматривается из-за воз­действия на управление. В любом случае чаще в плохих до­рожных условиях застревают задние колеса, и если нет никакого выхода, то может помочь приводимая от двигате­ля лебедка с тросом, которой оборудуются некоторые RV.

Дорожные 4WDпредставляют собой полноприводные версии взятых стандартных переднеприводных или заднеприводных легковых автомобилей.

Если базовый автомобиль имел привод на передние ко­леса, то адаптация к полному приводу непосредственная. При продольном расположении двигателя и трансмиссии (большинство Audi и Subaru Impresa) устройство привода на все колеса может быть до­вольно простым: привод к задним колесам забирают из задней части стандартной коробкой передач с помощью карданной передачи и новой главной передачи заднего моста. Межосевой дифференциал встраивается в увеличенный картер коробки передач. Адаптация автомо­биля с задним расположением двигателя (Porsche Carrera) является зеркальным отражением первого варианта, только карданная передача направлена к перед­нему мосту, с дополнительной главной передачей.

Автомо­били с двигателем посередине представляют большую проблему на практике, но таких автомобилей с приводом на четыре колеса довольно мало (Bugatty ЕВ 110, Jaguar XJ220). На Bugatty крутящий момент между передними и задними колесами распределялся в со­отношении 27:73, хотя и межосевой, и зад­ний дифференциалы имели повышенное трение. Передняя главная передача получилась сравнительно небольшой, иначе могла создать проблемы в размещении привода к передним колесам.

Автомобили с центральным поперечно расположенным двигателем (MGF и Toyota MR2) реально очень трудно адаптировать для 4WD.

Для переднеприводных автомобилей с поперечным располо­жением двигателя для адапта­ции в 4WD доволь­но легко переделать корпус главной передачи, расположив его за двигателем, используя для передачи крутящего момента карданный вал и новую главную передачу (Lancia Integrale, Mitsubishi, Volkswagen Sincro, Jaguar X-type). Настоящим инженерным вызовом можно считать адап­тацию переднеприводного автомобиля, когда полностью переделывается задняя часть автомобиля. Начинают с неведущих задних колес и относительно простой подвески, находя место для карданной передачи, задней главной передачи и новой более тяжелой и сложной задней подвески.

Когда базовый автомобиль имеет привод на задние коле­са (двигатель расположен спереди) пе­реоборудование в вариант 4WD напоминает трансмиссию SUV, с раздаточной коробкой и межосевым дифференциалом, установленным в заднем расширении продольной коробки передач. Здесь всегда используют несимметричное распределение крутящего мо­мента, обычно в соотношении переднего к заднему, как 35:65.

В отличие от внедорожников, дорожные 4WD оборудуются независимыми подвесками, а корпуса главных передач с обеих сторон при­крепляются к кузову автомобиля, упрощая конструкцию карданных валов, делая легче установку переднего кардан­ного вала рядом с масляным поддоном двигателя, усложняя конструкцию приводных полуосей.

Наибольший интерес в большинстве 4WD автомобилей вызывают устройства повышенного трения, применяе­мые в качестве межосевых и задних дифференциалов. В пре­жних моделях использовались вязкостные муфты и дифференциал Torsen. Иногда использовалось их сочетание, вяз­костные в качестве межосевых дифференциалов, a Torsen в качестве заднего. Используются также вязкостные муфты с контролируемой степенью блокировки (диски муфты могут сжиматься между собой), применяемые для управле­ния распределением крутящего момента между передними и задними колесами под электронным контролем, с про­граммным обеспечением, учитывающим разнообразные факторы (скорость автомобиля, угловая скорость колес, поперечная сила). Конструкторы современных SUV предпочитают простым блокиров­кам дифференциалов чувствительные устройства, управляющие сцеплени­ем с дорогой и поведением автомобиля.

