Что и как передает коробка передач?

Top Gear от Луи Рено
На первых автомобилях крутящий момент, частота вращения передавались и регулировались с помощью цепей, ремней и шестеренок. Цепно-ременные конструкции, обладали низкой скоростью, имели невысокий КПД, да к тому же часто ломались. Настоящей революцией стало изобретение молодого Луи Рено. В 1899 году он зарегистрировал патент на первую в мире коробку передач, впервые применив систему подвижных зубчатых колес и валов. Изобретение, будущего промышленника, основателя крупнейшей французской автомобильной компании оказалось настолько революционным, что было принято практически всеми автомобильными заводами того времени.
В том же 1899 году Луи Рено создает автомобиль, оснащенной КП с тремя передними передачами и одной задней. Крутящий момент на задние колеса передавали не цепи, а вал с карданными шарнирами. Эта схема трансмиссии до сих пор применяется в конструкции у заднеприводных автомобилей. Третья передача была названа прямой, поскольку передаточное число (отношение частот вращения коленчатого и карданного валов) равнялась единице. Частоты коленвала и кардана совпадали и автомобиль развивал максимальную скорость. Прямая передача также получила название «высшей», или «Top Gear» по-английски. Именно под этим названием в течение 30 лет выходит телепередача на британском канале BBC. Кстати, жители Туманного Альбиона, в отличие от нас, имеют возможность восхищаться юмором Джереми Кларксона и его коллег в течение одного часа. И практически без рекламы.

Чем выше передача, тем ниже скорость
С момента изобретения Луи Рено прошло больше века, но принцип механической, так называемой ступенчатой, коробки передач остался прежним. Ступенчатая коробка передач состоит из группы шестерен, которые вводятся в зацепление для получения различных передаточных чисел между коленвалом двигателя и колесами. Передаточное число изменяется путем перемещения или самих шестерен, или специального устройства, так называемого синхронизатора. Синхронизатор уравнивает (синхронизирует) окружные скорости включаемых в зацепление шестерен.
Стоит отметить, что чем выше передаточное число, тем ниже передача. Поэтому первую называют низшей, поскольку передаточное число у нее наибольшее. На низшей передаче повышением частоты вращения двигателя увеличить крутящий момент до необходимой величины. Передача вращения осуществляется от малой шестерне к большой и при высокой частоте вращения коленвала, скорость движения автомобиля остается низкой. Передаточное число низшей передачи автомобиля составляет от 3 до 4,5. Например, на Subaru Forester этот показатель составляет 3,545. Кроме высшей и низшей передачи в автомобилях есть еще передача задней скорости, а также нейтральная. В нейтральном положении крутящий момент от двигателя на колеса не передается и автомобиль движется по инерции или стоит.
Большинство современных автомобилей, оснащенных механической КПП, имеют 4−5 передач, или скоростей движения вперед. Коробки с 6-ю и более скоростями устанавливаются на заряженные спортивные или джипы. Например, Jeep Cherokee версий Sport, Limited и Renegade оснащается либо «автоматом», либо 6-ступенчатой механикой.

Немного механики о «механике»
Разобравшись с историей механической КПП, стоит детальнее остановиться на ее устройстве. Традиционная коробка передач состоит из:
 — картера, т. е. несущей конструкции, выполняющей также защитную функцию;
 — первичного, вторичного и промежуточного валов с шестернями;
 — дополнительного вала и шестерни заднего хода;
 — синхронизаторов,
 — механизма переключения передач с замковым и блокировочным устройствами;
 — рычага переключения.
Внутри картера размещаются основные узлы и детали коробки передач. Картер коробки передач примыкает к картеру сцепления, закрепленному на двигателе. Валы коробки передач вращаются в подшипниках, установленных в стеках картера, и несут наборы шестерен. Синхронизаторы необходимы для плавного, бесшумного и безударного включения передач, путем уравнивания угловых скоростей вращающихся шестерен. Для смены передач служит механизм переключения, который управляется водителем с помощью рычага. Замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а от случайного выключения защищает блокировочное устройство. Для предотвращения преждевременного износа трущихся деталей коробки кратер заполняется специальным трансмиссионным, реже обыкновенным моторным, маслом.
При помощи сцепления крутящий момент от коленвала передается на ведущий вал коробки через пару шестерен (главную передачу). Ведомая шестерня главной пары задействует ведущий вал коробки передач. На нем жестко закреплены ведущие шестерни разного размера по количеству скоростей — к примеру, четыре шестерни для движения вперед и одна для заднего хода как на жигулевской «классике».
Шестерни ведущего вала взаимодействуют со своими «напарницами», расположенными на ведомом валу коробки передач. Ведомый вал имеет более сложно устройство, чем ведущий — часть его поверхности круглая, а на части нанесены продольные шлицы имеет шлицы. На круглых частях вала свободно вращаются ведомые шестерни, каждая со своей скоростью. И каждая из ведомых шестеренок находятся в постоянном зацеплении со своей ведущей «напарницей», прочно сидящей на ведущем валу.
Шлицы же служат для перемещения стопорных колец вдоль ведомого вала. Они вращаются со скоростью вала и могут перемещаться вдоль него, подходя к той или иной ближайшей шестерне. При переключении передач кольцо подходит к ближайшей шестерне, как бы стопорит ее и шестерня оказывается жестко соединена с ведомым валом. В любой момент времени лишь одна шестерня может быть жестко соединена с ведомым валом, остальные свободно вращаются на нем. В результате, тем самым обеспечивается выбранное в данный момент значение передаточного числа коробки передач.

