Казалось, чем больше передач в автомобильной трансмиссии, тем лучше. А если их бесконечно много (бесступенчатая КПП), то и пожелать уже нечего.

Однако полувековой опыт производства и эксплуатации CVT обнаружил, что дело не в бесступенчатом переключении. Главное в другом – в диапазоне передаточных чисел (ПЧ). Скажем, настолько широкий, что вы можете вести свою машину с 1,5-литровым 16-клапанником на скорости 80 км/ч – при каких-то 1250 оборотах двигателя. На "высшей" и, как говорится, "в натяг": выигрышно по расходу бензина.

Pourquoi бы и не pas? Придется, правда, растянуть диапазон ПЧ коробки от, допустим, "штатного" 4,666 до 8,5-9 и добавить еще пару-тройку "повышающих" ступеней (не терпеть же зияющие "провалы" между передачами). Всего 7-8. И автоматизировать управление трансмиссией, поскольку правильно работать с 8-ступенчатой коробкой не так-то просто. Да еще "в натяг", когда автомобиль идет нестабильно, а мотор готов в любую минуту заглохнуть – стоит только зазеваться с переключением "вниз".

Между прочим, такого интервала ПЧ бесступенчатые вариаторы – даже самые продвинутые - не дают… В общем, нужна многоступенчатая КПП (вальная или планетарная) – с широким диапазоном чисел и быстрым переключением. Именно таким путем и идут автомобилестроители в XXI в. – по всему миру.

Старая добрая

Многое постигается в сравнении: в коробке передач «Волги» или «Калины» оси валов неподвижны (хотя сами валы, естественно, вращаются). В отличие от планетарного ряда, где так называемые сателлиты обращаются вокруг солнечной шестерни, обкатывают ее. Так сказать, движение по планетарным орбитам – отсюда и название.

КПП с неподвижными осями валов намного проще планетарной: всего-то несколько шестеренных пар – по числу передач. В автомобилестроении такие конструкции применяют уже сотню с лишним лет, а специалисты нередко называют их вальными (будто в планетарных трансмиссиях или в бесступенчатых CVT нет валов); условность. Тогда как автообозреватели обычно рассуждают о "механических" КПП (можно подумать, цепной multitronic представляет собой гидравлическое устройство - или электрическое). Впрочем, хоть горшком назови…

Вернемся к вальным КПП: набор шестеренных пар. А соотношение количеств зубьев в каждой паре определяет ее ПЧ. Такие коробки делают 2- либо 3-вальными, а передач насчитывается аж до 7 (в Формуле 1). У грузовиков-тягачей еще больше.

Широко применяются 2-вальные конструкции (рис. 1): первичный вал вращается от двигателя, а от вторичного крутящий момент идет на ведомую зубчатку главной пары. Мощность в такой КПП всегда передается через 2 шестерни; в зависимости от того, какая пара работает, включена та или иная передача. Заметим, что ПЧ здесь как выше 1, так и ниже ("ускоряющие" передачи), а вот так называемой "прямой" нет.

 

"Прямая" передача организуется в 3-вальной КПП, за такую возможность их и ценят. Конструкция чуть сложнее, чем у 2-вальной: здесь работают первичный, промежуточный и вторичный валы. На "прямой" первичный и вторичный валы (они строго соосны) связаны воедино, и крутящий момент идет сквозь коробку, минуя шестеренные пары. ПЧ на "прямой", естественно, равно 1; но дело не в абстрактном числе, а во вполне реальных выгодах. Во-первых, на "прямой" передаче в шестеренных парах не теряется мощность (2,5-3,5% в каждой). Во-вторых, шестерни не изнашиваются – и не шумят; комфорт. По сути КПП при соединении первичного и вторичного валов выпадает из игры, отключена. Поэтому ПЧ коробки и главной пары стараются подбирать так, чтобы автомобиль ездил, по возможности, именно на "прямой".

Коробки передач с 3-я валами удачно вписываются в "классическую" компоновку: двигатель спереди – ведущие задние.