Тест драйв История автомобильных трансмиссий — Часть 1

1993 г. Во время тестов перед гонкой в ​​Сильверстоуне тест-пилот Williams Дэвид Култхард покинул трассу для следующих тестов на новом Williams FW 15C. На мокром асфальте машина разбрызгивает повсюду брызги, но все же каждый может услышать странный монотонный скоростной звук десятицилиндрового двигателя. Очевидно, Фрэнк Уильям использует другой вид передачи. Всем просвещенным ясно, что это не что иное, как бесступенчатая трансмиссия, разработанная для удовлетворения потребностей двигателя Формулы 1. Позже выяснилось, что она была разработана при участии вездесущих специалистов компании Van Doorn. Передача инфекции. Две компании-заговорщики вложили в этот проект огромный инженерный и финансовый потенциал за последние четыре года, чтобы создать полностью функциональный прототип, который может переписать правила динамики в королеве спорта. В видео на YouTube сегодня вы можете увидеть тесты этой модели, и сам Култхард утверждает, что ему нравится ее работа — особенно в углу, где нет необходимости тратить время на переключение на пониженную передачу — обо всем позаботились электроника. К сожалению, все, кто работал над проектом, лишились плодов своего труда. Законодатели поспешили запретить использование таких передач в Формуле, предположительно из-за «несправедливого преимущества». Правила были изменены, и вариатор с клиновым ремнем или трансмиссии CVT остались в истории только с этим кратким проявлением. Дело закрыто, и Williams должна вернуться к полуавтоматическим трансмиссиям, которые до сих пор являются стандартными в Формуле 1 и которые, в свою очередь, стали революцией в конце 80-х. Кстати, еще в 1965 году DAF с трансмиссией Variomatic предпринимал попытки выйти на трек автоспорта, но на тот момент механизм был настолько массивным, что даже без вмешательства субъективных факторов был обречен на провал. Но это уже другая история.

Мы неоднократно приводили примеры того, сколько инноваций в современном автомобилестроении является результатом старых идей, рожденных в головах чрезвычайно одаренных и проницательных людей. Из-за своей механической природы коробки передач являются одним из самых ярких примеров того, как они могут быть реализованы, когда придет время. В настоящее время сочетание передовых материалов и производственных процессов и электронного правительства создало возможность для невероятно эффективных решений во всех формах передачи. Тенденция к снижению расхода с одной стороны и специфика новых двигателей с уменьшенными габаритами (например, необходимость быстрого преодоления турбо-дыры) приводят к необходимости создания автоматических трансмиссий с более широким диапазоном передаточных чисел и, соответственно, большим количеством передач. Их более доступными альтернативами являются бесступенчатые трансмиссии для небольших автомобилей, часто используемые японскими автопроизводителями, и автоматические механические трансмиссии, такие как Easytronic. Opel (также для небольших автомобилей). Механизмы параллельных гибридных систем специфичны, и в рамках усилий по снижению выбросов электрификация привода фактически происходит в трансмиссиях.

Двигатель не может обойтись без коробки передач

На сегодняшний день человечество не изобрело более эффективного способа прямой передачи механической энергии (за исключением, конечно, гидравлических механизмов и гибридных электрических систем), чем способы с использованием ремней, цепей и шестерен. Конечно, вариаций на эту тему бесчисленное множество, и лучше понять их суть можно, перечислив наиболее выдающиеся разработки в этой области за последние годы.

Концепция электронного переключения передач или электронного косвенного соединения механизма управления с коробкой передач — далеко не последний крик, потому что в 1916 году компания Pullman из штата Пенсильвания создала коробку передач, переключающую передачи электрически. Используя тот же принцип работы в усовершенствованном виде, двадцать лет спустя он был установлен в авангардном Cord 812 — одном из самых футуристических и замечательных автомобилей не только в 1936 году, когда он был создан. Достаточно показателен тот факт, что на обложке книги о достижениях промышленного дизайна этот шнур можно найти. Его трансмиссия передает крутящий момент от двигателя на переднюю ось (!), А переключение передач прямое филигранное для тогдашнего представления рулевой колонки, которое активирует специальные электрические переключатели, которые активируют сложную систему электромагнитных устройств с вакуумными диафрагмами, включая шестерни. Дизайнерам Cord удалось все это удачно совместить, и это прекрасно работает не только в теории, но и на практике. Настроить синхронизацию между переключением передач и работой сцепления — настоящий кошмар, и, согласно свидетельствам того времени, можно было отправить механика в психиатрическую лечебницу. Однако Cord был роскошным автомобилем, и его владельцы не могли позволить себе небрежное отношение многих современных производителей к точности этого процесса — на практике большинство автоматизированных (часто называемых роботизированными или полуавтоматическими) коробками передач переключаются с характерной задержкой, и часто порывами.