Планеты Форда
Пока автопром Европы в начале прошлого века внедрял изобретение Луи Рено, по ту сторону Атлантики пошли другим путем. Американским пионером стал другой великий изобретатель и автопромышленник — Генри Форд. В 1903 году Форд открывает собственную фирму «Форд Мотор Компании» и начинает работать над созданием дешевого доступного для широких масс автомобиля. И он его создает. Прообразом становится автомобиль модели «А» с 2-цилиндровым двигателем в 8 лошадиных сил, с цепным приводом, передававшим крутящий момент на заднюю ось. Форд не воспользовался достижениями Рено, а применил свой принцип переключения передач — планетарный и впоследствии КПП, работающие на этом принципе стали называть планетарными.
Принцип планетарной передачи заключается в следующем. Это -механическая система, состоящая из нескольких (планетарных или сателлитов) шестерён, вращающихся вокруг центральной (солнечной или центральной) шестерни. Планетарные шестерни фиксируются вместе с помощью водила. Кроме этого, дополнительная внешняя кольцевая шестерню, имеет внутреннее зацепление с планетарными шестернями. Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни (как планеты вокруг Солнца), внешняя шестерня — вокруг сателлитов. Различные передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга.
Планетарные коробки передач классифицируют по числу степеней свободы, которыми они обладают в случае полного выключения всех элементов управления:
 — двухстепенные;
-трехстепенные;
-четырехстепенные и т. д.
Для включения передачи в случае двухстепенной коробки передач, необходимо воздействовать на один элемент управления. Причем, если это будет блокировочная муфта, то коробка полностью заблокируется, что соответствует прямой передаче. В коробке передач обладает с тремя степенями свободы, для включения передачи воздействие идет на два элемента управления.
Первая планетарная коробка от Форда имела две скорости вперед и одну назад. Мировым признанием планетарной коробки передач стало ее применение в одном из самых массовых автомобилей — «Форд Т», который в период с 1908 по 1927 годы разошелся тиражом в 15 миллионов экземпляров. Кстати, коробка была весьма капризной и стала причиной появления в автомобильном жаргоне термина «Козел», «Козлик». При переключении скоростей «Форд Т» подпрыгивал и «бодался». Советские водители-ветераны, помнившее своенравную модель «Форда» за схожий дизайн (облицовка радиатора) наградили незавидным прозвищем сначала «ГАЗ 67», а потом и «ГАЗ 69».
Тем не менее, механическая планетарная коробка передач вполне успешно прижилась. К примеру, именно планетарные коробки передач устанавливались на гордость советского автопрома — представительские «Чайки» и «ЗиЛы».

