Коробки передач: какие бывают и чем отличаются
«Механика», «автомат», «робот», вариатор — уже привычные слова, но за ними скрываются очень разные конструкции, хоть задача у всех одна: передать тягу от двигателя к колёсам и подобрать подходящее передаточное отношение для разных скоростей движения. Игорь Стеблинов объясняет, зачем автомобилю вообще нужна коробка передач, как устроены основные её типы и чем они отличаются друг от друга. Большинство хотя бы в общих чертах представляют себе устройство коробки. Но среди читателей Журнала есть и те, кто только погружается в тему, — именно к ним и обращена эта статья.
Коробка передач и трансмиссия — не одно и то же. Коробка передач — лишь одна из частей трансмиссии автомобиля. В широком смысле трансмиссией называют весь набор механизмов, передающих тягу от двигателя к ведущим колёсам. Задача самой коробки — изменять передаточное отношение между двигателем и колёсами.
Обычный двигатель внутреннего сгорания способен эффективно работать только в определённом диапазоне оборотов. Он не может вращаться сколь угодно медленно и при этом нормально тянуть автомобиль с места, а при прямой связи с колёсами уже на сравнительно небольшой скорости быстро достиг бы предельных оборотов.
Здесь и нужна коробка. На низкой передаче обороты двигателя сильно понижаются на пути к колёсам, зато крутящий момент на ведущей оси увеличивается. Машине проще тронуться, ускориться или подняться в гору. На высокой передаче всё наоборот: передаточное число становится меньше, колёса вращаются быстрее относительно коленвала, а двигатель может поддерживать высокую скорость автомобиля без чрезмерных оборотов.
Примерно тот же принцип работает с обычной парой шестерёнок. Если маленькая шестерня вращает большую, вторая будет крутиться медленнее, зато получит больший крутящий момент.
Именно поэтому первая передача нужна прежде всего для старта и большой тяги, а высшие — для ускорения и поддержания скорости. Кроме изменения передаточного отношения коробка обеспечивает нейтраль, при которой двигатель не связан с ведущими колёсами, и задний ход.
Механическая коробка передач
Самый понятный вариант — механическая коробка, или МКПП. В ней водитель сам выбирает передачу рычагом, а для переключения временно разрывает связь между двигателем и коробкой при помощи сцепления.
В современной механической коробке большинство шестерён постоянно находится в зацеплении. При выборе передачи водитель фактически не двигает сами шестерни навстречу друг другу, а соединяет с валом нужную пару при помощи муфт и синхронизаторов.
Синхронизатор перед включением передачи выравнивает частоту вращения соединяемых деталей, благодаря чему переключение происходит без характерного скрежета зубьев. Само сцепление находится перед коробкой передач. Когда водитель нажимает педаль, оно разъединяет коленвал двигателя и первичный вал коробки. Можно выбрать новую передачу, после чего сцепление снова плавно соединяет двигатель с трансмиссией.
Чем ниже номер передачи, тем обычно выше её передаточное число. Первая даёт максимальный выигрыш в тяге и минимальную скорость вращения колёс относительно двигателя. С каждой следующей передачей передаточное число уменьшается.
Одна из высших передач может быть прямой — с отношением 1:1, а ещё более высокие часто делают повышающими: выходной вал коробки в таком режиме вращается быстрее входного. Это позволяет снизить обороты двигателя при движении по трассе.
С развитием технологий количество передач росло. У легковых автомобилей долгое время обычными были четырёх- и пятиступенчатые механические коробки, сейчас наиболее привычный вариант — пять или шесть ступеней.
Классический «автомат»
Под словом «автомат» часто понимают вообще любую коробку без педали сцепления. Но технически классическим «автоматом» обычно называют гидромеханическую автоматическую коробку передач. Вместо обычного сцепления между двигателем и коробкой здесь располагается гидротрансформатор.
В упрощённом виде это два расположенных напротив друг друга колеса с лопатками, заключённые в корпус с рабочей жидкостью. Одно связано с двигателем, второе — с коробкой.
Двигатель раскручивает насосное колесо, оно создаёт поток жидкости, который заставляет вращаться турбинное колесо. Поэтому автомобиль может стоять на месте с включённым режимом D и работающим двигателем: жёсткой механической связи между ними в этот момент нет.
В гидротрансформаторе имеется и третий важный элемент — реактор. При начальном разгоне он неподвижен и перенаправляет поток жидкости так, что дополнительно увеличивает передаваемый крутящий момент. После разгона реактор начинает вращаться синхронно с двумя другими колёсами гидротрансформатора, момент больше не увеличивается. При равномерном движении гидротрансформатор во многих «автоматах» блокируется специальной муфтой. Двигатель и коробка тогда связываются практически напрямую, что сокращает потери энергии. А переключением передач внутри классического «автомата» чаще всего занимаются планетарные механизмы.
