Устройство автоматической коробки передач

Владимир ЕРЕМКИН

Первый шаг на пути к созданию гидромеханического «автомата» был сделан в 1903 году немецким профессором Феттингером. Он изобрел гидродинамическую передачу. Самый простой ее вариант - гидромуфта - имеет два лопастных колеса в замкнутом тороидальном объеме, заполненном рабочей жидкостью. Ведущее, или насосное, колесо приводится двигателем. Ведомое, или турбинное, связано с нагрузкой. Механической связи внутри гидромуфты нет, но кинетическую энергию от насосного колеса к турбинному передает жидкость - отброшенная лопатками насоса, она попадает на лопатки турбины и тут же возвращается обратно. И несмотря на то, что крутящий момент на турбинном колесе почти равен моменту на насосном, они могут вращаться с разной частотой.
Феттингер создавал гидромуфту для того, чтобы таким образом «развязать» судовой двигатель с гребным винтом. А нельзя ли использовать замечательные свойства гидромуфты в автомобиле? Можно, но только для смягчения рывков при трогании и при переключениях. Например, именно с этой целью гидромуфта устанавливалась перед обычной механической трехступенчатой коробкой передач в отечественном лимузине ЗИМ ГАЗ-12.
Применение в автомобильных трансмиссиях нашел агрегат под названием «гидродинамический трансформатор крутящего момента». В отличие от гидромуфты, внутри гидротрансформатора уже не два, а три рабочих колеса. Третье - так называемый реактор. Это неподвижное колесо, расположенное между турбиной и насосом. В самом начале разгона, когда насосное колесо вращается существенно быстрее турбинного, неподвижные лопатки реактора «подкручивают» поток масла, позволяя гидротрансформатору плавно и бесступенчато увеличивать крутящий момент на выходе. Естественно, сохраняя неизменными обороты и крутящий момент двигателя.
Правда, когда турбинное колесо раскручивается до оборотов насосного (например, если автомобиль уже набрал скорость), неподвижный реактор создает бесполезное сопротивление - по сравнению с гидромуфтой КПД передачи снижается на несколько процентов. Поэтому автомобильные инженеры пошли на хитрость - они установили реакторное колесо на муфте свободного хода. В момент трогания с места или движения в сложных условиях муфта блокируется, а после разгона - расклинивается, и реактор начинает вращаться вместе с насосом и турбиной. То есть гидротрансформатор превращается в обычную гидромуфту, что позволяет снизить потери.
Но гидротрансформатор не способен в одиночку обеспечить автомобилю необходимый диапазон изменения передаточных чисел. Пробовали ставить два трансформатора друг за другом, но потери в такой конфигурации получались слишком велики. Так что, как ни крути, а без механики гидравлике никак не обойтись - после гидротрансформатора начали устанавливать коробку передач. Как правило, планетарную - в ней переключения осуществляются путем блокировки элементов передачи между собой или на корпус коробки при помощи тормозов и фрикционных муфт с гидроприводом. Такое решение позволяет переключать передачи без участия водителя, не разрывая поток мощности через коробку при переключениях.
А заведует переключениями сложная гидросистема - мощный насос с приводом от коленвала двигателя и гидроблок управления, направляющий жидкость (кстати, ту же, что используется в гидротрансформаторе) в силовые цилиндры муфт сцепления и тормозов, которые включают необходимую в данный момент передачу. На старых «автоматах» доэлектронной эры информация о необходимости переключения поступала только по двум каналам - это присоединенный к выходному валу коробки центробежный регулятор, который определял скорость автомобиля, и силовой регулятор, который по разрежению во впускном коллекторе или просто по положению дроссельной заслонки позволял оценить нагрузку на двигатель. Передачи включаются по достижении определенной скорости, значение которой корректируется в зависимости от нагрузки на двигатель. То есть, чем сильнее мы давим на педаль газа, тем позже коробка включит следующую передачу, позволив двигателю раскрутиться до больших оборотов и развить большую мощность.
Кстати, многие упрекают «автомат»: мол, недостаточно быстро включает передачи. Меж тем, конструкторы автоматических коробок с самого начала были озабочены как раз обратным - борьбой с излишне быстрым срабатыванием гидроприводов включения фрикционов! Ничего удивительного: представьте, что произойдет, если после открытия клапана масло хлынет в гидроцилиндр под давлением в десяток атмосфер, не встречая никакого сопротивления. Передача «защелкнется» мгновенно! Поэтому значительную часть гидроблока системы управления коробкой занимает так называемая система плавности включения: дроссели и гидроаккумуляторы, препятствующие слишком резкому нарастанию давления в силовых гидроцилиндрах.
Кроме того, чтобы обеспечить плавное переключение передач, нельзя допускать даже кратковременного рассоединения трансмиссии - за это время двигатель успеет раскрутиться, и последующее включение произойдет с ударом. Поэтому включение следующей передачи в «автоматах» обычно производится до того, как выключается предыдущая. Это называется перекрытием передач. Его величину подбирают такой, чтобы, с одной стороны, передачи включались достаточно плавно и без рывков, а с другой - чтобы слишком большое перекрытие не привело к повышенному износу фрикционов.
