Виды автоматических коробок передач, перспективы развития

Как появилась коробка автомат

Современная автоматическая коробка передач появилась благодаря трем направлениям в механики, которые были разработаны независимо друг от друга и в последствие стали единым узлом, позволяющим включать передачи автоматически, в зависимости от скорости движения автомобиля.

Первой разработкой в этом направлении стало появление планетарной передачи, которая стала основным механизмом автомобилей Ford T еще вначале XX века. Суть работы данного устройства заключалось в том, чтобы передачи включались плавно при помощи двух педалей. Одна из них работала на повышение и понижение передач, а другая активировала заднюю передачу. В те времена это было действительно новинкой, ведь тогда в трансмиссиях автомобилей еще не применялись синхронизаторы, обеспечивающие плавность включения.

Вторым направлением стало появление в 30-х годах прошлого века первой полуавтоматической коробки передач, когда планетарным механизмом стала управлять уже гидромуфта. При этом, использование сцепления в автомобиле не отменялось. Данное изобретение принадлежит известной компании General Motors.

Ну и последним изобретением, стало применение гидромуфты в данном типе трансмиссии, которая сводила к минимуму появление рывков. Кроме того, в этот раз помимо 2-х ступеней, впервые был введен овердрайв – повышающая передача, при этом, передаточное число не превышало единицу.

Компания Крайслер, которая в 1930-х годах ввела это новшество, представило новый тип трансмиссии, как полуавтомат, хотя в настоящее время он считается механическим.

В конечном счете, АКПП, в том виде, которую ее привыкли видеть, появилась в 1940-х годах и ее создателем стала компания General Motors. В этот же период, компания отказалась от применения гидромуфты и стала использовать специальный гидротрансформатор, который исключал возможность пробуксовки элемента. Позже был введен стандарт, который подразумевал пять положений селектора на АКПП: «D», «L», «N», «R» и «P».

История создания автоматической коробки передач

Автоматизация трансмиссии исторически происходила в три этапа. Первым попытку сделать авто более самостоятельным предпринял Генри Форд в начале ХХ века. Ford T имел планетарную КП, которая требовала меньше навыков от автолюбителей по переключению скорости, чем обыкновенная механическая.

На следующем этапе в производство поступили автомобили с полуавтоматической трансмиссией. В них автоматизация направлена либо на самостоятельное переключение передач, либо на отказ от использования сцепления, что существенно облегчало вождение транспортного средства.

Знаете ли вы? Такую полуавтоматическую трансмиссию используют до сих пор на скутерах.

Последним этапом к переходу на автоматическую трансмиссию была система, предложенная разработчиками американской компании General Motors. В её основе лежала планетарная модель, ранее использовавшаяся на заводе «Форд», а также гидравлика, которая сама включалась в момент, когда необходимо изменить передачу. Оба принципа лежат в основе современной АКПП.

Особенности работы вариатора

Вариатор – бесступенчатая КПП, которая позволяет плавно менять показатель передаточного числа. Производятся двух типов: клиноременной и торовый. Первый вариатор имеет стандартные комплектующие АКПП, клиновидный ремень и несколько раздвижных шкивов.

Шкивы подконтрольны блоку управления; они сжимают диски относительно оборотов. Отдельным подвидом являются цепные вариаторы, они, в отличие от вариаторов CVT, оказывают тянущее усилие. Рабочие диски в таком случае сжимают клиновидные звенья цепочки.

Торовый вариатор имеет два клиновидных элемента. Диски делятся по принципу МКПП – на ведущий и ведомый. Переключение передач происходит за счет движения ролика между дисками. Прямая передача практически не применяется в вариаторах подобного типа.

Главным недостатком вариатора является быстрая изнашиваемость ремней и невозможность эксплуатации с мощными двигателями. Даже при бережном и аккуратном отношении ремни придется менять каждые 150 тысяч км.