А 2-вальные КПП прекрасно компонуются с главной передачей, и их время пришло, когда стали в массовом порядке выпускать сначала заднемоторные легковушки, а затем – переднеприводные. Тут уже "прямой" нет, и пара шестерен воет всю дорогу – громче или тише (в зависимости от качества изготовления и сборки).

 

Переключать передачи проще всего перемещением той или иной из шестерен вдоль вала – до зацепления с соответствующей парой. Так когда-то и поступали, да и сейчас еще "задний ход" нередко дается перемещением зубчатки. Грубая работа: под нагрузкой от двигателя шестерни входят в зацепление с трудом. Поэтому вальные КПП давно уже делают с шестернями постоянного зацепления. Пары шестерен перманентно сцеплены, но свободно прокручиваются на валах. Нейтраль; чтобы включить ту или иную из передач, по валам передвигаются (на 2-3 мм) особые муфты – кулачковые или иные. Муфта замыкает шестерню на валу и тем самым дает соответствующую передачу. Для легкости переключения муфты оснащают так называемыми синхронизаторами, которые согласуют угловые скорости валов – за счет трения в конусах.

Переключение под нагрузкой в таких КПП затруднено, поэтому предварительно выжимается сцепление. Шестерни на мгновение освобождаются от крутящего момента, и синхронизаторы делают свое дело. Типовая процедура на "два притопа – три прихлопа". Квалифицированный водитель-спортсмен переключается "вверх" за доли секунды (даже без сброса "газа"), тогда как мало кто из автомобилистов-любителей грамотно справляется с непростой задачей – то перекручивает мотор (и перерасходует горючее) на заниженной передаче, то глушит его на светофоре – в попытке тронуться с места на III.

Доверьтесь роботу

Заманчиво освободить человека за рулем от забот о правильном выборе передачи – и от исполнения замысловатой процедуры. Ведь в интенсивном городском потоке (при движении на рельефе) сцепление приходится выжимать 800-900 раз на 100 км пробега - и переключаться каждые 30-40 сек. Какой вопрос; автоматика справится ничуть не хуже – особенно цифровая. Возникла идея "роботизации" коробки передач с неподвижными осями валов: пусть переключениями заведует электроника.

В 1989 Ferrari применила на своих болидах Формулы 1 "роботизированную" вальную КПП; с тех пор такие агрегаты нашли место на шасси не только гоночных, но и пассажирских автомобилей. Оно и понятно: унификация с ручной коробкой передач, сравнительная простота и дешевизна. Казалось, верное решение найдено. Правда, "скудерия" вовсе не стала первопроходцем; так, еще в середине 50-х немецкая Goggomobil предлагала покупателям микроавтомобиля T300 "роботизированную" КПП с электромагнитными исполнительными механизмами. Вальная 4-ступенчатая коробка, принудительное управление (рычажок на передней панели) – прообраз "формульной" конструкции. Разве что мощность 2-тактного моторчика едва достигала 15 л. с.; у Ferrari иной масштаб.

А с начала 90-х "роботизированные" коробки устроены единообразно (рис. 3): автоматическое сцепление – и сервомеханизмы переключения, управляемые "думающим" центром. Действуют они в подражание водителю: педаль выжал – передачу выключил/включил – педаль отпустил. Одни срабатывают быстро (BMW Sequentional Manual Gearbox II – за 80 миллисекунд!), другие отличаются "задумчивостью", но той четкости и гладкости переключения, какую показывают классные водилы, "робот" все же не дает.

Он не позволит вам пропустить интересный момент: при разгоне каждое переключение "вверх" сопровождается заметной паузой. Машина будто спотыкается, а пассажиры дружно "клюют" носами. А в иной ситуации "робот" суетливо дергается вверх-вниз, не в силах выбрать правильную передачу.

К сожалению, "роботизированные" КПП с одним (!) сцеплением так и не преодолели свои "детские" болезни. Видимо, многооперационная процедура переключения (на 3 притопа) не очень-то пригодна для автоматизации; тут нужна человеческая "ловкость рук". Тогда как "робот" уместен в малооперационных схемах – вроде бесступенчатой CVT. Или же планетарного ряда, где не нужно столь тонко согласовывать фазы переключения. И неудивительно поэтому, что первыми "роботизированными" КПП массового применения стали конструкции именно с планетарными рядами, появившиеся еще 60-70 лет назад (!).

