Автоматические коробки передач. Классификация, характеристики

1. Назначение и требования к автоматическим коробкам передач АКП

Коробка передач предназначена для преобразования крутящего момента и частоты вращения, развиваемых коленчатым валом двигателя для получения различных тяговых усилий на ведущих колесах при трогании автомобиля с места и его разгоне, при движении автомобиля и преодолении различных дорожных препятствий.

Коробка передач дает возможность двигаться с малыми скоростями, которые не могут быть обеспечены ДВС, коленчатый вал которого развивает невысокую минимально устойчивую частоту вращения. Коробка передач должна обеспечить возможность движения задним ходом и длительное отсоединение двигателя от трансмиссии при его пуске, на стоянке или при движении автомобиля накатом.

Коробка передач – это агрегат автомобиля, преобразующий крутящий момент двигателя для различных условий движения. Выключение сцепления и переключение передач составляют львиную долю физических усилий, затрачиваемых на управление автомобилем. Коробки передач с автоматическим переключением применяют для того, чтобы уменьшить эти физические усилия. Также повышается уровень активной безопасности благодаря тому, что все внимание водителя направлено на контроль ситуации на дороге.

Достижения в области электроники позволяют объединить работу электронных функциональных компонентов и гидравлической системы и обеспечить безопасное высокоэффективное автоматическое управление автомобилем.

Хотя конструктивно автоматические коробки передач существенно отличаются от механических коробок передач, но так как функция как узла у них одинаковая, то и требования к автоматическим коробкам передач предъявляются схожие:

1. обеспечение необходимых динамических и экономических качеств автомобиля;
2. создание условий для возможности длительного отсоединения двигателя от трансмиссии при нейтральном положении;
3. обеспечение простоты и удобства управления;
4. создание условий для бесшумной работы;
5. обеспечение высокого КПД.

Кроме того, к автоматическим коробкам передач предъявляют требования, общие для большинства механизмов автомобиля, — надежность работы, простота обслуживания, малые габаритные размеры и масса, а также невысокая стоимость. И хотя как более сложный узел по данным параметрам АКП уступают механическим, автопроизводители постоянно совершенствуют как конструктивное исполнение АКП, так и принцип действия.

2. Классификация автоматических коробок передач

Конструкции автоматических коробок передач (АКП) зависят от типа автомобиля, его назначения, взаимного расположения двигателя и ведущих колес, и характера изменения передаваемого крутящего момента.

Классифицировать АКП можно по нескольким признакам:

• по конструкции: гидромеханическая, фрикционная, механическая автоматизированная;
• управлению: полуавтоматическое, автоматическое, автоматическое в режиме ручного переключения передач;
• изменению крутящего момента: ступенчатая, бесступенчатая, комбинированная;
• общей компоновке: заднеприводные, переднеприводные продольные, переднеприводные поперечные, полноприводные на базе заднеприводных, полноприводные на базе переднеприводных поперечных и полноприводные на базе переднеприводных продольных.

Расположение агрегатов трансмиссии в автомобиле во многом определяется тем, к каким колесам осуществляется подвод мощности двигателя. В настоящее время используются три схемы подвода мощности к ведущим колесам автомобиля (на примере ГМП):

1) подвод мощности к передним колесам (переднеприводные автомобили); в этом случае все агрегаты трансмиссии компонуются в едином картере, который жестко крепится к двигателю (рис. 1);

Рис. 1. Гидромеханическая коробка передач переднеприводного автомобиля

Рис. 2. Гидромеханическая коробка передач заднеприводного автомобиля

2) подвод мощности к задним колесам (заднеприводные автомобили); в этом случае гидротрансформатор и коробка передач расположены в передней части автомобиля и жестко крепятся к картеру двигателя; с другими агрегатами трансмиссии, находящимися в заднем мосту, они соединяются с помощью карданного вала (рис. 2);

3) подвод мощности ко всем колесам (полноприводные автомобили); в этом случае в состав трансмиссии вводится дополнительный агрегат – раздаточная коробка. Раздаточные функции в современных автомобилях выполняют механические и гидромеханические устройства с электронным управлением: вискомуфта, пластинчатая муфта «Халдекс», кулачковая муфта, межосевой дифференциал повышенного трения «Torsen» (рис. 3).

Рис. 3. Гидромеханическая коробка передач полноприводного автомобиля

Классификацию автоматических коробок передач по конструкции более подробно можно представить в следующем виде (рис. 4).

В автоматических трансмиссиях используются механические редукторы как планетарного типа, так и с неподвижными осями валов, которые для краткости называют вальными коробками передач. Эти коробки (планетарные и вальные) включают фрикционные элементы для переключения передач без разрыва потока мощности.

В последнее время, особенно на легковых автомобилях малого класса, используются бесступенчатые вариаторы фрикционного типа с гибкой связью и механические коробки передач с автоматизированным управлением. Коробки передач, в которых используются вариаторы, называют бесступенчатыми. Автоматизированные коробки передач конструктивно представляют собой обычную механическую КП, которой с помощью гидро- или электроприводов управляет электроника. Электроника управляет агрегатами трансмиссии либо самостоятельно (рычаг КП в положении «автомат»), либо согласно пожеланиям водителя (передачи переключаются вручную). Прямой механической связи между рычагом КП и механизмом управления нет. Рассмотрим подробнее типы автоматических коробок передач.

Рис. 4. Классификация автоматических коробок передач по конструкции

2.1 Гидромеханическая трансмиссия

Гидромеханическая передача (ГМП) стала самым распространенным видом автомобильной автоматической трансмиссии. Из-за широкого распространения именно ее за рубежом называют «автоматическая трансмиссия» .

Это комбинированная трансмиссия, которая состоит из механизмов механической и гидравлической трансмиссий. В гидромеханической трансмиссии передаточное число и крутящий момент изменяются ступенчато и плавно. Она включает в себя гидротрансформатор и саму коробку переключения передач, состоящую из планетарных механизмов, пакетов фрикционов, клапанов и гидропривода (рис. 5).

Рис. 5. Устройство гидромеханической коробки передач

Гидротрансформатор устанавливают вместо сцепления, и в нем передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии происходит за счет гидродинамического напора жидкости. Гидротрансформатор плавно автоматически изменяет крутящий момент в зависимости от нагрузки. При этом крутящий момент от гидротрансформатора передается коробке передач, в которой передачи включаются с помощью фрикционных механизмов.

Применение гидротрансформатора обеспечивает плавное трогание автомобиля с места, уменьшает число переключений передач, что снижает утомляемость водителя, почти в два раза повышается долговечность двигателя и механизмов трансмиссии вследствие уменьшения в трансмиссии динамических нагрузок и крутильных колебаний. Снижается также вероятность остановки двигателя при резком увеличении нагрузки.

До второй половины 90-х годов передачи в агрегатах данного типа переключались автоматически. Водитель мог только ограничивать включение передач верхнего диапазона – третью и четвертую или только четвертую. Долгие годы такие «автоматы» с гидротрансформатором по ряду позиций (уровню обеспечиваемого комфорта, сохранности ресурса двигателя) превосходили «механику». Однако многим водителям они все же не нравились из-за невозможности участвовать в выборе передач. С развитием электроники в АКП внедрили режим ручного переключения передач: рычаг следует перемещать вперед-назад либо вправо-влево, осуществляя переход на повышенную или пониженную передачу.

Такие коробки назвали секвентальными (от англ. sequential – последовательный). Впрочем, каждыйавтопроизводительприсвоил им собственное название, например, у концерна VW они именуются «Tiptronic», у BMW – «Steptronic», y Volvo – «Geartronic» и т. д.

Последние конструкторские разработки были направлены на увеличение чисел (ступеней) передач. Так, в свое время появилась шестиступенчатая АКП компании ZF на автомобилях BMW-X5, а чуть позже и «автомат» с семью передачами «7G-Tronic» концерна Daimler-Chrysler. Переключения стали более плавными и быстрыми, чем прежде. При этом автомобили, оснащенные этими трансмиссиями, в среднем расходуют на 5% меньше топлива, сократилось время разгона до первой сотни, улучшилась эластичность.

Совершенствуются и системы управления автоматическими коробками. Управляющая гидравлика осталась разве что на простых моделях, на остальных переключениями заведует электроника. Она отдает приказы электрическим, пневматическим или гидравлическим исполнительным механизмам, блокирующим нужные шестерни планетарных передач. Компьютерные технологии заставили агрегаты работать точнее и быстрее. Например, при резком нажатии на педаль газа (режим «кик-даун») коробка не перебирает передачи последовательно, а перескакивает по схеме VII–V–III, раньше в такой ситуации перебирались все передачи.

Процессоры последнего поколения, связанные с другими системами автомобиля скоростной CAN-шиной, при разгоне отключают кондиционер, чтобы передать на колеса всю мощность двигателя. Кроме того, проще стало с унификацией – такую коробку легче адаптировать к другому мотору.

У современных гидродинамических коробок передач муфта блокировки гидротрансформатора замыкается практически сразу после начала движения – это минимизирует пробуксовки в трансмиссии, ведущие к потере мощности.

В зависимости от производителя АКП отличаются друг от друга программным обеспечением электронного блока управления. Алгоритм переключения передач – «спорт» (sport), «зима» (winter) – в более ранних конструкциях задавался водителем путем нажатия соответствующей кнопки. Последние «автоматы» способны определять стиль вождения водителя и автоматически изменять алгоритм переключения передач.