Понять устройство и принцип работы различных типов коробок переключения передач лучше наглядно. Если в жизни такой возможности нет, то можно просмотреть несколько обучающих роликов, например:

Основные преимущества АКПП

• «Классической»
  1. Гидравлическая коробка-автомат имеет высокий эксплуатационный ресурс (от 120 тысяч до 1 миллиона километров), что позволяет ей проработать весь срок службы автомобиля.
  2. Намного превосходит механическую коробку в экономичности и скорости переключения.
  3. Считается самой комфортной из трансмиссий, благодаря плавности и незаметности переключений. При этом двигатель работает в широком спектре оборотов без создания акустической усталости.
  4. Без проблем переживает пробуксовки в процессе вождения.
  5. Нет отката в момент старта движения с места.
  6. Одинаково хорошо работает при любой скорости.
  7. Благодаря отсутствию связи с двигателем на него не передаются удары и вибрации, что увеличивает его общий ресурс.
  8. Возможно эффективно задействовать торможение двигателем.
  9. Дополнительные режимы значительно расширяют возможности по управлению автомобилем в различных ситуациях и климатических условиях.
• Коробки-робота
  1. Дешевизна производства.
  2. Переключения скоростей самые быстрые.
  3. Экономичность.
• Вариатора
  1. Всегда оптимальный режим работы двигателя.
  2. Обеспечивает максимальный комфорт при вождении — нет толчков, задержек, рывков. Автомобиль хорошо ускоряется.
  3. Экономичнее, чем гидравлическая коробка-автомат.
  4. Достаточно простая конструкция.

Как работает планетарная передача

Почему в АКПП в подавляющем большинстве случаев применяется планетарная передача, а не валы с шестернями, как в механической коробке? Планетарная передача более компактна, она обеспечивает более быстрое и плавное переключение скоростей без разрыва в передаче мощности двигателя. Планетарные передачи отличаются долговечностью, так как нагрузка передается несколькими сателлитами, что снижает напряжения зубьев.

В одинарной планетарной передаче крутящий момент передается с помощью каких-либо (в зависимости от выбранной передачи) двух ее элементов, из которых один является ведущим, второй — ведомым. Третий элемент при этом неподвижен.

Неподвижный	Ведущий	Ведомый	Передача
Корона	Солнце	Водило	Понижающая
Водило	Солнце	Повышающая
Солнце	Корона	Водило	Понижающая
Водило	Корона	Повышающая
Водило	Солнце	Корона	Реверс, понижающая
Корона	Солнце	Реверс, повышающая

Для получения прямой передачи необходимо зафиксировать между собой два любых элемента, которые будут играть роль ведомого звена, третий элемент при таком включении является ведущим. Общее передаточное отношение такого зацепления 1:1.

Таким образом, один планетарный механизм может обеспечить три передачи для движения вперед (понижающую, прямую и повышающую) и передачу заднего хода.

Передаточные отношения одиночного планетарного ряда не дают возможности оптимально использовать крутящий момент двигателя. Поэтому необходимо соединение двух или трех таких механизмов. Существует несколько вариантов соединения, каждое из которых носит название по имени своего изобретателя.

Механизм Симпсона

Планетарный механизм Симпсона, состоящий из двух планетарных редукторов, часто называют двойным рядом. Обе группы сателлитов, каждая из которых вращается внутри своей коронной шестерни, объединены в единый механизм общей солнечной шестерней. Планетарный ряд такой конструкции обеспечивает три ступени изменения передаточного отношения. Для получения четвертой, повышающей, передачи последовательно с рядом Симпсона установлен еще один планетарный ряд. Схема Симпсона нашла наибольшее применение в АКПП для заднеприводных автомобилей. Высокая надежность и долговечность при относительной простоте конструкции – вот ее неоспоримые достоинства.

Механизм Равинье

Планетарный ряд Равиньё иногда называют полуторным, подчеркивая этим особенности его конструкции: наличие одной коронной шестерни, двух солнечных и водила с двумя группами сателлитов. Главным преимуществом схемы Равиньё является то, что она позволяет получить четыре ступени изменения передаточного отношения редуктора

Отсутствие отдельного планетарного ряда повышающей передачи позволяет сделать редуктор коробки очень компактным, что особенно важно для трансмиссий переднеприводных автомобилей. К недостаткам следует отнести уменьшение ресурса механизма приблизительно в полтора раза по сравнению с планетарным рядом Симпсона

Это связано стем, что шестерни передачи Равиньё нагружены постоянно, на всех режимах работы коробки, в то время как элементы ряда Симпсона не нагружены во время движения на повышенной передаче. Второй недостаток – низкий КПД на пониженных передачах, приводящий к снижению разгонной динамики автомобиля и шумности работы коробки.

Коробка передач Уилсона состоит из 3 планетарных редукторов. Коронная шестерня первого планетарного редуктора, водило второго редуктора, и коронная шестерня третьего постоянно соединены между собой, образуя единое целое. Кроме того, второй и третий планетарные редукторы имеют общую солнечную шестерню, которая приводит в действие передачи переднего хода. Схема Уилсона обеспечивает 5 передач вперед и одну заднего хода.