Парад планет

В гидромеханических "автоматах", как правило, работают планетарные ряды (с внутренним зацеплением шестерен), а не коробки с неподвижными осями валов. Типовой планетарный набор состоит из центральной, солнечной зубчатки, ее шестеренок-сателлитов (обычно 3-4) на водиле – и наружной коронной шестерни с внутренними зубьями. Посчитайте (рис. 4), сколько тут всего.

Да, непросто. Зато такой планетарный ряд легко дает 2 передачи переднего хода (понижающая и "прямая") – плюс "задний ход". Подобную "планетарку" Генри Форд выбрал когда-то для пионерной модели T; получилось на диво удачно.

А в 50-е едва ли не все американские автомобилестроители выпускали простенькие 2-скоростные "автоматы" с одним-единственным планетарным рядом: Ford-O-Matic, Powerglide у Chevrolet и др. Для классных моделей применяли 3-скоростные – со сложным планетарным набором или с 2-я последовательными рядами. Тогда как легковушки Cadillac и Oldsmobile с 1940 оснащались знаменитыми 4-скоростными "автоматами" Hydra-Matic: аж 3 планетарных ряда.

У планетарных наборов ряд выигрышных особенностей: во-первых, для переключения не нужно двигать ни шестерни, ни соединяющие их с валами муфты. Достаточно, например, затормозить коронную шестерню (при ведущей солнечной) - и на водиле получите понижающую передачу. А если связать входной вал и водило сцеплением ("мокрое" многодисковое), то включится, естественно, "прямая". Тормозим водило, а коронную соединяем сцеплением с выходным валом: правильный "задний ход".

То есть, "думающему" центру не приходится выполнять сколько-нибудь сложные операции: одновременно включается сцепление и отпускается (ленточный) тормоз. И наоборот: довольно мягкое переключение на "прямую" - и обратно. Иными словами, планетарные ряды словно задуманы для "роботизации", и десятилетиями именно они входили в состав автоматических КПП (за редкими исключениями).

Причем переключение, во-вторых, происходит без разрыва потока мощности – ничего похожего на характерные "затыки" вальных "роботизированных" КПП. По коэффициенту полезного действия планетарные передачи не уступают конструкциям с неподвижными осями и намного превосходят бесступенчатые CVT. Мало того, при сравнимых с вальной коробкой габаритах и весе, хорошая "планетарка" способна передавать повышенный крутящий момент – без всякого ущерба. Сказывается осевая симметрия планетарного ряда: хотя шестерни воспринимают (немалый) крутящий момент, валы не нагружаются боковыми силами и не прогибаются.

Тогда как в коробке с неподвижными осями сопряженные шестерни под нагрузкой как бы расталкивают валы, выламывая их из картера: деформации, износ, шум, повреждения… Вальная КПП под высокий крутящий момент – непростое дело. Обратите внимание: у Mercedes (!) так и не нашлось подходящей "ручки" для мощных "восьмерок" и 12-цилиндровых моторов. Обходятся "автоматами" - без вариантов (что немало разочаровывает "драйверов"). Стандартные "планетарки" прекрасно держат нагрузку - даже после гидротрансформатора (который еще в разы увеличивает крутящий момент двигателя).

В общем многоступенчатая планетарная КПП – классная вещь. Причем не обязательно автоматическая: еще до II мировой войны применялись 4-ступенчатые преселективные "планетарки" Cotal (с электромагнитными сцеплениями) и Wilson – с гидросистемой. Водитель управлял переключением принудительно – рычажком на рулевой колонке. Прообраз подрулевых "лепестков" XXI века…

Замечательная конструкция, но сложная и дорогая. Оцените на взгляд 7-ступенчатую "планетарку" 7G-Tronic от Mercedes (рис. 6): тут разбираться тяжело. А изготовление и сборка такого механизма – дело исключительно тонкое. Вдобавок гидросистема (с насосами, клапанами, фильтрами и пр.), без которой планетарная КПП неработоспособна, многодисковые сцепления и тормоза. Плюс цифровая электроника; инженерный сюр.