В спортивном режиме, например, тяга двигателя используется на все сто процентов. Включение каждой последующей передачи происходит при частотах коленчатого вала, близких к частотам, на которых развивается максимальный крутящий момент. При дальнейшем ускорении частота вращения коленчатого вала доводится до значений, при которых двигатель развивает максимальную мощность. Автомобиль в этом случае развивает большие ускорения по сравнению с теми, что осуществляются при работе «экономичной» или «нормальной» программ .

2.2 Фрикционная трансмиссия

Фрикционные передачи, в отличие от других типов бесступенчатых передач, изменяют крутящий момент за счет использования только одного вида энергии – механической.

Рис. 6. Схема бесступенчатой фрикционной трансмиссии

Бесступенчатая фрикционная трансмиссия первых автомобилей выполнялась по лобовой схеме (рис. 6). Передаточное отношение изменялось при перемещении ведомого вала 2 относительно ведущего шкива 1 рычагом 4, а пересечением оси последнего осуществлялось реверсирование. Выключение передачи (функция сцепления) производилось рычагом 3, отодвигающим подпружиненный ведущий шкив 1 .

Хотя с точки зрения современного машиностроения лобовая передача – не лучший вариант КП, на первых порах она удовлетворяла все запросы и подкупала своей простотой. Кроме того, наряду с плавным изменением крутящего момента в этом механизме легко реализовывалась и функция сцепления – подпружиненный ведущий диск простейшим рычагом легко выводился из контакта с ведомым.

Такая передача просуществовала на автомобилях до 30-х годов. Но с ростом мощности двигателей ее возможности были полностью исчерпаны.

В настоящее время широко используются бесступенчатые трансмиссии или вариаторы CVT (от англ. Continuously Variable Transmission – бесступенчато варьируемая трансмиссия). Эти механизмы отличают простота и надежность конструкции.

В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобилях получили распространение два вида вариаторов: клиноременный и тороидный.

Рис. 7. Принципиальная конструкция клиноременного вариатора

Особенностью конструкции клиноременного вариатора являются разрезные конусные шкивы ведущего и ведомого валов, соединенные приводным ремнем (рис. 7).

Момент здесь передается, как и в любой ременной передаче, но ее передаточное отношение может меняться. Для этого сдвигают и раздвигают конические диски, образующие шкивы ременной передачи, – обычно это делается гидравлическим приводом под контролем электроники. Причем перемещение конусов на обоих шкивах происходит одновременно.

Если раздвигать ведущие диски и сдвигать ведомые, то радиус обкатывания на ведущих дисках уменьшается, а на ведомых увеличивается – таким образом, увеличивается момент и уменьшается скорость (рис. 8, положение А). Когда оба шкива находятся в среднем положении, передаточное отношение равно единице (положение Б). Если раздвигать ведомые диски и сдвигать ведущие, то радиус обкатывания на ведущих увеличивается, а на ведомых уменьшается – увеличивается скорость и уменьшается момент (положение В) .

Рис. 8. Положения работы вариатора

Первоначально клиноременные вариаторы использовались на снегоходах, картингах, мотоциклах. Система управления клиноременным вариатором этих транспортных средств была настроена таким образом, чтобы в процессе разгона двигатель работал на постоянных оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту, а разгон осуществлялся за счет изменения передаточного отношения клиноременного вариатора.

Долгое время применение таких передач ограничивалось прочностными характеристиками ремня.

Тороидный вариатор также относится к группе бесступенчатых фрикционных передач. Его принципиальное отличие заключается в том, что между ведущим и ведомым дисками расположены ролики, которые, поворачиваясь на нужный угол, меняют передаточное отношение. Усилие, с которым давят ролики на диски, доходит до десяти тонн, поэтому детали производят из высокопрочной стали, применяют трансмиссионное масло со специальными добавками.

Торовые вариаторы бывают двух типов: с диаметральным расположением роликов (рис. 9,а) и с хордальным расположением роликов (рис. 9,б). Принцип работы их одинаков: к ведомой чашке приложен нагружающий момент (например, она связана через карданный вал и главную передачу с ведущими колесами автомобиля). Крутящий момент двигателя подводится на ведущую чашку вариатора. Если чашки и ролики прижаты друг к другу в осевом направлении, то в контактах между ними возникают касательные силы (они перпендикулярны плоскости рисунка). На ведущей чашке эти силы пытаются вращать ролики вокруг их осей, а на ведомой касательные силы сопротивления препятствуют вращению роликов. Таким образом вариатор передает крутящий момент. Передаточное отношение вариатора определяется отношением радиусов качения ролика на ведомой и ведущей чашке: i = r2 / r1 .

Соответственно, для изменения этого отношения необходимо поворачивать ролики на угол (рис. 9,б).

Рис. 9. Схемы торовых вариаторов диаметрального (а) и хордального (б) типов

Развитие электроники в 90-е годы позволило сделать бесступенчатые трансмиссии многорежимными – бесступенчато изменяющими передаточное число и имеющими фиксированные ступени, как в обычной механической коробке передач. При этом механизм переключения ступеней используется секвентальный.

В процессе работы блок управления выбирает обороты двигателя, на которых силовой агрегат обеспечивает наилучшую динамику – при разгоне меняется лишь передаточное число, а двигатель продолжает работать на том же режиме.

Электронная система управления позволяет последовательно переключать в ручном режиме «виртуальные» передачи, обеспечивает торможение двигателем и увеличивает обороты мотора с ростом скорости. Если педаль газа нажата только на четверть, мотор раскрутится лишь до 3000 оборотов. При интенсивном разгоне компьютер перестает заботиться об акустическом комфорте, выводя двигатель на обороты максимальной мощности.

Конструктивно слабыми местами существующих сегодня автомобильных вариаторов являются: для клиноременного – ремни, а для тороидного – пятно контакта диска и ролика. Поэтому здесь применяются специальные высокотехнологичные материалы, что делает надежность вариаторов достаточно высокой, близкой к надежности гидромеханических трансмиссий, но все же из-за нагрузок на ремень или пятно контакта вариаторы пока не могут работать с двигателями большой мощности.

Без соответствующей системы управления вариатор мало что даст, так как в отличие от гидротрансформатора он не меняет передаточного отношения «сам по себе». И распространение бесступенчатых трансмиссий, конечно же, не было бы возможно без успехов в микроэлектронике.

2.3 Автоматизированные коробки передач

Конструктивно они представляют собой обычную механическую коробку передач, которой с помощью гидроили электроприводов управляет электроника. Электроника управляет агрегатами трансмиссии либо самостоятельно (рычаг КП в положении «автомат»), либо согласно пожеланиям водителя (передачи переключаются вручную). Прямой механической связи между рычагом КП и механизмом управления нет. Посредниками между ними являются электроника и гидропривод (или электропривод). На случай ошибок в системе часто предусмотрена защита, которая не позволит водителю совершить серьезную ошибку – например, не вовремя включить задний ход или передачу, не соответствующую возможностям двигателя в данном режиме.

Автоматизированные коробки передач – не новинка. Еще в 30-е годы ХХ века «преселективные» коробки с электромагнитным или электрогидравлическим приводом механизма переключения устанавливались на дорогие автомобили. Гораздо позже ими оснастили болиды «Формулы-1». А в 90-е годы они появились и на серийных моделях – Ferrari (Selespeed), BMW (SMG), Alfa Romeo (Selespeed), Ford (Durashift EST), Opel (Easytronic), Toyota (SMT) и т. д.

Именно с развитием электроники автоматизированные коробки передач прочно обосновались как на легковых, так и на грузовых автомобилях.

Итак, автоматизированные коробки передач с автоматическим сцеплением. Эти коробки не имеют ничего общего с секвентальными трансмиссиями. Они состоят из обычной механической коробки передач и автоматического сцепления. Электронный блок управления на основании показаний ряда датчиков следит за положением рычага и педали газа и в нужный момент выключает сцепление. Он оперирует также данными от датчиков двигателя и ABS, чтобы обеспечить максимально плавные переключения и не заглушить мотор при экстренном торможении.

Рис. 10. Детали АКП с автоматическим сцеплением: 1 – сцепление; 2 – блок управления; 3 – рычаг с тягами; 4 – электромотор привода сцепления

Такими коробками передач оснащаются некоторые модели Toyota, Saab, Mercedes А-class и т. д. На рис. 10 показан комплект, который позволяет автоматизировать процесс включения и выключения сцепления.

Далее следуют автоматизированные коробки передач с автоматическим сцеплением и автоматическим переключением. В автоматизированных механических коробках передач сцеплением и переключением передач заведует электроника: ее команды исполняют пневматические, гидравлические цилиндры или соленоиды (рис. 11). Педаль сцепления отсутствует, а рычаг переключения похож на селектор «автомата».

Рис. 11. Автоматизированная коробка передач: 1 – датчик положения сцепления; 2 – электрический насос; 3 – актюатор сцепления; 4 – гидроаккумулятор; 5 – датчик выбора передач; 6 – актюатор выбора передачи; 7 – актюатор переключений; 8 – датчик переключений; 9 – вал выбора передач

Во время движения крутящий момент передаётся по одному сцеплению, диск сомкнут (допустим, на 1-й передаче по первому сцеплению); в то же время второй диск второго сцепления разомкнут, а само сцепление настроено на вторую передачу. В момент переключения первый диск размыкается, а второй синхронно смыкается. И теперь уже второе сцепление передаёт крутящий момент, а первое сцепление настраивается на 3-ю передачу и переходит в «ждущий» режим, чтобы в момент надобности подсоединиться. И всё повторяется заново.