У одного такого механизма есть солнечная шестерня в центре, вращающиеся вокруг неё сателлиты, водило и внешняя коронная шестерня. Если по-разному соединять и блокировать эти элементы, можно получать разные передаточные отношения, не перемещая обычные пары шестерён так, как это происходит в механической коробке.
В современных «автоматах» используются несколько планетарных рядов, а нужные элементы соединяются и блокируются многодисковыми фрикционами и тормозами. Всем этим управляет электроника. Первые массовые «автоматы» имели две-три передачи, затем нормой долгое время были четырёх- и пятиступенчатые коробки. Современные конструкции могут иметь шесть, восемь, девять, десять и более ступеней.
Современный «автомат» позволяет точнее выбирать передаточное отношение: держать двигатель в подходящем диапазоне оборотов при разгоне и снижать их на высокой скорости.
Роботизированная «механика»
Есть и другой способ избавить водителя от педали сцепления и ручного переключения — поручить эту работу автоматике.
Так появились роботизированные коробки передач. Самый простой «робот» конструктивно очень близок к обычной «механике». Внутри по-прежнему находятся валы, пары шестерён, синхронизаторы и обычное фрикционное сцепление. Разница заключается в том, что сцеплением и механизмом выбора передачи управляют не водитель, а электрические или электрогидравлические исполнительные механизмы.
Получается своеобразный водитель-робот: электроника отпускает газ, размыкает сцепление, включает другую передачу и снова его замыкает. Главный недостаток такой схемы следует из её устройства. Во время переключения тяга на колёсах прерывается, поэтому смена передач может хорошо ощущаться водителем и пассажирами — особенно на недорогих коробках с не самыми удачными настройками.
Когда-то такие коробки довольно широко применялись на доступных автомобилях, поскольку позволяли сравнительно просто автоматизировать обычную «механику». Сейчас в легковом сегменте однодисковые «роботы» встречаются заметно реже.
«Робот» с двумя сцеплениями
Более сложный вариант роботизированной коробки — преселективная трансмиссия с двумя сцеплениями. Часто встречается английское сокращение DCT — Dual Clutch Transmission. Фактически внутри одной коробки находятся две параллельные механические трансмиссии. Одно сцепление обычно отвечает за нечётные передачи, например первую, третью, пятую и седьмую. Второе — за чётные.
Пока автомобиль, например, движется на третьей передаче, автоматика уже может заранее выбрать четвёртую на соседнем валу. Для переключения остаётся разомкнуть одно сцепление и практически одновременно замкнуть второе. Отсюда и название «преселективная»: следующая передача выбирается заранее.
Такая конструкция позволяет переключаться быстро и почти без разрыва потока тяги. Поэтому коробки с двумя сцеплениями получили широкое распространение как на обычных легковых автомобилях, так и на мощных спортивных моделях. Сами сцепления могут быть сухими или работать в масляной ванне.
Сухая конструкция проще и позволяет сократить гидравлические потери. Мокрые многодисковые сцепления лучше отводят тепло и потому подходят для передачи высокого крутящего момента, но требуют отдельной системы смазки и охлаждения.
При этом слово «робот» само по себе практически ничего не говорит о характере коробки. Простая однодисковая трансмиссия бюджетной машины и современная восьмиступенчатая DCT технически относятся к одной большой группе, но по устройству и поведению различаются очень сильно.
Вариатор
Вариатор, или CVT — Continuously Variable Transmission, решает ту же задачу совершенно иначе. У классической ступенчатой коробки есть набор фиксированных передаточных чисел: первая, вторая, третья и так далее. Вариатор способен изменять передаточное отношение плавно.
Наиболее распространённая автомобильная конструкция состоит из двух раздвижных шкивов и соединяющего их металлического ремня или цепи.
Каждый шкив образован двумя конусами. Когда половинки сближаются, ремень выталкивается наружу и фактический диаметр шкива увеличивается. Когда расходятся — ремень опускается ближе к центру, а диаметр уменьшается. Если одновременно менять диаметры ведущего и ведомого шкивов, получается практически непрерывный диапазон передаточных отношений.
При разгоне автомобиль поэтому не обязан последовательно переключать первую, вторую и третью передачи. Электроника может выбрать такое передаточное отношение, при котором двигатель сразу окажется в подходящей зоне оборотов, и затем плавно менять его по мере роста скорости.
Отсюда и характерная особенность многих вариаторов: при интенсивном разгоне обороты двигателя могут сначала резко подняться и затем оставаться почти постоянными, пока скорость автомобиля продолжает расти.
Некоторым водителям такое поведение кажется непривычным, поэтому производители нередко программируют виртуальные передачи. Электроника заставляет вариатор ступенчато менять передаточное отношение, имитируя работу обычного «автомата».