Колыбелью гидромеханических «автоматов» стала богатая Америка - знаменитые коробки Hydrаmatic на автомобилях Оldsmobilе появились еще в 1940 году. А небогатой Европе в те годы было не до излишеств - «автоматы» были слишком дороги для большинства автомобилистов в Старом Свете, да и расход топлива по сравнению с «механикой» возрастал существенно. Ситуация изменилась в начале семидесятых, когда «автоматы» в Европе решил применять не только Mercedes-Benz, но и Opel, и Ford, и BMW... Производители коробок передач отреагировали моментально: Borg-Warner строит завод в английском Летчфорде, Ford - в Бордо, а GM - в Страсбурге. В Японии появилось сразу два новых производителя - Jatco и Aisin-Warner. А первенцем фирмы ZF, сегодняшнего законодателя «трансмиссионной» моды, стала автоматическая коробка модели 3НР-12 - которая копировала по конструкции одну из трансмиссий фирмы Borg-Warner. Коробка ZF собственной разработки появилась несколькими годами позже - это была поистине эпохальная модель 3НР-22, некоторые черты которой несут и самые современные трансмиссии фирмы.
Все «автоматы» той поры были трехступенчатыми и имели характерный общий признак. Дело в том, что планетарные передачи часто используют не по отдельности, а в виде так называемых рядов - особым образом объединенных групп, что позволяет получить в одном компактном и функционально законченном механизме сразу несколько ступеней. Так и в конструкции большинства новых европейских коробок (важная деталь - все они предназначались для заднеприводных автомобилей) применили ряд Симпсона - по сути дела, две простые планетарные передачи c общей солнечной шестерней, «корона» одной из которых объединена с водилом другой. А позже, на «автоматах» для переднеприводных автомобилей, получил распространение так называемый ряд Равинье, который в несколько измененном виде был использован в трансмиссии GM 3OHV начала 70-х. (Ряд Равинье более компактен и позволяет получить четыре передачи, но не столь надежен, как ряд Симпсона.)
Топливный кризис конца 70-х заставил разработчиков «автоматов» оперативно искать пути снижения расхода топлива. Гидротрансформаторы стали делать блокируемыми - после разгона на высшей передаче насосное и турбинное колеса жестко соединялись фрикционной муфтой, напоминающей по конструкции обыкновенное сцепление. Позже, в конце 80-х, блокировку гидротрансформатора начали применять и на передачах пониже - на всех, кроме первой.
Конец восьмидесятых ознаменовался повсеместным внедрением электроники. В «автоматах» она позволяет гораздо точнее выдерживать заданные моменты переключений (с точностью до 1% вместо прежних 5-8%) и лучше управлять блокировкой гидротрансформатора. Кроме того, появилась дополнительная возможность: по характеру изменения скорости при данной нагрузке на двигатель компьютер может легко вычислить массу автомобиля и ввести соответствующие поправки в алгоритм переключения - попозже включать повышенные передачи на полностью загруженном автомобиле.
Но важнее другое. Электронное управление предоставило колоссальные возможности для самодиагностики «автомата». Это важно не только для того, чтобы «запомнить» неисправности коробки для последующей диагностики при ремонте. Электроника, например, помогает «автомату» корректировать ход внутренних процессов в зависимости от многих условий - от температуры, от степени износа... Ведь в процессе эксплуатации фрикционные диски изнашиваются и становятся тоньше, а масло изменяет свою вязкость из-за нагрева. Кроме того, компьютер может постоянно отслеживать, к примеру, длительность каждого перекрытия передач - и при необходимости оперативно вносить коррективы. Именно самодиагностика вместе с применением синтетических рабочих жидкостей позволили создателям современных «автоматов» гарантировать их правильную работу в течение трехсот и более тысяч километров пробега без смены масла.
Однако электронное управление, в принципе, не изменило закон управления трансмиссией: передачи, как и прежде, включаются в зависимости от скорости и нагрузки на двигатель. И многое, как и прежде, зависит от тщательного подбора настроек системы управления, динамики процесса переключения, а также тщательного согласования их с характеристикой двигателя. Именно от этого в первую очередь зависит «характер» трансмиссии и всего автомобиля. Скажем, многие автомобили BMW и Audi имеют одинаковые на «железном» уровне коробки одной и той же фирмы ZF, но как же по-разному они работают!
Однако куда сложнее достичь гармонии с характером водителя, да еще во всех без исключения дорожных ситуациях. Так что, несмотря на нынешние адаптивные программы переключения передач, «автомат» по-прежнему остается автоматом. С ограниченным набором алгоритмов. А у человека их - бесчисленное множество. Ведь жизнь редко укладывается в категории «зима-экономия-спорт»... 

