Коробка передач является неотъемлемой частью всех автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Назначение коробки передач заключается в передаче и преобразовании крутящего момента от двигателя к колесам и подаче мощности на другие агрегаты и узлы вспомогательного оборудования. Эта процедура обеспечивает оптимальное тяговое усилие, скорость автомобиля и задний ход. Кроме того, коробка передач помогает отсоединить коленчатый вал двигателя от ведущих колес. Это позволяет автомобилю работать на холостом ходу или полностью остановиться.
Следует отметить, что действие коробок передач распространяется не только на автомобиль. Редукторы широко используются в промышленном оборудовании и производственных инструментах.
В связи с появлением автомобилей на дорогах, производители усовершенствовали не только двигатель, но и коробку передач. Это развитие привело к появлению современных автомобилей с различными типами коробок передач.
Типы коробок передач
Более чем вековая история автомобилестроения принесла в современный мир не только мощные, экологически чистые двигатели, но и усовершенствованные коробки передач. Сегодня в автомобилях устанавливаются четыре основных типа коробок передач
1. механическая коробка передач
2. автоматическая коробка передач
3. роботизированные коробки передач
4. коробка передач вариаторного типа (постоянно меняющаяся)
Рассмотрим подробнее каждую коробку передач.
Механическая коробка передач (механическая, ручная коробка передач)
Особенностью двигателей внутреннего сгорания является то, что рабочая мощность развивается только в небольшом диапазоне оборотов. По этой причине для изменения крутящего момента требуется дополнительный механизм.
Его история насчитывает более 100 лет, а изобретение принадлежит Карлу Бенцу. Конструктивно первые конструкции коробок были примитивными и очень простыми. Механизм коробки был реализован с помощью пары роликовых шкивов разного диаметра на оси движения, шкивы крепились к ремню двигателя. В зависимости от условий эксплуатации ремни перемещались с одного шкива на другой с помощью специально разработанных рычагов. Это позволяло изменять крутящий момент на ведущем колесе. Этот простой механизм до сих пор используется в современном мире, и тот же принцип применяется для изменения скорости велосипеда.
Современные механические коробки передач намного совершеннее этого механизма. Коробка передач состоит из набора шестеренок, а передача меняется при зацеплении шестеренок рычагом.
Механические коробки передач могут иметь различное количество скоростей. Наиболее популярной является пятиступенчатая коробка передач. Механические коробки передач различают также на двухосные и трехосные.
Двухвальные механические коробки передач устанавливаются на переднеприводные автомобили. Коробки передач с полосатым валом предназначены для легковых и грузовых автомобилей, имеющих привод как на передние, так и на задние колеса.
— Простая и надежная конструкция
— Легко справляются с нестандартным рельефом
— Финансовая эксплуатация
— Экономичное обслуживание
Недостатки механических коробок передач:
— Неудобное управление в сложных условиях городской езды
Автоматическая коробка передач (автомат, автоматическая трансмиссия)
Идея комфортного вождения возникла, как только появился сам автомобиль. Автоматическое переключение передач потенциально могло обеспечить этот комфорт. Однако реализовать эту идею сразу не удалось: только в 1947 году были выпущены автоматические коробки передач, и Buicks стали оснащаться автоматическими трансмиссиями.
На самом деле, автоматические коробки передач появились несколько раньше. Автоматические коробки передач устанавливались в шведских городских автобусах с 1928 года.
Обратите внимание, что три независимые линии роста привели к разработке коробки передач. Позже они были объединены в единую конструкцию. В основе автоматической коробки передач лежал гидротрансформатор, изобретение профессора Феттингера, патент на который был выдан в 1903 году. Два других элемента — это планетарная коробка передач и гидравлическая система управления.
В отличие от классической техники, современные автоматические трансмиссии работают в разных условиях и по разным принципам, но их основная функция остается неизменной.
Преобразователи крутящего момента или конвертеры состоят из насоса, турбины и статора. Компоненты преобразователя размещены в общем корпусе. Преобразователь заполнен специальным маслом. Насос создает поток масла внутри преобразователя, который вращает колеса статора и турбину. Таким образом передается крутящий момент от двигателя.
Планетарные редукторы состоят из нескольких шестерен (они называются планетарными шестернями или сателлитами), которые вращаются вокруг центральной шестерни. Планетарные шестерни страхуются направляющими. Кроме того, дополнительная внешняя кольцевая шестерня находится внутри планетарной передачи. Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни, а внешняя шестерня вращается вокруг сателлитов. Передаточное отношение достигается за счет страхования различных частей относительно друг друга. Современные коробки передач используют несколько планетарных редукторов для достижения более обширных отношений.
Гидравлическая система живет и работает полностью вместе с остальными частями автоматической коробки передач, и ее работу можно уподобить циркуляционной системе. Помимо давления в системе, жидкости, используемые в качестве рабочих жидкостей, выполняют множество других полезных функций. Смазка, отвод тепла, промывка внутренних деталей автоматической коробки передач и т.д.
— Комфорт и простота управления
— Возможность переключения скорости до полной мощности двигателя.
— Плавное переключение передач при переключении скоростей.
— Защита компонентов двигателя от перегрузок в случае неправильного выбора скорости.