Встречались и другие типы вариаторов, например тороидальные, однако в серийных легковых автомобилях наибольшее распространение получила именно конструкция с регулируемыми шкивами и металлическим ремнём или цепью.
Вариатор с «бонусом»
Существует необычный тип коробки-вариатора, которая представляет собой смесь из классического «автомата» с гидротрансформатором и классического же клиноременного вариатора в одном флаконе. В таком узле после ДВС сначала идёт гидротрансформатор (с блокировкой на скорости примерно 10 км/ч и выше), а после него крутящий момент передаётся на вариаторную часть коробки передач и уже далее на «автомат», совсем небольшой, двухступенчатый, и далее на главную передачу и на ведущие колёса. (На рисунке вариаторная часть коробки и крохотный «автомат» указаны стрелками.)
Вначале «автомат» (планетарный механизм) включает первую передачу и разгон идёт за счёт вариаторной части (перемещения шкивов), а примерно на 40 км/ч «автомат» включает свою вторую передачу, в этот же момент конусы вариатора мгновенно меняют позицию на исходную. Дальнейшее ускорение снова идёт за счёт вариаторной составляющей коробки. Тот же самый планетарный механизм отвечает и за включение заднего хода в такой коробке передач.
Такое решение позволило заметно сократить размер конусов вариатора, а значит, размер и массу всей коробки передач. При этом доступный такой трансмиссии диапазон изменения передаточных чисел только вырос.
А что такое e-CVT?
Здесь легко запутаться. Название e-CVT часто встречается у гибридных автомобилей, но конструктивно такая трансмиссия может вообще не иметь ничего общего с обычным ременным вариатором.
Например, в гибридных силовых установках с разделением мощности используется планетарный механизм, который связывает двигатель внутреннего сгорания с одним или несколькими электромоторами-генераторами.
Изменяя частоту вращения электрических машин, система может плавно менять соотношение оборотов ДВС и ведущих колёс.
Для водителя результат действительно напоминает работу вариатора: никаких привычных фиксированных ступеней и почти непрерывное изменение передаточного отношения. Но металлического ремня и пары раздвижных шкивов там нет. Поэтому обычный CVT и гибридный e-CVT — технически совершенно разные устройства, несмотря на сходство названий.
«Коробка» электромобиля
Трансмиссия есть. А привычная многоступенчатая коробка чаще всего не нужна. Электродвигатель способен создавать высокий крутящий момент практически с нулевой частоты вращения и работать в гораздо более широком диапазоне оборотов, чем ДВС. Поэтому большинству электромобилей хватает простой одноступенчатой передачи — редуктора.
Он постоянно уменьшает частоту вращения электромотора и одновременно увеличивает крутящий момент на колёсах. Задний ход тоже не требует отдельной шестерни: электромотор достаточно заставить вращаться в обратную сторону.
Однако исключения существуют. На отдельных электромобилях используются двухступенчатые коробки, позволяющие получить разные передаточные отношения для интенсивного разгона и движения на высокой скорости.
Но в целом отсутствие необходимости постоянно переключать передачи остаётся одним из важных конструктивных отличий электромобиля от машины с ДВС.
Что всё-таки называть «автоматом» и какая коробка лучше
В бытовой речи автоматической часто называют любую коробку, где водитель выбирает D и дальше не переключает передачи самостоятельно.
С этой точки зрения к «автоматам» можно отнести сразу три совершенно разные конструкции:
• классическую гидромеханическую АКПП;
• роботизированную коробку, в том числе DCT;
• вариатор.
Но технически корректнее их различать. Особенно при выборе автомобиля. Надпись «автоматическая трансмиссия» в объявлении сама по себе ещё не сообщает, что именно установлено на машине.
Универсального ответа на вопрос, какая коробка лучше, попросту нет — и вот почему.
Механическая коробка оставляет управление переключениями водителю и обычно конструктивно сравнительно проста. Соответственно обслуживание и ремонт проще.
Классический «автомат» обеспечивает плавное трогание благодаря гидротрансформатору и давно научился быстро и почти незаметно менять передачи.
«Робот» с двумя сцеплениями позволяет очень быстро переключать ступени и обеспечивает жёсткую механическую связь двигателя с колёсами.
Вариатор вообще избавляется от фиксированного набора передач и может постоянно подбирать необходимое передаточное отношение.
Но по одному лишь типу коробки нельзя делать вывод ни о её надёжности, ни о комфорте конкретного автомобиля. Две гидромеханические коробки могут очень сильно отличаться по конструкции и настройкам. То же относится к вариаторам и «роботам».
Имеют значение запас по передаваемому крутящему моменту, система охлаждения, программное обеспечение, условия эксплуатации, интервалы обслуживания и даже то, с каким двигателем конкретная коробка работает.
Поэтому при выборе автомобиля полезно сначала понять принцип конструкции, а уже затем выяснить информацию о той трансмиссии, которая установлена на интересующей модели.
41