Никто не утверждает, что синхронизация — намного более простая задача с более простыми и широко распространенными механическими трансмиссиями сегодня, потому что вопрос «Почему вообще необходимо использовать такое устройство?» Имеет фундаментальный характер. Причина этого сложного события, но также открывающая ниша для бизнеса для миллиардов, кроется в самой природе работы двигателя внутреннего сгорания. В отличие, например, от парового двигателя, где давление пара, подаваемого в цилиндры, может изменяться относительно легко, и его давление может изменяться во время запуска и нормальной работы, или от электродвигателя, в котором сильное движущее магнитное поле также существует в при нулевых оборотах в минуту (на самом деле тогда она самая высокая, а из-за снижения КПД электродвигателей при увеличении скорости все производители трансмиссий для электромобилей в настоящее время разрабатывают двухступенчатые варианты) двигатель внутреннего сгорания имеет характеристику, при которой максимальная мощность достигается при скорости близки к максимальным, а максимальный крутящий момент — в относительно небольшом диапазоне скоростей, при котором протекают наиболее оптимальные процессы сгорания. Также следует отметить, что в реальной жизни двигатель редко используется на кривой максимального крутящего момента (соответственно на кривой развития максимальной мощности). К сожалению, крутящий момент на низких оборотах минимален, и, если трансмиссия подключена напрямую, даже со сцеплением, которое отключается и обеспечивает трогание с места, автомобиль никогда не сможет выполнять такие действия, как трогание с места, ускорение и движение с широким диапазоном скорость. Вот простой пример — если двигатель передает свою скорость 1: 1, а размер шин 195/55 R 15 (пока абстрагируемся от наличия главной передачи), то теоретически автомобиль должен двигаться со скоростью 320 км. / ч при 3000 оборотах коленчатого вала в минуту. Конечно, у автомобилей есть прямые или близкие передачи и даже понижающие передачи, и тогда главная передача также входит в уравнение и должна быть принята во внимание. Однако, если мы продолжим исходную логику рассуждений о движении с нормальной скоростью 60 км / ч по городу, двигателю потребуется всего 560 об / мин. Конечно, нет мотора, способного сделать такой шпагат. Есть еще одна деталь — потому что чисто физически мощность прямо пропорциональна крутящему моменту и скорости (ее формула также может быть определена как скорость x крутящий момент / определенный коэффициент), а ускорение физического тела зависит от приложенной к нему силы. , поймите, в данном случае мощность, логично, что для более быстрого разгона вам потребуются более высокие скорости и большая нагрузка (т.е. крутящий момент). Звучит сложно, но на практике это означает следующее: каждый водитель, даже тот, кто ничего не понимает в технике, знает, что для того, чтобы быстро обогнать машину, нужно переключить на одну или даже две передачи ниже. Таким образом, именно с помощью коробки передач она мгновенно обеспечивает более высокие обороты и, следовательно, большую мощность для этой цели при той же степени давления на педаль. В этом и состоит задача данного устройства — с учетом характеристик двигателя внутреннего сгорания обеспечить его работу в оптимальном режиме. Езда на первой передаче со скоростью 100 км / ч будет довольно неэкономичной, а на шестой, подходящей для трассы, трогаться невозможно. Не случайно, для экономичного вождения требуется раннее переключение и работа двигателя с максимально возможной нагрузкой (то есть движение немного ниже кривой максимального крутящего момента). Специалисты используют термин «низкое удельное энергопотребление», которое находится в среднем диапазоне оборотов и близка к максимальной нагрузке. Тогда дроссельная заслонка бензиновых двигателей открывается шире и снижает насосные потери, увеличивает давление в цилиндрах и тем самым улучшает качество химических реакций. Более низкие скорости уменьшают трение и оставляют больше времени для полного заполнения. Гоночные автомобили всегда работают на высоких скоростях и имеют большое количество передач (восемь в Формуле 1), что позволяет снизить скорость при переключении и ограничивает переход в зоны со значительно меньшей мощностью. Что касается обычных автомобилей, то при движении по городу рекомендуется как можно раньше переключаться на более высокую передачу — в подтверждение вышесказанного.