 

Автомат

Так обычно называют гидромеханическую трансмиссию: гидротрансформатор (или гидромуфта) в паре с "роботизированной" КПП. Как и гидромуфта, гидротрансформатор играет роль автоматического сцепления. А кроме того, повышает крутящий момент (отсюда и название): обычно наибольший коэффициент трансформации равен 2-2,25. В отличие от гидромуфты, у которой коэффициент трансформации 1; какой момент на входе, такой и на выходе (за вычетом потерь).

По сути гидротрансформатор представляет собой бесступенчатый гидродинамический вариатор с внутренним автоматизмом: несложное и надежное устройство (без механического трения и износа). А гидромеханические "автоматы" устроены в виде последовательной связки двух вариаторов – гидродинамического и механического. И ладно, вот только КПД гидротрансформатора, к сожалению, крайне невелик. В наивыгоднейшем режиме он достигает до 88-92%, а так гораздо хуже – от 0 (при трогании автомобиля с места) и практически на уровне 60-70%. Немалые потери мощности, перегрев рабочей жидкости, перерасход топлива… Поэтому в современных "автоматах" гидротрансформатор обычно блокируют – на всех передачах, кроме I. Тронулись с места, - и он уже не нужен.

Как правило гидротрансформатор стыкуется с планетарной КПП, хотя иной раз в конструкции "автоматов" применяют и вальные коробки. Так, Honda Motor монтирует на свои легковушки среднего и "премиального" классов гидромеханические агрегаты с 2-вальной КПП. Отчего же и нет: 5-ступенчатая коробка (с вспомогательным валом) оснащена 5-ю "мокрыми" многодисковыми сцеплениями, каждое из которых включает свою передачу – без разрыва потока мощности. Почти как "планетарка", но много проще. Плюс унификация с ручной…

Гидротрансформаторы комбинируют также и с бесступенчатыми CVT, – например, Autotronic для "мерсов" A- и B-классов. Или экзотический ниссановский Extroid. И все же чаще всего в составе гидромеханических "автоматов" работают планетарные ряды: 2 и даже 3 (причем далеко не такие простые, как на рис. 4). На 5-6 передач, а иной раз на все 8 (Lexus IS-F)! Спрашивается, на кой столько? Все те же соображения: широкий диапазон рабочих ПЧ. А также умеренный "зазор" между соседними передачами: понятно, что 8-скоростной "автомат" переключается гораздо глаже, чем 3-скоростной. Кроме того, он точнее выбирает наилучшую, по условиям движения, передачу. И не дергается без конца со II на III – и обратно (поскольку обе не подходят).

Комфорт, динамика – и экономия горючего. При наличии гидротрансформатора, 5-ступенчатой КПП вполне достаточно. А когда передач 7-8 (диапазон ПЧ – 6 и даже 6,6…), то гидротрансформатор уже явно ни к чему. Конструкторы уже осознают, к чему пришли, - и отказываются от малоэффективной гидродинамики. Вот новейший 7-скоростной "автомат" AMG Speedshift MCT (рис. 7): мерседесовский 7G-Tronic без гидротрансформатора! На месте которого - "мокрое" многодисковое сцепление: потери заметно меньше, динамика автомобиля лучше. Спортивный "автомат".

 

Правда, в истории автомобилестроения есть и прямо противоположные примеры: односкоростные гидромеханические "автоматы". Вообще без ступеней - только нейтраль, "движение" и "задний ход". Так, легковушки Buick в 1958-1963 оснащались КПП Dynaflow Triple Turbine с 5-колесным гидротрансформатором особой конфигурации (обычно у них 3 колеса), который исполнял роль вариатора сам по себе. Разгонялся автомобиль без всяких переключений – чисто "сохатый". К сожалению, "автомат" Dynaflow отличался крайне низким реальным КПД, и Buick безбожно расходовал горючее. Хотя кого в США полвека назад волновала цена бензина?

Фото: АвтоГАЗ, AMG, PSA Group, GMC, Honda Motor, Daimler AG, Renault S.A.