2.4 Гидрообъемная трансмиссия (гидростатическая передача)

Гидростатические передачи принадлежат к типу передач с бесступенчатым изменением передаточного отношения.

В отличие от гидротрансформаторов, где используется динамический напор жидкости H = V_ж 2 /(2·g), в гидрообъемных передачах реализуется гидростатический напор H = P/γ (P – давление жидкости, Па, γ – удельный вес, Н/м 3 ), или иначе напор вытесняемых объемов рабочей жидкости.

В гидрообъемной трансмиссии двигатель внутреннего сгорания приводит в действие гидронасос, соединенный трубопроводами с гидромоторами, валы которых связаны с ведущими колесами автомобиля. От насоса рабочая жидкость под давлением (магистраль высокого давления) через клапан и фильтр поступает в гидромотор. В гидромоторе происходит перепад давления жидкости. От гидромотора, отдав потенциальную энергию, жидкость по магистрали низкого давления через фильтр и клапан поступает к насосу. Затем весь цикл движения жидкости повторяется. Наиболее часто гидроагрегаты располагают раздельно: насос соединяют с двигателем внутреннего сгорания, а гидромоторы устанавливают как вне колеса, так и встраивают в колесо (гидромотор-колесо). В последнем случае высокомоментные гидромоторы могут соединяться с колесом непосредственно. Такая схема удобна для компоновки гидроагрегатов и применяется для многоприводных машин и автопоездов.

Бесступенчатое изменение крутящего момента на ведомом валу передачи достигается за счет регулирования основных параметров потока – расхода и давления в одном или обоих гидроагрегатах, а реверсирование происходит за счет изменения направления движения жидкости от насоса к гидромотору при помощи клапана. Можно выделить три способа регулирования гидростатической передачи:

1. регулирование насоса;
2. регулирование мотора;
3. регулирование насоса и мотора.

Гидрообъемные передачи применяются в тракторостроении, сельскохозяйственных, строительных и дорожных машинах, а также в автопоездах высокой проходимости и карьерных самосвалах.

Гидрообъемные передачи по типу гидромашины подразделяются на поршневые, лопастные, винтовые, шестеренчатые.

На транспорте наибольшее распространение получили аксиально- и радиально-поршневые машины. Эти насосы обратимы – они могут работать как в режиме гидронасоса, так и в режиме гидромотора, преобразующего энергию жидкости в механическую работу, совершаемую вращающимся валом.

Схема аксиально-поршневого регулируемого насоса приведена на рис. 12.

В корпусе насоса 1 установлен наклонный диск 2. Угол наклона диска 2 к валу 3 может изменяться в определенных пределах. На валу 3 жестко закреплен ротор 4, в отверстиях которого расположены поршни 5. Под действием пружины 6 ползунки 7, шарнир-

Рис. 12. Схема аксиально-поршневого регулируемого насоса

но соединенные с поршнями 5, находятся в постоянном контакте с рабочей плоскостью диска 2. При вращении ротора 4 поршни 5 совершают переносное движение, вращаясь вокруг оси вала 3 вместе с ротором, а также движутся возвратно-поступательно относительно ротора.

Рис. 13. Распределительный диск

В корпусе 1 неподвижно закреплен распределительный диск 8 с двумя дуговыми пазами (рис. 13), один из которых соединен с линией всасывания, а другой – с линией нагнетания. При вращении вала 3 по часовой стрелке (если смотреть со стороны, где вал выступает из корпуса) с линией всасывания соединен паз А, а с линией нагнетания – паз Б. При движении поршня по дуге a-в-с поршневой объем увеличивается, происходит всасывание жидкости. При движении поршня по дуге c-d-a жидкость вытесняется в линию нагнетания. Подачу можно бесступенчато регулировать путем изменения угла наклона диска 2.

Рис. 14. Схема радиально-поршневого насоса

Схема радиально-поршневого насоса показана на рис. 14. В корпусе насоса 1 неподвижно закреплена ось 2, на которой установлен вращающийся вокруг нее ротор 3. В радиальных отверстиях, выполненных в роторе, расположены поршни 4. Статор 5 установлен в корпусе 1 таким образом, что центр его внутренней (рабочей) поверхности не совпадает с центром оси 2. В оси 2 выполнены четыре осевых отверстия, два из которых соединены с линией всасывания, а два других – с линией нагнетания. В случае вращения ротора по часовой стрелке с линией всасывания соединены отверстия, расположенные ниже горизонтального диаметра, а с линией нагнетания – расположенные выше него.

Эксцентриситет статора е может бесступенчато изменяться от максимальной величины до нуля с помощью регулировочного устройства. В реверсивных насосах центр статора может располагаться по разные стороны от центра вращения ротора, благодаря чему может изменяться направление потока жидкости (линии всасывания и нагнетания меняются ролями).

Аксиально-поршневые машины более компактны и работают с более высоким числом оборотов (чаще как гидронасос). Радиально-поршневые хорошо компонуются в колесах автомобилей и развивают большой крутящий момент (поэтому чаще используются как гидромотор).

Американская компания Folsom Technologies, специализирующаяся на гидрообъемных трансмиссиях, предлагает их применение и на легковых автомобилях. В картере, напоминающем корпус обычного «автомата», поместили насос, гидромотор и управляющую электронику (рис. 15).

Рис. 15. Гидрообъемная трансмиссия ф. Folsom Technologies

Регулируя подачу и давление масла, можно менять величину передаваемого крутящего момента. Причем такая трансмиссия позволяет тормозить двигателем, поскольку насос и мотор являются обратимыми.

На конгрессе SAE были показаны два типа таких вариаторов: для переднеприводных автомобилей мощностью 50–100 л. с. и для машин классической компоновки с двигателями 300–350 л. с.

По словам производителей, на основе подобных трансмиссий легко создавать гибридные машины – достаточно смонтировать на шасси гидроаккумулятор и соединительные трубопроводы. Тогда при рекуперативном торможении ведущие колеса, вращая гидромотор, будут закачивать рабочую жидкость под давлением в гидроаккумулятор. А при трогании с места запасенная энергия поможет разогнать автомобиль или обеспечит запас хода в несколько километров с неработающим ДВС. И если переднеприводной агрегат – пока опытная разработка, то вариатор для заднеприводных машин полностью готов к серийному производству.

Преимущества гидростатических передач:

• бесступенчатое изменение в широком диапазоне крутящего момента и плавная передача его на ведущие колеса;
• возможность замены всех механизмов механической трансмиссии (а не только коробки передач и сцепления) одной-двумя парами «гидронасос–гидромотор»;
• удобство компоновки (возможность свободного и дистанционного расположения агрегатов вследствие отсутствия необходимости взаимной центровки, в результате чего гидромоторы можно располагать непосредственно в колесах);
• легкость реверсирования передачи и получения одинаковых скоростей при движении автомобиля вперед и назад;
• возможность длительной и устойчивой работы двигателя под нагрузкой при малых скоростях;
• повышение проходимости автомобиля в результате непрерывного потока мощности и плавного изменения крутящего момента;
• возможность торможения самой гидростатической передачей.

К основным недостаткам можно отнести:

• большие габаритные размеры и массу;
• относительно низкий КПД (0,75–0,85);
• необходимость применения высокосортных масел стабильной вязкости и надежных высокопроизводительных фильтров для их очистки;
• сложность в изготовлении и потребность в надежных уплотнениях.

2.5 Электрическая трансмиссия

Это бесступенчатая передача, в которой крутящий момент изменяется плавно, без участия водителя, в зависимости от сопротивления дороги и частоты вращения коленчатого вала двигателя. В электрической трансмиссии двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор, питающий соединенные с ведущими колесами электродвигатели, мощность которых практически одинакова на любых оборотах. Лишенный прямой связи с колесами ДВС может постоянно работать в благоприятных режимах, однако такая длинная цепь агрегатов приводит к потерям энергии и, кроме того, увеличивает массу автомобиля.

Ведущее колесо с установленным внутри электродвигателем называется электромотор-колесом. Крутящий момент от электродвигателя к колесу передается через колесный редуктор. При применении быстроходных электродвигателей в ведущих колесах используют понижающие передачи.

В России конструкция электромотор-колеса появилась в конце 70-х годов. В Новосибирском электротехническом институте было создано устройство, которое обладало уникальными по своим техническим характеристикам свойствами (рис. 16).

Рис. 16. Электромотор-колесо

2.6 Электромеханическая трансмиссия

Это комбинированная трансмиссия, которая состоит из элементов механической и электрической трансмиссий.

В электромеханической трансмиссии двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор. Ток, вырабатываемый генератором, подводится к электродвигателю. Крутящий момент от электродвигателя через механическую трансмиссию подводится к ведущим колесам. Электромеханическая трансмиссия применяется на автомобилях с гибридной силовой установкой.

Существует множество разновидностей схем гибридных силовых установок, но самыми распространенными стали параллельная (рис. 17,а) и последовательная (рис. 17,б).