На самом деле может обойтись и без классической коробки передач, но…

Случай гибридных систем и, в частности, комбинированных систем, таких как Toyota Prius. Этот автомобиль не имеет коробки передач ни одного из перечисленных типов. У него практически нет коробки передач! Это возможно потому, что вышеупомянутые недостатки компенсируются за счет электрической системы. Трансмиссию заменяет так называемое устройство разделения мощности, планетарный механизм, который объединяет двигатель внутреннего сгорания и две электрические машины. Для людей, которые не читали выборочное объяснение его работы в книгах по гибридным системам и особенно по созданию Prius (последние доступны в онлайн-версии нашего сайта ams.bg), мы скажем только, что механизм позволяет часть механической энергии двигателя внутреннего сгорания передаваться напрямую, механически и частично, преобразовываться в электрическую (с помощью одной машины в роли генератора) и снова в механическую (с помощью другой машины в роли электродвигателя). Гениальность этого творения Toyota (чья оригинальная идея — американская компания TRW из 60-х) — обеспечить высокий крутящий момент при запуске, что позволяет избежать необходимости очень низких передач и позволяет двигателю работать в эффективных режимах. при максимальной нагрузке, имитируя максимально возможную передачу, при этом электрическая система всегда работает как буфер. Когда требуется имитация ускорения и пониженной передачи, частота вращения двигателя увеличивается за счет управления генератором и, соответственно, за счет его скорости с помощью сложной электронной системы управления током. При моделировании высоких передач даже две машины должны поменяться ролями, чтобы ограничить скорость двигателя. В этот момент система переходит в режим «циркуляции мощности», и ее эффективность значительно снижается, что объясняет резкое отображение расхода топлива этого типа гибридных автомобилей на высоких скоростях. Таким образом, эта технология на практике является компромиссом, удобным для городского движения, поскольку очевидно, что электрическая система не может полностью компенсировать отсутствие классической коробки передач. Для решения этой проблемы инженеры Honda использует простое, но гениальное решение в своей новой сложной комбинированной гибридной системе, которая должна конкурировать с Toyota — они просто добавляют шестую механическую коробку передач, которая включается вместо высокоскоростного гибридного механизма. Все это может быть достаточно убедительным, чтобы показать необходимость коробки передач. Конечно, по возможности с большим количеством передач — дело в том, что с ручным управлением водителю будет просто не комфортно иметь большое количество, и цена возрастет. На данный момент 7-ступенчатые механические коробки передач, такие как у Porsche (на основе DSG) и Chevrolet Корветы встречаются довольно редко.

Все начинается с цепочек и ремней

Итак, различные условия требуют определенных значений необходимой мощности в зависимости от скорости и крутящего момента. И в этом уравнении необходимость эффективной работы двигателя и снижения расхода топлива, в дополнение к современным технологиям двигателей, трансмиссия становится все более важной задачей.

Естественно, первая проблема, которая возникает, это запуск — в первых легковых автомобилях наиболее распространенной формой коробки передач была цепная передача, заимствованная у велосипеда, или ременная передача, действующая на ременные шкивы разного диаметра. На практике в ременной передаче неприятных сюрпризов не обошлось. Он не только был таким же шумным, как его цепные партнеры, но и не мог сломать зубы, что было известно по примитивным зубчатым механизмам, которые водители в то время называли «трансмиссионным салатом». С начала века проводились эксперименты с так называемым «фрикционным приводом на колеса», у которого нет ни сцепления, ни шестерен, и в котором используются Nissan и Mazda в их тороидальных коробках передач (о которых будет сказано позже). Однако альтернативы зубчатым колесам также имели ряд серьезных недостатков — ремни не выдерживали длительных нагрузок и возрастающих скоростей, быстро расшатывались и рвались, а «колодки» фрикционных колес подвергались слишком быстрому износу. В любом случае, вскоре после зарождения автомобильной промышленности зубчатые передачи стали необходимы и оставались единственным вариантом на данном этапе для передачи крутящего момента в течение довольно длительного периода времени.