Триумф гидравлики
Планетарные коробки передач стали отправной точкой создания еще в 30-х годах прошлого века автоматических коробок передач. В современных коробках используются каскады из нескольких планетарных передач для получения большого диапазона передаточных чисел, что обеспечивает плавность переключения скоростей. И сегодня АКПП в корне отличаются от шестеренных — они способны менять передачи на полной мощности двигателя, что практически неосуществимо со скользящими шестернями и синхронизаторами для обычных автомобилей. Но этой триумфальной победе предшествовали десятилетия упорных разработок лучших автоинженеров.
Первые автоматы стали производить за океаном. Детали планетарной передачи притормаживались с помощью специальных механизмов-тормозов, которые приводились в действие давлением масла, подаваемого насосами через специальный клапан на выходном валу коробки. Чем выше была скорость машины, тем быстрее вращался вал, тем сильнее открывался клапан. Давление в гидросистеме повышалось и переключались передачи. Одним из первых подобных автоматов стала коробка «Олдсмобила» 30-х годов. Кстати, автомат устанавливался в качестве как сейчас принято называть дополнительной опции, стоимостью 80 долларов.
С момента своего появления автоматические коробки претерпели серьезные изменения. Сегодня выделяют три основных этапа в их развитии:
Гидравлические коробки однокомандные.
Гидравлические коробки с электронным управлением -многокомандные, с управлением вручную через рычаг, кнопку, наличие специальных функций.
Гидравлические автоадаптирующиеся с электронным управлением — многокомандные, с управлением как вручную, так и автоматически через систему автоадаптации, наличие специальных функций, адаптация под конкретного водителя, условия дороги и т. д.
Принципиальная схема работы современной АКПП выглядит следующим образом. В промежуточном кожухе, между двигателем и коробкой передач, установлен гидротрансформатор, который работает как обычное сцепление. Гидротрансформатор, наполненный трансмиссионной жидкостью, вращается с большой скоростью. Он передает крутящий момент, поглощает и сглаживает вибрации двигателя, приводит в действие масляный насос, находящийся в корпусе коробки передач. Масляный насос наполняет трансмиссионной жидкостью гидротрансформатор и создает рабочее давление в системе управления и контроля.
В корпусе самой коробки передач расположены несколько планетарных механизмов, которые обеспечивают необходимые передаточные отношения. А передача крутящего момента от двигателя через планетарные механизмы к колесам происходит с помощью фрикционных дисков, дифференциала и других сервисных устройств. Управление всеми этими устройствами осуществляется благодаря трансмиссионной жидкости через систему управления и контроля.
Узел управления и контроля состоит из маслосборника, шестеренчатого насоса и клапанной коробки. Клапанная коробка представляет собой систему каналов с расположенными в них клапанами и плунжерами, которые выполняют функции контроля и управления. Это устройство преобразует скорость движения автомобиля, нагрузку двигателя и степень нажатия на педаль газа в гидравлические сигналы. На основе этих сигналов, за счет последовательного включения и выхода из рабочего состояния фрикционных блоков, автоматически изменяются передаточные отношения в коробке передач.
За время своего существования АКПП успели не только измениться, но и завоевать огромную популярность. Год от года улучшаются их эксплуатационные качества. Например, сравнительно недавно рекомендуемый межсервисный интервал АКПП составлял 15 000 километров, сегодня 60 000 тысяч уже не предел. Таким ресурсом обладает например Новая автоактивная и автоадаптирующаяся коробка AL 4, детище концерном PSA PEUGEOT — CITROEN. Однако АКПП остается очень сложным агрегатом и поэтому производителей автоматических коробок в мире насчитывается не так уж и много — гораздо меньше, чем конвейерных производителей.

Так все же: «механика» или «автомат»?
По прогнозу западных экспертов, обнародованном на сайте Just-Auto.com, в наступившем 2007 году число автомобилей с автоматическими коробками передач превысит количество машин, на которые будут установлены традиционные механические КПП.
По словам экспертов, наибольшей популярностью автоматическая трансмиссия пользуется у покупателей легковых машин и легкого коммерческого автотранспорта в Северной Америке и Японии. В Европе, а также в странах Азии, автомобилисты предпочитают традиционную «механику». К примеру, в США автомобилей с автоматической коробкой передач продается 90%, а Японии — более 80%.
Поэтому благодаря традиционной приверженности европейцев и азиатов к механике только к 2012 году продажи автомобилей с автоматическими КПП превысят 50 процентов от числа всех новых машин. Потребность рынка в коробках передач такого типа потребует от автопроизводителей увеличения собственных производственных мощностей, сравнимого с запуском 10 новых специализированных предприятий. Россия к «автоматизации» собственными силами пока еще не готова — в нашей стране до сих пор нет ни одного предприятия, способного поставлять «автоматику» на конвейер. Правда, неоднократно заявлялось, что некое ООО «Кате», созданное выпускниками МГТУ им. Баумана при поддержке «Внешторгбанка» и «Рособоронэкспорта» наладит в Калининграде выпуск до 260 000 комплектов АКПП. C момента первого заявления прошло полтора года, земля под производство выделена, а отечественных коробок пока не видно. Кстати, данный проект оценивается в серьезную сумму — до 150 миллионов долларов.
Появление отечественного производителя вполне возможно сделало бы автоматические коробки передач более доступными для населения. Тем более, у автоматики немало преимуществ:
 — комфортность вождения благодаря уменьшению контрольных функций водителя;
 — бесшумность при работе;
 — отсутствие ограничений в передачи мощности двигателя;
 — защищенность механизмов от поломок при неправильном включении передач;
 — защита двигателя и ходовой части от перегрузок;
 — увеличенный ресурс.
Но со счетов нельзя сбрасывать и недостатки АКПП по сравнению с механикой:
 — существенно более высокая цена;
 — повышенный на 5−15% расход топлива в связи с потерями энергии в гидросистеме;
 — повышенная стоимость обслуживания (более частая смена жидкости, фильтров очистки жидкости гидросистемы);
 — ухудшение динамических качеств автомобиля, «заторможенность».
Так что, какой вид КПП выбрать — дело личное, зависящее от приоритетов конкретного человека. Очевидно лишь, что с каждым годом эксплуатационные свойства автоматических коробок улучшаются, а число поклонников АКПП уверенно растет.