Рис. 17. Схемы гибридных установок: а) параллельная: 1 – ДВС; 2 – планетарная передача; 3 – генератор; 4 – аккумуляторы; 5 – инвертор; 6 – электромотор; б) последовательная: 1 – ДВС; 2 – электромотор-генератор; 3 – блок управления; 4 – аккумуляторы; 5 – коробка передач

В последовательной схеме автомобиль приводится в движение исключительно электродвигателем. Двигатель внутреннего сгорания приводит генератор, который вырабатывает электроэнергию для подзарядки аккумуляторов, питающих электромотор. Пример – Honda Insight.

В параллельной схеме для привода колес служат как электромотор, так и ДВС (одновременно или поочередно). Параллельная схема пока доминирует над последовательной.

3. Преимущества и недостатки АКП

По сравнению с обычной коробкой передач автоматическая коробка обладает следующими преимуществами.

1. Автоматическая коробка передач упрощает процесс управления силовым агрегатом. В процессе движения автомобиля с автоматической коробкой передач для изменения скорости используются только две педали: педаль акселератора и педаль тормоза. Педаль сцепления отсутствует.
2. Автоматическая коробка передач также упрощает процесс торможения автомобиля. На автомобиле с механической коробкой при торможении приходится пользоваться двумя педалями – сцепления и тормоза, причем необходимо переносить ногу на педаль тормоза с педали акселератора. При наличии автоматической коробки водитель осуществляет торможение, пользуясь одной широкой педалью, которая удобна для торможения как правой, так и левой ногой.
3. Наличие гидротрансформатора повышает проходимость автомобиля по снегу, песку и другим непрочным грунтам и т. д., обеспечивая на ведущих колёсах устойчивую силу тяги и любые малые скорости их вращения, увеличивая тем самым сцепление колес с дорогой. Кроме того, проведенными в НАМИ испытаниями установлено, что при движении по неровной дороге максимальная амплитуда колебаний крутящего момента на карданном валу автомобиля с гидротрансформатором существенно меньше, чем у автомобиля с механической коробкой, причем при механической коробке передач амплитуды колебаний почти в два раза могут превышать максимальный момент двигателя. Установлено также, что при трогании с места автомобиля с обычной механической коробкой передач на снежной целине крутящий момент для преодоления сопротивлений в 1,3–2 раза больше, чем при трансмиссии с гидротрансформатором. Во время испытаний на снежной целине автомобиль с механической коробкой передач почти во всех случаяхтрогался с места с пробуксовкой ведущих колес, вызывая углубление колеи и тем самым увеличивая сопротивление движению. Было определено, что из ста заездов в сложных дорожных условиях автомобиль с гидротрансформатором в 87 заездах показал лучшие результаты, чем автомобиль с механической коробкой, а в 13 заездах результаты были одинаковы.
4. При интенсивном городском дорожном движении или при движении по пересеченной местности водителю автомобиля с механической трансмиссией приходится через 30–40 секунд выключать сцепление и переключать передачи. Это приводит к повышенной утомляемости водителя и ухудшению его самочувствия, а также к увеличению ошибок при вождении автомобиля. Проведенные сравнительные исследования показали, что у таких водителей в среднем на 10% увеличивается частота пульса и дыхания, уменьшается содержание кислорода в крови (по сравнению с водителями, которые управляют автомобилями с автоматическими коробками передач). Таким образом, наличие автоматической коробки способствует комфортабельности вождения, улучшению самочувствия водителя и сохранению его здоровья, а также повышает безопасность движения.

Основными недостатками автоматических коробок передач являются:

• сложность конструкции;
• увеличенная масса и габариты;
• увеличенные потери мощности, обусловленные обслуживанием автоматической системы управления, т. е. приводом масляных насосов, а также потерями на трение в дисках выключенных сцеплений и наличием дополнительных потерь в гидротрансформаторе.

В реальных условиях эксплуатации можно полагать, что топливная экономичность автомобилей с автоматическими и механическими коробками передач примерно одинакова из-за ошибок, которые допускает среднестатистический водитель при управлении механической коробкой передач и связанных главным образом с неправильным выбором моментов переключения передач.

Вместе с тем следует признать, что при испытаниях в стандартных ездовых циклах до последнего времени показатели легковых автомобилей с механическими коробками передач были лучше, чем у тех же автомобилей с автоматическими коробками передач, что объясняется наличием дополнительных потерь, указанных выше. Однако в последнее время в связи с созданием более совершенных автоматических коробок передач ситуация стала изменяться.

Применение электронно-гидравлических систем управления, а также расширение силового и кинематического диапазона автоматических коробок передач при рациональном выборе главной передачи позволило на некоторых моделях легковых автомобилей улучшить топливную экономичность на 2–5% в ездовых циклах по сравнению с теми же автомобилями, которые имеют механическую коробку передач.

4. Характеристики автомобилей с АКП

4.1 Цены автомобилей с АКП

Одним из существенных недостатков АКП является высокая стоимость самих АКП и, соответственно, автомобилей, укомплектованных АКП. Цена самих АКП во многом зависит от их конструкции (типа), года выпуска модели АКП, производителя. В табл. 1 представлены комплектации автомобилей, отличающиеся только коробкой передач.

Сравнить стоимость разных вариантов трансмиссий можно на примере автомобилей VW Golf и Polo. Так, доплата по сравнению с 6-ступенчатой МКП за установку 6-ступенчатой АКП на автомобиль VW Golf составляет в среднем 2000$, за установку DSG – 1800$, а за установку 4-ступенчатой АКП на автомобиль VW Polo – 1070$.

Не стоит также забывать о затратах на содержание и ремонт АКП. Если вы покупаете новый автомобиль, то несколько лет можете ездить спокойно (АКПП или вариатор отремонтируют бесплатно). А вот стоимость негарантийного ремонта ниже у «гидроавтоматов». При том что и ресурс вариаторов более низкий. Интересно и то, что часть случаев отказа вариаторов связана с электроникой и гидравликой – замена этих блоков управления стоит не менее $3000, замена же цепи невелика – $300–500.

(6-скоростная роботизированная трансмиссия

Что же касается резкого роста продаж моделей с вариаторами, то это прежде всего обусловлено тем, что агрегаты данного типа проще и дешевле, значит, сравнительно недорогие автомобили все чаще будут и с CVT. Но не стоит списывать со счетов и 4-ступенчатые «автоматы», которые еще долго будут ставить на автомобили малых классов. Сегодня их можно встретить даже на свежих моделях. По запросу российских дилеров такая АКПП ставится на Mazda-2.

4.2 Динамические качества и топливная экономичность автомобилей с АКП

Как упоминалось выше, многие характеристики АКП зависят от типа АКП. Несомненно, на такие качества, как топливная экономичность и динамика разгона коробка передач оказывает непосредственное влияние. Нулевой отметкой для оценки данных характеристик служит автомобиль с механической коробкой передач (при прочих равных условиях). Рассмотрим усредненно три типа АКП, устанавливаемых на большинство серийных автомобилей: традиционные АКП (гидротрансформаторы), вариаторы (CVT) и автоматизированные коробки передач.

Данные о расходах топлива обычно базируются на стендовых испытаниях автомобиля с беговыми барабанами и основываются на европейском стандарте (ЕU), который введен с 01 января 1996 года.

Данные о величинах q_г (расход в городском цикле) и q_з (расход в загородном цикле) публикуются производителями автомобилей в соответствующих проспектах и каталогах. Для более полной оценки используется также понятие расхода в смешанном цикле q_с, который учитывает время работы автомобиля как в городских, так и в загородных условиях (табл. 1). Величина q_с определяется по формуле

Величины q_c и q_з могут быть определены как экспериментально, так и расчетом. Определение указанных параметров расчетными методами имеет важное значение при проведении поисковых работ на стадии проектирования, так как позволяет глубже понять влияние отдельных параметров двигателя и трансмиссии на топливную экономичность автомобиля и более обоснованно подойти к выбору ряда конструктивных параметров.

Отметим также, что иногда расход топлива указывается по стандарту ЕСЕ, в котором приводится расход топлива для скоростей 90 и 120 км/час, а также в городском цикле (q_г). Приведенные ниже исследования в основном базируются на данных смешанного цикла q_c, как наиболее полно соответствующих реальному расходу топлива при эксплуатации автомобиля. Данные о топливной экономичности для АКП различных типов представлены на рис. 18. Здесь показана зависимость топливной экономичности автомобиля в смешанном ездовом режиме. Данные получены путем сравнения расхода топлива одинаковых моделей автомобилей, оснащенных автоматическими коробками передач (АКП) и с ручным переключением (МКП). При этом используется параметр

, где q_са и q_см – расходы топлива автомобилем в смешанном цикле с автоматической (АКП) и механической (МКП) коробками передач соответственно. Положительные значения φ_т показывают экономию топлива в % в смешанном цикле у автомобилей с автоматическими коробками передач по сравнению с автомобилями, оснащенными механическими коробками передач, а отрицательные – перерасход. При φ_т = 0 показатели топливной экономичности АКП и МКП совпадают.

Рис. 18. Расход топлива в смешанном цикле автомобиля с различными типами трансмиссий в зависимости от мощности двигателя

График (рис. 18) позволяет установить следующее. С увеличением мощности двигателя недостатки АКП перед МКП уменьшаются. Это связано с тем, что при большей мощности удельный вес дополнительных потерь (дисковых и на привод масляного насоса для системы управления) снижается. Из графика также видно, что большое влияние на топливную экономичность оказывает диапазон изменения передаточных чисел в коробке передач. С увеличением диапазона легче обеспечить работу двигателя по кривой минимального удельного расхода топлива или близкой к ней.