Рождение механической трансмиссии

Леонардо да Винчи спроектировал и изготовил зубчатые колеса для своих механизмов, но производство прочных, достаточно точных и долговечных зубчатых колес стало возможным только в 1880 году благодаря наличию соответствующих металлургических технологий для создания высококачественных сталей и металлообрабатывающих станков. относительно высокая точность работы. Потери на трение в шестернях сократились всего до 2 процентов! Это был момент, когда они стали незаменимыми как элемент коробки передач, но проблема оставалась с их унификацией и размещением в общем механизме. Примером новаторского решения является Daimler Phoenix 1897 года, в котором шестерни различных размеров были «собраны» в настоящую, согласно сегодняшнему пониманию, коробку передач, которая помимо четырех скоростей имеет еще и передачу заднего хода. Два года спустя Packard стала первой компанией, использовавшей хорошо известное расположение рычага переключения передач на концах буквы «H». В последующие десятилетия шестерен больше не стало, но механизмы продолжали совершенствоваться во имя облегчения работы. Карлу Бенцу, вооружившему свои первые серийные автомобили планетарной коробкой передач, удалось пережить появление первых коробок передач с синхронизаторами, созданных Cadillac и La Salle в 1929 году. Два года спустя синхронизаторы уже использовались Mercedes, Матис, Maybach и Хорьх, а потом еще один Воксхолл, Ford и Роллс-Ройс. Одна деталь — у всех была несинхронизированная первая передача, что сильно раздражало водителей и требовало особых навыков. Первая полностью синхронизированная коробка передач использовалась английским Alvis Speed ​​Twenty в октябре 1933 года и была создана известной немецкой компанией, которая до сих пор носит название «Gear Factory» ZF, которое мы часто будем упоминать в нашем рассказе. Лишь в середине 30-х годов синхронизаторы начали устанавливаться на другие марки, но в более дешевых легковых и грузовых автомобилях водители продолжали бороться с рычагом переключения передач, чтобы двигаться и включать скользящие передачи. Фактически, решение проблемы неудобств такого рода искали гораздо раньше с помощью различных структур трансмиссии, направленных также на постоянное зацепление зубчатых пар и их соединение с валом — в период с 1899 по 1910 год Де Дион Бутон разработал интересную трансмиссию в шестерни которого постоянно находятся в зацеплении, а их соединение с вторичным валом осуществляется с помощью небольших муфт. Компания Panhard-Levasseur имела аналогичное развитие, но при их разработке постоянно включенные шестерни были прочно соединены с валом с помощью пальцев. Конструкторы, конечно же, не перестали думать о том, как облегчить водителям и защитить автомобили от лишних повреждений. В 1914 году инженеры Cadillac решили, что они могут использовать мощность своих огромных двигателей и оснастить автомобили регулируемой главной передачей, которая могла бы переключаться электрически и позволяла изменять передаточное число с 4,04: до 2,5: 1. Он использовал подобное снаряжение Rolls-Royce.

20-е и 30-е годы были временем невероятных изобретений, которые являются частью постоянного накопления знаний на протяжении многих лет. Например, в 1931 году французская компания Cotal создала механическую коробку передач с электромагнитным переключением, управляемую небольшим рычагом на рулевом колесе, который, в свою очередь, был совмещен с небольшим, размещенным на полу рычагом холостого хода. Мы упоминаем последнюю особенность, потому что она позволяет автомобилю иметь ровно столько передач переднего хода, сколько заднее — четыре. В то время изобретением Котала интересовались такие престижные бренды, как Delage, Delahaye, Salmson и Voisin. В дополнение к вышеупомянутому причудливому и забытому «преимуществу» многих современных заднеприводных механизмов, эта невероятная коробка передач также обладает способностью «взаимодействовать» с автоматическим переключателем Fleschel, который переключает передачи с падением скорости из-за нагрузки на двигатель и фактически является одним из первые попытки автоматизировать процесс.

Большинство автомобилей 40-х и 50-х годов имели по три передачи, потому что двигатели не развивались более 4000 об / мин. С увеличением оборотов, крутящего момента и кривых мощности три передачи больше не покрывали диапазон оборотов. В результате получилось дисгармоничное движение с характерным «оглушением» передачи при подъеме и чрезмерным форсированием при переключении на более низкую. Логическим решением проблемы стал массовый переход на четырехступенчатую передачу в 60-х годах, а первые пятиступенчатые коробки передач в 70-х стали значительным событием для производителей, которые с гордостью отметили наличие такой коробки передач наряду с изображением модели на автомобиле. Недавно владелец классического Opel Commodore рассказал мне, что когда он покупал машину, она была на 3-х передачах и в среднем расходовала 20 л / 100 км. Когда он заменил коробку передач на четырехступенчатую, расход стал 15 л / 100 км, а после того, как он наконец получил пятиступенчатую, последний снизился до 10 литров.

Сегодня практически нет автомобилей с менее чем пятью передачами, и шесть скоростей становятся нормой в более высоких версиях компактных моделей. Идея шестой в большинстве случаев заключается в сильном снижении скорости на высоких оборотах, а в некоторых случаях, когда это не так долго и снижение скорости падает при переключении. Многоступенчатые трансмиссии особенно положительно влияют на дизельные двигатели, агрегаты которых имеют высокий крутящий момент, но значительно сокращенный рабочий диапазон из-за принципиального характера работы дизеля.

Источник https://avtoinstruktor199.ru/articles/istoriya-razvitiya-korobki-peredach/

Источник https://poisk-ru.ru/s2854t4.html

Источник https://avtotachki.com/istoriya-avtomobil-nyh-transmissiy-chast-1/