Недостатки автоматических коробок передач:
— Стоимость и частота технического обслуживания
— повышенный расход топлива
— Низкая производительность
— Сниженная динамика автомобиля
Роботизированная коробка (робот)
Роботизированная коробка передач является логическим развитием механической коробки передач. Роботизированная коробка передач — это не что иное, как механическая коробка передач, в которой сцепление выжимается, а переключение передач осуществляется двумя серводвигателями, управляемыми электронным блоком. По сути, робот вобрал в себя все положительные элементы механической коробки передач и удобство автоматической.
Первый прототип робота появился в 1939 году, когда Адольф Кегрес создал коробку передач с двойным сцеплением, но дальнейшее развитие этого многообещающего изобретения застопорилось на последующие 40 лет. Причиной тому был недостаток финансирования.
Роботизированная коробка передач не сразу пошла в серийное производство, но инженеры Porsche смело испытали технологию. Роботы были представлены в моделях 956 и 962C. машины Они были предназначены для гонок на треке. К сожалению, из-за недостатков конструкции и значительного веса коробки, технология не смогла продвинуться дальше трека.
Только в 2003 году появилась серия роботизированных коробок передач. Volkswagen рискнул и установил преселективную коробку передач на спортивную версию Golf 4 R32. Коробка передач была изготовлена компанией BorgWarner. И по сей день VAG активно продвигает этот тип коробки передач в своих моделях.
Отличительной особенностью этой коробки является ее конструкция, т.е. наличие двух сцеплений. Принцип работы этой коробки заключается в том, что четная передача подключается к одному сцеплению, а нечетная — к другому. Во время работы крутящий момент передается через одно сцепление. Это означает, что диск закрыт. В то же время другой диск размыкается, но внутри самой коробки уже подключена следующая передача, и при переключении передач первый диск размыкается, а второй замыкается синхронно. Это гарантирует плавное, без рывков переключение передач.
Роботизированные коробки передач далее классифицируются на две версии
— С жидкостным сцеплением — используется на автомобилях с мощными двигателями с крутящим моментом более 350 Нм.
— С сухим сцеплением — используется на автомобилях с маломощными двигателями с крутящим моментом до 250 Нм.
Преимущества робота:.
— Плавное панорамирование и перемещение
— Высокая производительность
— Экономичный расход топлива
— Высокая динамика
— Возможность выбора режимов работы системы привода
Недостатки робота:.
— Как дизайн, так и мехатроника.
Вариаторная коробка передач (CVT) рассматривается как непосредственный преемник классической коробки передач; существует твердое убеждение, что CVT — это будущее опять же для городской езды. Японские производители, в частности Nissan и Subaru, уделяют особое внимание коробкам CVT. Первая трансмиссия с переменным массой была представлена компанией DAF в 1950-х годах. Этот автомобиль был не грузовиком, как многие считают, а небольшим легковым автомобилем.
К сожалению, он был не очень надежным и имел долгий срок службы. Компания Volvo пыталась разработать эту технологию в течение многих лет, но она была отвергнута для разработки. Неожиданно история с инвертором продолжилась в Японии.
Причиной возвращения и переработки переменных стала необходимость адаптации автоматической коробки передач к условиям загруженности дорог в городе. Скорость переключения передач напрямую связана с оборотами двигателя. Классический автомат в условиях городских пробок начинал переключать скорости с первой на вторую, при этом на коротких расстояниях и на низких скоростях в этом не было необходимости. В других случаях, когда речь шла о «прибрежном беге», автомат не ждал долго команды водителя на ускорение, а поддерживал скорость, не снижая ее. Такое поведение создавало большую нагрузку на компоненты коробки передач, что приводило к повышенному расходу топлива, повышенному износу и преждевременным повреждениям. Все это привело к многочисленным эволюциям коробок передач, результатом которых стал совершенно новый тип коробки передач — CVT.
Самое удивительное, что первый гидротрансформатор был изобретен Леонардо да Винчи в 1490 году. На чертежах изобретателя изображена схема параллельного конуса и ремня, который может двигаться вдоль оси конуса и изменять передачу.
CVT или вариатор — это бесступенчатая трансмиссия; основными компонентами CVT являются гидротрансформатор, два подвижных шкива и соединяющий их ремень (шкивы). Поперечное сечение ремня трапециевидное. Принцип работы заключается в следующем. Скользящая половина ведущего шкива выталкивает ремень наружу. В результате радиус шкива, по которому проходит ремень, увеличивается, и это действие увеличивает передаточное число. Если передаточное число необходимо уменьшить, ведомый шкив выдвигается, и радиус ремня уменьшается. Преобразователи крутящего момента такой конструкции блокируются после запуска. Шкивы управляются электроникой.
Преимущества вариатора:.
— Переключение передач происходит плавно и без рывков.
— Экономичный расход топлива
— Высокая динамика
Недостатки вариатора:.
— Не совместим с мощными двигателями.
[…]
— Многочисленные датчики, влияющие на работу CVT
— Сложные дорожные условия, чувствительность к буксировке
Были рассмотрены основные типы коробок передач. Были определены основные недостатки и преимущества каждого типа. Однако невозможно дать однозначный ответ, какой агрегат лучше всего подходит. Каждый из них подходит для своего круга задач, и выбор, каким агрегатом оснастить автомобиль, учитывая круг задач, уже ложится на плечи конструктора автомобиля и потребителя.