Благодарим за помощь, оказанную в подготовке материала, Виктора Ефимовича Раскина - технического директора Центра автоматических трансмиссий МАИ, а также весь коллектив Центра.

Каким образом неподвижное колесо реактора способно увеличить крутящий момент на выходе гидротрансформатора? Не вдаваясь в тонкости гидродинамики, это можно пояснить так. Когда масло, отработав свое на лопатках турбины (ведомое колесо), попадает обратно на насосное колесо, на пути оно встречает неподвижные лопатки реактора, которые отбрасывают поток на лопатки насосного колеса уже под другим углом. «Полезная энергия» потока растет - а с ней и крутящий момент. Но рост сопротивления потоку вызывает увеличение гидравлических потерь. Поэтому с ростом скорости автомобиля (а значит, и частоты вращения турбинного колеса) колесо реактора растормаживается, и гидротрансформатор переходит в режим гидромуфты.
Соотношение крутящих моментов на входе и на выходе в обоих режимах на рисунке отражено весом гирек, «подвешенных» к насосному и к турбинному колесам.

Блокируя те или иные элементы планетарной передачи между собой или на корпус коробки в простом (одинарном) планетарном ряду, можно получить прямую, повышающую, понижающую передачу или реверс

Когда планетарный ряд выполняет роль понижающей передачи, роль ведомого (выходного) звена играет водило - деталь, соединяющая оси сателлитов (на рисунке она не показана). Когда солнечная шестерня заторможена (например, тормозом - на корпус коробки), водило вращается медленнее «короны», а крутящий момент на нем оказывается больше приложенного к «короне»

Прямая передача получается посредством жесткого соединения водила и солнечной шестерни - при этом «корона» не может поворачиваться относительно солнечной шестерни (а сателлиты - вокруг своих осей), и весь планетарный ряд вращается как одно целое

В повышающей планетарной передаче, как и в понижающей, «солнце» является заторможенным элементом. Только ведомое звено теперь - не водило, а «корона»

Чтобы изменить направление вращения на противоположное, нужно затормозить водило (то есть сделать неподвижными оси сателлитов) - и теперь «корона» и «солнце» будут вращаться в разные стороны