В результате, чем больше диапазон, тем выше КПД двигателя и лучше показатели автомобиля.

Четырехступенчатая АКП обычно включает два планетарных ряда, управляемых пятью фрикционными элементами. Это обеспечивает относительную компактность, благодаря чему эти АКП находят широкое применение на задне- и переднеприводных автомобилях малого и среднего класса как с продольным, так и с поперечным расположением двигателя. Их основной недостаток – невысокий кинематический диапазон Dк = 3,5 – 4,3, что отрицательно отражается на расходе топлива. При этом четырехступенчатые АКП уступают как пятиступенчатым механическим коробкам передач, так и АКП, имеющим пять или шесть передач.

Пятиступенчатые АКП с диапазоном Dм = 4,5 – 5,0 значительно экономичнее своих четырехступенчатых предшественниц, что видно из рис. 18. Их наиболее удачные представители – коробки модели 722.6 фирмы Mercedes обеспечивают автомобилям снижение расхода топлива в смешанном цикле на 2–3% даже в сравнении с пятиступенчатыми механическими коробками передач. Можно предположить, что такие высокие показатели удалось получить благодаря рациональной кинематической схеме, позволившей реализовать плотный ряд передаточных чисел на высших передачах, что обеспечило экономичную работу двигателя по кривой, близкой к минимальному расходу топлива. Вместе с тем необходимо отметить, что для реализации пятиступенчатой АКП приходится дополнять конструкцию третьим планетарным рядом, что увеличивает массогабаритные показатели примерно на 10–20% по сравнению с четырехступенчатыми АКП. Отметим, что не все пятиступенчатые АКП имеют лучшую топливную экономичность по сравнению с МКП.

Это относится к пятиступенчатым планетарным и вальным коробкам передач, которые используются на автомобилях, где имеется передний привод с поперечным размещением двигателя. Чтобы разместить пятиступенчатую автоматическую коробку передач в моторном отсеке, приходится использовать трехвальные схемы, позволяющие существенно уменьшить длину автоматической коробки. При этом всё-таки имеет место некоторое снижение КПД планетарной коробки по сравнению с соосным вариантом АКП.

Однако благодаря тому, что кинематический диапазон пятиступенчатых АКП больше, чем у четырехступенчатых АКП, они превосходят четырехступенчатые АКП, что показано на рис. 18. При этом указанные зависимости с учетом разброса изображены в виде полосы.

Дальнейшее улучшение показателей как по топливной экономичности, так и по разгонным качествам делает возможным использование шестиступенчатых АКП, выполненных по схеме Лепелетье. Напомним, что этот планетарный редуктор имеет диапазон Dм = 6,04 и весьма удачную кинематическую схему, которая позволяет реализовать шесть ступеней (включающие две повышающие передачи), что обеспечивается практически двумя планетарными рядами и пятью фрикционными элементами. По указанным причинам эта шестиступенчатая АКП (например, ZF) компактнее и легче на 13% предшествующей ей пятиступенчатой коробки 5-НР-24. Упрощение конструкции планетарной передачи позволило не только улучшить массогабаритные характеристики коробки передач, но и способствовало уменьшению потерь. Данные, характеризующие топливную экономичность легковых автомобилей с шестиступенчатыми АКП, также представлены на рис. 18.

Остановимся далее на автоматических бесступенчатых коробках передач АБКП. Привлекательность вариатора в том, что он отслеживает постоянно изменяющиеся условия работы двигателя в очень широком диапазоне, что отражено в его названии – «трансмиссия с постоянным изменением передаточного отношения» (CVT). То есть, несмотря на то что динамический диапазон вариатора практически равен диапазону 6–7-ступенчатой АКПП, число «ступеней» бесконечно. В свою очередь, это дает возможность для каждого режима движения подобрать наиболее подходящую «передачу», что недоступно для ступенчатой АКПП.

АБКП Ecotronic не оправдали в полной мере надежд относительно топливной экономичности. По расходу топлива (рис. 18) они примерно на 5–7% уступают пятиступенчатым MKП и находятся на уровне лучших четырехступенчатых АКП. Причина увеличения расхода топлива по сравнению с пятиступенчатой МКП связана с тем, что КПД вариатора VDT (83–90%) ниже, чем у механической коробки передач, и этот недостаток не может компенсировать даже более высокий диапазон регулирования.

Другой тип АБКП (Multitronic), установленный на серийном автомобиле Audi А6 с двигателем 2,8 л, как отмечалось выше, обладает рядом преимуществ по сравнению с вариатором VDT: на 2,5% большим КПД и меньшим предельным радиусом изгиба, позволяющим при приемлемых габаритах реализовать больший диапазон регулирования, равный D = 6,0–6,2.

Характеристики, заявленные производителем, подтверждают, что при диапазоне D = 6,0 – 6,2 серийные автомобили Audi c АБКП Multitronic позволяют получить экономию топлива по сравнению с пятиступенчатой МКП в смешанном ездовом цикле до 2%. Указанное достижение можно рассматривать как знаменательное, так как оно достигнуто впервые для АБКП.

Статистика выпуска автомобилей с АКП

Рис. 19. Распределение коробок передач по типам (статистика на 2010 год)

Статистика выпуска автомобилей каждый год изменяется, существенные различия имеются в зависимости от класса автомобиля, типа автоматических коробок передач, страны-потребителя и т. д. На рис. 19 в виде круговой диаграммы представлен прогноз распределения коробок передач по типам (статистика на 2010 год).

Рис. 20. Диаграмма установки коробок передач на автомобилях класса В

Автомобили малого класса (класса В) с двигателями объемом 1,6…1,8 л широко представлены на рынке России. Этот класс выпускают все европейские и азиатские производители. Практически все модели этого класса в базовой комплектации предлагаются с механической коробкой передач, АКП на них устанавливаются в качестве опции (рис. 20).

Поскольку этот класс автомобилей является экономичным, то есть дешевым, то и устанавливаемые АКП должны быть самыми дешевыми. По данным компании CSM Worldwide, традиционные 4-ступенчатые АКП обходятся производителю в 300–400 евро, передачи с двумя сцеплениями – 950 евро, а бесступенчатые до 1400 евро. Исходя из этих соображений, за редким исключением этот класс автомобилей обеспечивается именно 4-ступенчатыми АКП.

Как видно из табл. 2, широко используются различные АКП производства компании Aisin Warner. В этом классе автомобилей не выпускают АКП такие монстры, как ZF, Ford и Hydromatic (GM). Ниже представлены основные потребители продукции этой фирмы. Общий выпуск АКП на заводах Aisin Warner в 2005 году превысил 5 млн штук в год.

№	Фирма	Модель	Начало производства	Модель АКП	Произв. АКП	Количество передач
1	Audi	A3	2003	09D	Aisin Warner	6
2	Chery	CVT	4
3	Chevrolet	Aveo	2003	Aisin Warner	4
4	Citroen	C2	2003	AL4	PSA
5	Citroen	С3	2002	AL4	PSA	4
6	Daewoo	Nubira	2003	Daewoo	4
7	FIAT	Marea	1996	AW5040	Aisin Warner	4
8	Ford	Focus II	2005	4F27	4
9	Honda	Civic	2001	Honda	4
10	Hyundai	Elantra	2003	4F22	Hyundai	4
11	Kia	Cerato	2004	4
12	Kia	Rio	2002	4
13	Kia	Spectra	2004	4
14	Mazda	3	2004	4F27	4
15	Mini	Cooper	2004	Aisin Warner	6
16	Nissan	Almera	2002	RE4F03A	JATCO	4
17	Opel	Corsa	2003	AW5055	Aisin Warner	5
18	Peugeot	307	2001	AL4	PSA	4
19	Renault	Simbol	2002	AL4(DP0)	PSA	4
20	SEAT	Ibica	2002	F03A	JATCO	4
21	Skoda	Fabia	2004	F03A	JATCO	4
22	Suzuki	Ignis	2003	Aisin Warner	4
23	Toyota	Yaris	2003	Aisin Warner	4
24	VW	Polo	2005	F03A	JATCO	4

Многие фирмы используют АКП производства JATCO. Эта компания принадлежит фирме Nissan. Суммарный выпуск АКП модели F03A для автомобилей класса В превысил 10 млн штук.

Распространенность автоматических коробок передач в различных странах мира также сильно варьируется, на рис. 21 представлен график распределения АКП в процентах от общего количества автомобилей.

Рис. 21. Распространенность автоматических коробок передач в различных странах мира

Производство АКП сосредоточено в основном в США (около 7 млн АКП), Японии (около 8 млн), Корее, Германии и Франции. Некоторое количество (в основном сборочные заводы) находятся в Индии, Бельгии, Австралии, Китае. Естественно, что и производство автомобилей с АКП в основном сосредоточено там же, хотя некоторые фирмы, например Volvo, устанавливают АКП производства компании Aisin Warner, находящейся в Японии и принадлежащей Toyota. Доля производимых в этих странах автомобилей с АКП максимальна.

5. Особенности компоновки автомобиля с автоматической трансмиссией

Конструкция автоматической трансмиссии, как и механической должна учитывать непосредственно компоновочную схему самого автомобиля. Среди легковых автомобилей распространены следующие компоновочные схемы.

Наиболее распространенные:

• переднеприводная с поперечным расположением двигателя;
• заднеприводная с продольным расположением двигателя в передней части автомобиля;
• полноприводные модификации от вышеперечисленных.