Автоматизированная механика
Достижения в области новых материалов и электроники буквально вдохнули вторую жизнь в механическую коробку передач. Начиная с 1970-х годов прошлого века конструкторы стремились автоматизировать работу механической коробки передач, сохранив при этом все ее преимущества, главное из которых — динамика. Это стремление принесло многочисленные плоды. И теперь многие виды коробок переключения передач и вроде механическими не назовешь, и к автомату не отнесешь. Назовем основные:
«Easytronic» — практически та же МКПП, но переключает передачи электропривод.
«Tip-tronic», «Step-tronic» и разные «троники» — автоматические коробки передач, которые благодаря электронике позволяют ехать как в автоматическом, так и в ручном режиме.
Кулачковые коробки передач. Модернизированная механика. На торцах шестерен расположены выступы-кулачки, посредством которых шестерни входят в зацепление. Передачи можно переключать с неполным выжимом сцепления или вообще без выжима — ударные нагрузки приходятся на кулачки, а не на зубья шестерен. Применяются в основном в автоспорте.
Секвентальные, (последовательные) коробки передач. Передачи переключаются строго последовательно, одна за другой. Перемещения рычага происходят только вперед-назад. Движение рычага вперед повышает передачу, назад — понижает. Электроника обеспечивает быстрое, точное и мягкое переключение передач. Водитель просто двигает рычагом и в определенный момент резко нажимает или отпускает педаль газа, всем остальным управляет автоматика. Подобные коробки передач — атрибут гоночных автомобилей и суперкаров.
«Direct Shift Gearbox» (DSG) — плод творчества инженеров Audi. DSG совмещает в себе механическую шестиступенчатую ручную коробку передач и современный «автомат». Благодаря механизму «парного» сцепления, появляется возможность для одновременного использования всех передач сразу! DSG позволяет переключать передачи, даже не используя педаль сцепления. Например, вы двигаетесь на четвертой передаче, а сцепление пятой уже включено и для того, чтобы перейти на нее, достаточно просто передвинуть рычаг.
Вариатор: коробка без передач
Принципиально от «механики» и «автоматики» отличается «коробка передач» будущего, так называемый вариатор — бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которое позволяет плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное в соответствии внешней нагрузке и оборотам двигателя. В настоящее время автопроизводителями используется два вида вариаторов: клиноременной и тороидный. Одним из самых распространенных обозначений вариаторов стала аббревиатура «CVT» (Continuously Variable Transmission), что можно перевести как «трансмиссия с плавно изменяемым передаточным числом»
Главными деталями клиноременного вариатора являются два раздвижных шкива и соединяющий их ремень. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин, наружу — радиус шкива, по которому работает ремень, увеличится. Одновременно увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь, и будет работать по меньшему радиусу — уменьшится передаточное отношение. Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой. Этот принцип в автомобилестроение впервые был применен в 1958 году, когда свет увидел DAF-600, оснащенный трансмиссией «Variomatic» на основе клиноременного вариатора, которая затем устанавливалась на Volvo 343. Затем на этом направлении сосредоточили свои усилия такие гиганты как Audi (трансмиссия «Multitronic» на А6), Honda, NISSAN, TOYOTA и многие другие. Как показывает практика, вариаторы обладают преимуществами автоматической коробки, при этом лишены их недостатков (повышенный расход, ухудшение динамики и т. д.). Ограничивают применение бесступенчатой трансмиссией другие факторы:
 — конструкционная слабость ремней, недолговечность, неспособность выдерживать большие нагрузки;
 — потребность в дополнительных механизмах для режимов трогания и заднего хода;
 — более высокая стоимость;
 — большой вес.
Но и как в случае с АКПП прогресс не стоит на месте, и материалы для ремней все время совершенствуются. Поэтому автогиганты все чаще свой взор обращают на CVT. Лидером в этом направлении сегодня по праву считается компания NISSAN, которая рассчитывает в 2007 году продать не менее миллиона автомобилей, оснащенных бесступенчатой трансмиссией. Особо перспективным эксперты считают применение вариаторов в гибридных автомобилях, где проблема дополнительных механизмов для режимов трогания и заднего хода решается за счет наличия электродвигателей. Например, как в Lexus RX400h. Правда опять российскому автолюбителю не повезло — большая часть автомобилей с вариаторами производится специально для США и Японии.