Редко распространенные:

• переднеприводная с продольным размещением двигателя;
• заднеприводная с продольным расположением двигателя сзади автомобиля;
• заднеприводная с поперечным расположением двигателя сзади автомобиля.

Несмотря на многообразие компоновочных схем автомобилей, составные части и узлы одного и того же типа автоматических трансмиссий практически одинаковы. Имеются некоторые различия в компоновке и устройстве автоматической коробки передач для переднеприводного и заднеприводного автомобилей. Для заднеприводной компоновочной схемы с продольным расположением двигателя характерна однорядная редукторная часть (рис. 22,а). Для переднеприводных автомобилей – 2или 3-вальная редукторная часть, при этом в картере автоматической коробки передач предусмотрена секция главной передачи с межколесным дифференциалом (рис. 22,б). В остальном основные функции и принцип действия одинаковы.

Рис. 22. Варианты конструкции автоматических коробок передач: а) для заднеприводной компоновочной схемы автомобиля с продольным расположением силового агрегата; б) для переднеприводной компоновочной схемы автомобиля с поперечным расположением силового агрегата

Основные отличительные особенности детально-узлового состава комплектации современного легкового автомобиля с механической и автоматической трансмиссиями можно видеть в табл. 3.

• педаль сцепления;
• педаль тормоза;
• педаль акселератора механического или электронного типа

• педаль тормоза,
• педаль акселератора электронного типа, поддерживающая режим «kick-down»*

* – «kick-down» – устройство, принудительно включающее низшую передачу при резком нажатии на педаль акселератора для достижения наибольшего ускорения.

При проектировании автомобилей уже на ранней стадии необходимо рассматривать различные варианты комплектаций автомобиля. При этом желательно учитывать не только те комплектации, которые предусмотрены ближайшим планом производства, но и возможное перспективное развитие комплектаций с целью повышения потребительской привлекательности. Особенно это актуально для автоматических трансмиссий. Так, например, если разработка какой-либо бюджетной модели не предусматривает применения автоматической трансмиссии из-за ее дороговизны, все же не стоит сбрасывать ее со счетов и постараться учесть вышеперечисленные особенности такой трансмиссии. В случае изменения конъюнктуры потребительского спроса попытки интеграции автоматической трансмиссии в уже разработанный кузов и компоновку автомобиля могут столкнуться с проблемами, требующими значительных затрат на доработку конструкции и подготовку производства. В этой связи следует обратить внимание на такой ранее указанный недостаток, как большие габаритные размеры автоматической коробки передач в сравнении с механической коробкой передач. На рис. 23 приведен пример сравнения габаритных размеров автоматической и механической коробок передач для переднеприводной компоновочной схемы автомобиля с поперечным расположением силового агрегата.

Рис. 23. Сравнение габаритов автоматической и механической коробок передач

Здесь можно выделить две характерные зоны, где автоматическая коробка при той же длине превосходит в размерах механическую. Зона А – влияет на такой параметр, как клиренс автомобиля и может занимать пространство, необходимое для расположения и перемещения рычага передней подвески (рис. 24). Зона Б – затрагивает пространство под расположение шлангов системы охлаждения двигателя (рис. 25).

Рис. 24. Сравнение положения автоматической и механической коробок передач относительно передней подвески автомобиля

Это лишь часть «подводных камней», с которыми может столкнуться проектировщик при организации пространства моторного отсека автомобиля, связанных с большими габаритными размерами автоматической трансмиссии. Сюда стоит отнести вероятность интеграции аккумуляторной батареи больших размеров в связи с увеличенной ее мощностью под холодный запуск двигателя; трудности с поиском свободного пространства под размещение электронного контроллера управления работой коробки передач; размещение радиатора и шлангов системы охлаждения самой автоматической коробкой передач и др. Поэтому на стадии начальных проектных работ следует уделять внимание унификации кузовных элементов и компоновки автомобиля для различных вариантов комплектаций автомобиля.

Рис. 25. Сравнение положения автоматической и механической коробок передач относительно шлангов системы охлаждения двигателя

Устройство автомобиля –
«Автоматическая трансмиссия: История, устройство, применение»

Пришедшая к нам из середины прошлого столетия автоматическая трансмиссия значительно потеснила на рынке легковых автомобилей механическую коробку переключения передач и продолжает уверенно конкурировать с вариаторными и роботизированными трансмиссиями.

При этом высокую стоимость самого агрегата, сложность его обслуживания и повышенный расход топлива по сравнению с механическими КПП сбрасывать со счетов нельзя. Действительно ли АКПП так хороши, или их успех – лишь следствие стремления водителей к комфорту и недоверия к собственной способности водить на «механике»?

Зачем нужна АКПП

Изначально простейшая АКПП была применена на автомобиле как устройство, освобождавшее автомобилиста от необходимости переключения передач вручную. Механические коробки переключения передач в 50х годах зачастую не имели синхронизаторов, что требовало двойного выжима сцепления при переключении — на этом фоне даже первые двухступенчатые автоматы выглядели очень выгодно.

В данный момент трансмиссии с автоматическим переключением передач уже имеют более четко сформулированные преимущества:

• Гидротрансформаторная АКПП может переключать передачи, не разрывая потока мощности, что важно, например, на бездорожье
• Долговечность двигателя и агрегатов трансмиссии повышается за счет способности гидротрансформатора частично поглощать динамические нагрузки, а самой АКПП – снизить вероятность пользовательской ошибки.
• АКПП легче в освоении начинающим водителем, трансмиссия такого типа позволяет новичку не отвлекаться на переключение передач и сфокусироваться на дорожной ситуации
• АКПП облегчает трогание в сложных условиях – например, в горку

Но, возможно, главным преимуществом автоматической коробки передач перед механической как было, так и осталось отсутствие необходимости постоянно вмешиваться в работу трансмиссии.

История АКПП

Первым запатентовал прототип современной автоматической коробки передач канадский инженер Альфред Мунро в 1921 году. Впрочем, так как работал Мунро с паровыми машинами, то и система его была использовала в качестве рабочего тела воздух и обладала крайне низким КПД.

Реально первыми разработчиками частично автоматизированной гидравлической КПП были бразильцы Хосе Арарипе и Фернандо Лемос. Их патент, зарегистрированный в 1932 году, в скором времени был продан компании General Motors и в доработанном виде вышел на рынок как система Hydra-Matic, устанавливавшаяся в автомобили Oldsmobile с 1939 года. Именно в этой системе впервые были объединены все составляющие современной АКПП: гидротрансформатор, планетарный редуктор и гидравлический клапанный механизм управления.

Что примечательно, эта АКПП от General Motors ставилась на участвовавшие во второй мировой войне танки M24 Chaffee и M5 Stuart, что позволило впоследствии не только доработать трансмиссии с учетом полученного опыта, но и рекламировать их как «проверенные в бою».

Принцип работы АКПП

Автоматическая трансмиссия по сути своей выстроена вокруг главного узла – планетарной передачи. Свойство планетарной передачи изменять передаточное число в зависимости от подтормаживания одного или нескольких её элементов позволяет, в отличие от традиционной МКПП, для всех ступеней «автомата» использовать один и тот же набор шестерней. Типичный планетарный редуктор состоит из следующих элементов:

• Солнечная шестерня – шестерня, установленная ровно в центре редуктора
• Эпицикл, или коронная шестерня – шестерня, зубцами направленная внутрь редуктора, располагается на периферии редуктора, часто с жестким закреплением на внутренней окружности корпуса редуктора.
• Сателлиты – шестерни (как правило – три), расположенные между эпициклом и солнечной шестерней. Закреплены сателлиты на водиле, на осях которого свободно вращаются.

К одному из этих элементов редуктора подводится крутящий момент, а ещё один элемент – подтормаживается. В зависимости от выбранной комбинации меняется и передаточное число редуктора. Если затормозить любые два элемента редуктора, то передача станет прямой (то есть передаточное число станет равно единице).
За остановку вращения каждого из указанных элементов отвечает набор тормозных лент с гидроприводами.

Устройство АКПП

Хотя основным элементом автоматической коробки передач является именно планетарный редуктор, для использования в качестве трансмиссии он требует большого количества дополнительных систем, одной из которых является гидротрансформатор.

Гидротрансформатор в АКПП используется для передачи крутящего момента с двигателя на приводные валы с обеспечением возможности плавной синхронизации вращения валов, например, при трогании автомобиля с места.

Для минимизации потерь в гидротрансформаторе с 1980х годов применяется автоматическая его блокировка на высоких скоростях вращения валов – то есть фактически передача крутящего момента от двигателя к элементам АКПП идёт не с помощью гидравлики, а напрямую через жесткую механическую сцепку внутри гидротрансформатора.

Кроме того, гидротрансформатор зачастую используется как замена сцеплению и на МКПП – так, на автобусах семейства ЛИАЗ-677 с обычной механической коробкой передач был спарен именно гидротрансформатор, что облегчало работу водителя, но увеличивало расход топлива и снижало крутящий момент на колесах за счет потерь на гидросистеме. Аналогичную схему применяли автобусах с 1930х годов британцы из компании Self-Changing Gears Уолтера Уилсона и Джона Сидделея.

В данный момент такую частичную автоматизацию работы водителя можно наблюдать на многих видах строительной техники.

В некоторых устройствах, не требующих изменения крутящего момента в широком диапазоне – например, на вилочных погрузчиках и самоходных газонокосилках – гидротрансформатор используется как самостоятельная трансмиссия.

Через гидротрансформатор крутящий момент попадает на валы планетарных редукторов, принцип действия которых мы описали ранее. Сменой используемых входных и выходных валов редукторов (выбором планетарного ряда), а также подтормаживанием отдельных элементов редукторов занимается система фрикционных муфт и тормозных лент.

Приводит в действие эти механизмы гидравлическая система, управляемая либо электронным способом, либо механической системой, получающей данные из центробежного датчика скорости вращения выходного вала АКПП и датчика нажатия на педаль газа.

Клапанный блок содержит сеть каналов сложной формы для тока трансмиссионной жидкости к золотникам клапанов. Циркуляция жидкости в коробке с целью обеспечения работы поршней гидравлической системы, смазки и охлаждения всей трансмиссии обеспечивается гидравлическим насосом АКПП.

Собственно, сама трансмиссионная жидкость для автоматических коробок передач является единственным расходником, применяемым в системе АКПП. Требования к ней радикально отличаются от требований к смазочной жидкости для традиционных коробок. В разное время для обеспечения необходимых физических свойств приходилось использовать в её производстве даже такие экзотические компоненты, как китовый жир, сейчас же производители перешли на полностью синтетические составы для всех АКПП.

Как пользоваться АКПП

На каждом селекторе (рычаге выбора режима работы АКПП) есть определенный набор символов, обозначающих режимы работы АКПП. Причем порядок положений селектора коробки-автомата не случаен: он строго регламентирован американским законодательством — а именно американцы являются законодателями мод в сфере автоматических коробок.

Типичный порядок режимов работы АКПП таков:

• Park («P») –режим «парковка». В этом положении выходной вал КПП блокируется специальной шпилькой для блокировки вращения ведущих колёс. Кстати, именно поэтому не рекомендуется оставлять автомобиль на стоянке, полагаясь только на эту блокировку и не задействовав ручной тормоз – повышенный износ шпильки и даже возможность её «закусывания» валом – вполне вероятна.
  Для задействования режима P автомобиль должен быть полностью остановлен. Завести автомобиль (а часто и наоборот – извлечь ключ из замка зажигания), снабженный АКПП, можно только из этого или нейтрального положений АКПП.
  В ряде новых автомобилей вывести селектор из положения Р можно только нажав педаль ножного тормоза.
• Reverse («R») – «Реверс», «Задний ход». Положение селектора обеспечивает возможность движения задним ходом, также автоматически включает сигнальные огни заднего хода. Ни в коем случае нельзя включать задний ход в АКПП до полной остановки автомобиля – повреждения АКПП могут быть катастрофическими. Для исключения возможности такого включения на многих современных коробках установлены механические блокировки, и даже на тех рычагах АКПП, где из положения R на N или D можно переключиться без отжатия стопора рычага, обратное действие будет невозможно до полной остановки и нажатия стопорной кнопки.
• Нейтраль («N») – нейтральная передача. Фактически, полностью разобщает коробку и двигатель, но буксировать автомобиль в этом положении или двигаться накатом всё же не рекомендуется – напомним, что гидравлический насос АКПП, осуществляющий функции циркуляции в том числе охлаждающей и смазочной жидкости внутри АКПП, работает от приводного вала от двигателя – а именно он и перестаёт вращаться в этом положении. При этом часть механизмов КПП вращается при буксировке, так как приводится в действие от колёс, что при отсутствии охлаждения с смазки приводит к перегреву и отказу.
• Drive («D») – Основное положение селектора, предназначенное для движения вперед.
• Овердрайв («OD», или «[D]» в квадратных скобках) — положение, в котором обеспечивается автоматический переход на пониженную передачу при необходимости, например, ускорения при обгоне.
• Третья («3», «D3») – режим, в котором коробка передач ограничивается первыми тремя передачами из всего ассортимента имеющихся в наличии. Используется, например, для динамичной езды в городе или для торможения двигателем при спуске с горы. Иногда имеется в виду жесткое использование исключительно третьей передачи, а не диапазона из первых трех передач – тут следует всё же уточнить это в руководстве по эксплуатации к автомобилю. В современных авто при достижении опасных для двигателя высоких оборотов переключение на старшие передачи всё же происходит во избежание повреждений.
• Вторая передача («2», «D2» или «S») – то, же, что и прошлый режим, но для второй передачи. На некоторых моделях Форд, Киа и Хонда имеется в виду именно вторая передача. В таком случае данное положение селектора используется для трогания на льду и снегу.
• Первая («1», «D1» , «L» или «[Low]») – используется как пониженная передача для перемещения по нетвердым грунтам, буксировки и торможения двигателем при спуске с горы.

Помимо указанных режимов работы коробки-автомат используются иногда и предлагаемые производителями дополнительные режимы работы, призванные повысить удобство эксплуатации автомобиля в различных условиях.

• «D5» – используется в автомобилях Хонда и Акура для движения по автомагистралям с использованием первых пяти передач в шестиступенчатых коробках передач.
• «D4» – на тех же Хондах и Акурах используется для городского трафика в режиме.
• «S», «Sport» или «Power» — режим, в котором переключения на более высокие передачи происходит несколько позднее, чем в режиме «D», в результате чего машина приобретает более «спортивное» поведение при разгонах. Также этот режим эффективнее при торможении двигателем.
• «+/ −» или «M» – аналогично подрулевым переключателям позволяет вручную выбирать передачу в секвентальном режиме.
• Зима («W») или «Snow» – На ряде автомобилей Вольво, Мерседес-Бенц и Дженерал Моторз позволяет стартовать со второй передачи, снижая риск пробуксовки.
• Торможение («B») – на автомобилях Тойота используется для торможения двигателем. В гибридных автомобилях того же производителя приводит к переводу штатного электродвигателя автомобиля в режим генератора. На практике это приводит к тому же эффекту, что и торможение двигателем.

На многих автомобилях помимо положений селектора есть и дополнительные органы управления – чаще всего это кнопки включения экономичного режима работы системы управления коробкой и двигателем. Иногда сам рычаг селектора выполняют в виде джойстика или вовсе – набора кнопок.

Преимущества и недостатки АКПП

К недостаткам АКПП традиционно относят стоимость, повышенный расход топлива и низкую – по сравнению с традиционной «ручной» коробкой передач – скорость разгона автомобиля.

Также ремонт автоматический КПП – дело затратное и требующее привлечения специалистов.

При использовании АКПП водитель фактически лишается возможности использования ряда приёмов управления автомобилем – будь то «раскачка» при увязании авто или управляемые заносы.

Нельзя и завести автомобиль с АКПП «с толкача», да и вообще — буксировать его не рекомендуется.

С другой стороны – гидротрансформаторная коробка позволяет с меньшими нагрузками на двигатель самому кого-то буксировать. Увлекаться, правда, не стоит – перегрев системы всё же возможен.

Но главный довод в пользу АКПП – это всё же сложность работы с «механикой» в городских пробках. «Автоматы» в двухэтажных британских автобусах появились именно как ответ на необходимость ежеминутных остановок, что уж говорить о современной дорожной ситуации, где в пробках сцеплением приходится работать едва ли не каждый метр.

Повышение количества ступеней в АКПП, усложнение управляющих программ всё больше и больше приближает «автоматы» к традиционным механическим коробкам в области динамики разгона и расхода топлива.

Неисправности АКПП и их невысокая ремонтопригодность в условиях гаражей – не проблема на фоне роста количества сертифицированных точек обслуживания, расширенных гарантийных условий и всё повышающейся надёжности агрегатов.

Да и гидротрансформатор, берегущий двигатель от динамических нагрузок, только увеличивает ресурс автомобиля в целом.

Налицо – только плюсы коробки-автомат для обычного потребителя. Более того, с появления в 1939 году первых коммерчески успешных АКПП мы наблюдаем вытеснение механической КПП на легковых автомобилях в область нишевых продуктов, интересных ограниченному кругу лиц.

На данный момент сложно однозначно говорить о том, победила ли автоматическая коробка переключения передач традиционную «механику» или нет. В США есть однозначный ответ на этот вопрос – по разным исследованиям только 3,8% проданных там в 2012 году новых автомобилей имели МКПП.

В Европе и России отношение автомобилистов к автоматической коробке передач также начало меняться: даже с учетом традиций автомобильной культуры и более высокой стоимости автоматических коробок передач, продажи «механики» уже в 2012 году упали ниже психологического рубежа в 50%, а многие производители и вовсе перестали предлагать свои автомобили в комплекте с механической коробкой передач.

Так что можно бесконечно рассуждать о плюсах или минусах трансмиссий автоматического типа, но факт есть факт: не за горами то время, когда и к нам придут американские реалии, где «ручка» по факту стала отличным противоугонным средством.

Устройство и принцип работы классической АКПП

С развитием автомобилестроения и выпуском новых видов трансмиссий вопрос, какая коробка передач лучше, становится все более актуальным. АКПП – что это такое? В этой статье разберемся с устройством и принципом работы автоматической коробки передач, узнаем, какие виды АКПП существуют и кто придумал АКПП. Проанализируем достоинства и недостатки разных видов автоматических трансмиссий. Познакомимся с режимами работы и управления АКПП.

Что такое АКПП и история ее создания

Автоматическая коробка передач, или АКПП, представляет собой трансмиссию, обеспечивающую выбор оптимального передаточного числа в соответствии с условиями движения без участия водителя. Это обеспечивает хорошую плавность хода автомобиля, а также комфорт при движении для водителя.

В настоящее время существует несколько видов автоматической КПП:

• гидромеханическая (классическая);
• механическая с двумя сцеплениями (например, DSG); ; .

В данной статье все внимание будет уделено классическому автомату.

История изобретения

Основу автоматической трансмиссии составляет планетарная коробка передач и гидротрансформатор, впервые изобретенный исключительно для нужд судостроения в 1902 году немецким инженером Германом Фиттенгером. Далее в 1904 году братья Стартевенты из Бостона представили свой вариант автоматической КПП, имеющий две коробки передач и напоминающий чуть доработанную механику.

Автомобиль, оснащенный планетарной коробкой передач, впервые увидел свет под маркой Ford Т. Суть коробки заключалась в плавном переключении скоростей за счет двух педалей. Первая включала повышающую и понижающую передачи, а вторая – заднюю.

Эстафету приняла компания General Motors, которая в середине 1930-х годов выпустила полуавтоматическую трансмиссию. Сцепление в автомобиле еще продолжало присутствовать, а планетарным механизмом управляла гидравлика.

Приблизительно в это же время компания Крайслер доработала конструкцию коробки гидромуфтой, а вместо двухступенчатой коробки стал использоваться овердрайв – повышающая передача с передаточным числом менее единицы.

Первую в мире полностью автоматическую КПП в 1940 году создала все та же компания General Motors. АКПП представляла собой сочетание гидромуфты с четырехступенчатой планетарной коробкой с автоматическим управлением посредством гидравлики.

Сегодня известны уже шести-, семи-, восьми- и девятиступенчатые АКПП, производителями которых являются как автоконцерны (KIA, Hyundai, BMW, VAG), так и специализированные компании (ZF, Aisin, Jatco).

Плюсы и минусы АКПП

Как и любая коробка передач, автоматическая трансмиссия имеет как плюсы, так и минусы. Представим их в виде таблицы.

Плюсы АКПП	Минусы АКПП
1. Плавное и автоматическое переключение скоростей, создающее комфорт для водителя.	1. Сложность конструкции.
2. Отсутствие необходимости в периодической замене сцепления.	2. Высокая стоимость самой коробки.
3. Хорошая динамика за счет возможности ручного переключения скоростей.	3. Высокая стоимость ее обслуживания.
4. Автомат может подстраиваться под стиль вождения водителя (адаптироваться).	4. Более низкий КПД и повышенный расход топлива в сравнении с механикой.

Устройство автоматической трансмиссии

Устройство АКПП достаточно сложное и состоит из следующих основных элементов:

;
• планетарный механизм;
• блок управления АКПП (TCU); ; ;
• гидроблок;
• ленточный тормоз;
• масляный насос;
• корпус.

Гидротрансформатор представляет собой корпус, заполненный специальной рабочей жидкостью ATF, и предназначен для передачи крутящего момента от двигателя к коробке передач. Фактически он заменяет сцепление. В его состав входят насосное, турбинное и реакторное колеса, блокировочная муфта и муфта свободного хода.

Колеса оснащены лопастями с каналами для прохода рабочей жидкости. Блокировочная муфта необходима для блокировки гидротрансформатора в конкретных режимах работы автомобиля. Муфта свободного хода (обгонная муфта) необходима для вращения реакторного колеса в противоположную сторону. Более подробно про гидротрансформатор можно почитать здесь.

Планетарный механизм АКП включает в себя планетарные ряды, валы, барабаны с фрикционными муфтами, а также обгонную муфту и ленточный тормоз.

Механизм переключения скоростей в АКПП достаточно сложен, и, по сути дела, работа трансмиссии состоит в выполнении некоторого алгоритма включения и выключения муфт и тормозов посредством давления жидкости.

Планетарный ряд, точнее блокировка одного из его элементов (солнечная шестерня, саттелиты, коронная шестерня, водило), обеспечивает передачу вращения и изменение крутящего момента. Элементы, входящие в планетарный ряд, блокируются при помощи обгонной муфты, ленточного тормоза и фрикционных муфт.

Блок управления АКПП может быть гидравлическим (уже не применяется) и электронным (ЭБУ АКПП). Современная гидромеханическая трансмиссия оснащается только электронным блоком управления. Он обрабатывает сигналы датчиков и формирует управляющие сигналы на исполнительные устройства (клапаны) гидроблока, обеспечивающие работу фрикционных муфт, а также управляющие потоками рабочей жидкости. В зависимости от этого жидкость под давлением направляется в ту или иную муфту, включая определенную передачу. TCU также управляет блокировкой гидротрансформатора. При неисправности блок TCU обеспечивает функционирование КПП в “аварийном режиме”. Селектор АКПП отвечает за переключение режимов работы КПП.

В автоматической коробке применяются следующие датчики:

• датчик частоты вращения на входе;
• датчик частоты вращения на выходе; ;
• датчик положения рычага селектора;
• датчик давления масла.

Подробнее про датчики АКПП можно почитать тут.

Принцип работы и срок службы АКПП

Время, необходимое на переключение скорости в АКПП, зависит от скорости автомобиля и нагрузки на двигатель. Система управления вычисляет нужные действия и передает их в виде гидравлических воздействий. Гидравлика перемещает муфты и тормоза планетарного механизма, тем самым происходит автоматическое изменение передаточного числа в соответствии с оптимальным режимом двигателя в данных условиях.

Одним из главных показателей, влияющих на эффективность работы автоматической трансмиссии, является уровень масла, который нужно регулярно проверять. Рабочая температура масла (ATF) составляет около 80 градусов. Поэтому для того, чтобы избежать повреждений пластиковых механизмов коробки в зимний период, перед движением машину необходимо прогревать. А в жаркое время года, наоборот, охлаждать.
Охлаждение АКПП может осуществляться охлаждающей жидкостью или воздухом (с помощью масляного радиатора).

Наибольшее распространение получил жидкостный радиатор. Температура atf, необходимая для нормальной работы двигателя, не должна превышать 20% от температуры в системе охлаждения. Температура охлаждающей жидкости не должна превышать 80 градусов, за счет этого и происходит охлаждение atf. Теплообменник соединен с внешней частью корпуса масляного насоса, к которой крепится и фильтр. При циркуляции масла в фильтре происходит его контакт с жидкостью охлаждения через тонкие стенки каналов.

Кстати, автоматическая трансмиссия считается очень тяжелой. Вес АКПП составляет около 70 кг (если она сухая и без гидротрансформатора) и около 110 кг (если она заправленная).

Для нормального функционирования АКПП необходимо и правильное давление масла. От этого во многом зависит срок службы АКПП. Давление масла должно быть на уровне 2,5-4,5 бар.

Ресурс коробки-автомат может быть различен. Если в одном автомобиле трансмиссия может прослужить только 100 тысяч км., то в другом – порядка 500 тысяч. Это зависит от эксплуатации автомобиля, от регулярного контроля за уровнем масла и его замены вместе с фильтром. Продлить ресурс АКПП возможно также используя оригинальные расходные материалы и своевременно обслуживая КПП.

Управление АКПП

Управление автоматической трансмиссией осуществляет селектор АКПП. Режимы работы автоматической трансмиссии зависят от перемещения рычага в определенное положение. В автомате доступны следующие режимы:

1. Р – Parking. Используется при парковке. В данном режиме механически блокируется выходной вал трансмиссии.
2. R – Reverse. Используется для включения передачи заднего хода.
3. N – Neutral. Нейтральный режим.
4. D – Drive. Движение вперед в режиме автоматического переключения скоростей.
5. M – Manual. Режим ручного переключения скоростей.

В современных автоматических трансмиссиях с большим числом рабочих диапазонов могут использоваться дополнительные режимы работы:

• (D), или O/D— овердрайв – «экономичный» режим движения, при котором возможно автоматическое переключение на повышающую передачу;
• D3, или O/D OFF— расшифровывается как “отключение овердрайва”, это активный режим движения;
• S (либо цифра 2) — диапазон пониженных передач (первая и вторая, либо только вторая передача) , «зимний режим»;
• L (либо цифра 1) — второй диапазон пониженных передач (только первая передача).

Также имеются и дополнительные кнопки, характеризующие режимы работы АКП:

• кнопка Sport, или Power — переключение передач происходит на более высоких оборотах двигателя;
• кнопка Winter, или Snow — движение с места происходит со второй или третьей передачи;
• кнопка Shift lock (шифт лок) — возможность разблокирования селектора при остановленном двигателе.

В некоторых коробках есть режим “кик даун” (kick-down). Режим “кик даун” предполагает резкое ускорение транспортного средства путем переключения на пониженную передачу. В некоторых случаях режим “кик даун” запрещен при отключении режима овердрайв.

Заключение

Автоматическая КПП занимает достойное место среди известных коробок передач и составляет конкуренцию привычной механике. Разнообразие режимов движения, а также плавное переключение передач позволяют водителю наслаждаться комфортным вождением.

Источник https://extxe.com/8336/avtomaticheskie-korobki-peredach-klassifikacija-harakteristiki/

Источник http://www.motorpage.ru/infocenter/autoconstruction/avtomaticheskaja_transmissija__istorija__ustrojstvo__primenenie.html

Источник https://techautoport.ru/transmissiya/korobka-peredach/akpp.html