Планетарная передача Лепелетье объединяет в себе обыкновенный планетарный ряд и пристыкованный за ним планетарный ряд Равинье. Несмотря на простоту, такая коробка обеспечивает переключение 6 передач переднего хода и одну заднего. Преимуществом схемы Лепелетье является ее простая, компактная и имеющая небольшую массу конструкция.

Конструкторы постоянно совершенствуют АКПП, увеличивая количество передач, что улучшает плавность работы и экономичность автомобиля. Современные «автоматы» могут иметь до восьми передач.

Режимы работы

Как переключаются передачи в АКПП? Это реализовано в виде рычага-селектора, который расположен в удобном месте для доступа водителя. На поверхности рычага находится кнопка, которую нажимает водитель, чтобы выбрать нужный режим. Селектор-переключатель имеет несколько направлений:

• Р (англ. Park) – его выбирают в условиях длительной стоянки или прогрева двигателя (часто применяют в пробке). Это аналог стояночного тормоза, но не с прижатием тормозных колодок, а блокировкой вала. Если установить этот режим на склоне, то машина скатится вниз;
• N (англ. Neutral) – вал не заблокирован, машину можно буксовать. Можно включать при короткой стоянке. Это аналог нейтралки на «механике»;
• D (драйв, англ. Drive) или A (автомат) – движение впёрёд в обычных условиях, передачи подбираются в автоматическом режиме;
• L (D2, B) – пониженная передача, транспорт двигается в сложных условиях, на бездорожье, при крутых подъёмах и резких спусках. Скорость меньше 40 км/ч;
• 2 – движение не выше 2 передачи;
• 3 – движение не более 3 передачи;
• R (реверс, англ. Reverse) – задний ход (скорость). Включать следует при полной остановке мотора и нажатии педали тормоза;
• S (англ. Sport), PWR (Power) – это спортивный режим. Повышаются динамические показатели благодаря увеличению оборотов мотора. Повышается расход топлива;
• Normal – езда происходит в плавной и экономичной нагрузке;
• Manual (M) — передачи подбирает водитель, используется в зимнее время или при езде в бездорожье. Используются кнопки «+» и «–». Похож на механический режим переключения как в МКПП, но попроще;
• W (англ. Winter) или Это зимний режим, когда трогание с места начинается со 2 или 3 передачи. Не следует часто ездить таким способом из-за возможности перегрева КПП;
• E – экономичный режим;
• Hold – это удержание, применяется вместе с режимами «D» «L» и «S».

Дополнительные режимы:

• D3, O/D OFF – включение только 1,2 или 3 передачи. Это городской режим, который снижает экономность топлива;
• O/D или (D) – овердрайв при превышении скорости включается 4 передача. Подходит для движения по трассе;
• Shift lock release (Shift lock) – происходит разблокировка селектора, срабатывает только при выключенном моторе.

Как пользоваться автоматической коробкой передач

Слесари СТО утверждают, что чаще всего поломки АКПП появляются после небрежного использования и несвоевременной замены масла.

Режимы работы

На рычаге расположена кнопка, которую водитель должен нажать, чтобы выбрать нужный режим. На селекторе предусмотрено несколько возможных положений:

• паркинг (P) — ведущая ось блокируется вместе с валом коробки, режим принято использовать в условиях продолжительной стоянки либо прогрева;
• нейтраль (N) — вал не фиксируется, машину можно аккуратно буксировать;
• драйв (D) — движение автотранспорта, передачи подбираются автоматически;
• L (D2) — машина передвигается в сложных условиях (бездорожье, крутые спуски, подъемы), максимальная скорость 40 км/ч;
• D3 — снижение передачи при небольшом спуске или подъеме;
• реверс (R) — задний ход;
• овердрайв (O/D) — если кнопка активна, то при наборе большой скорости включается четвертая передача;
• PWR — режим «спорт», обеспечивает улучшение динамических показателей за счет повышения передач на высоких оборотах;
• normal — плавная и экономичная езда;
• manu — передачи включаются непосредственно водителем.

Переключение режимов работы АКПП.

Как заводить машину на автомате

Стабильная работа АКПП зависит от правильного запуска. Чтобы оградить коробку от неграмотного воздействия и последующего ремонта, разработано несколько степеней защиты.

При запуске двигателя рычаг селектора должен располагаться на значении «P» либо «N». Эти положения позволяют защитной системе пропустить сигнал о старте двигателя. Если рычаг будет находиться в другом положении, то водитель не сможет включить зажигание либо же после оборота ключа ничего не произойдет.

Чтобы правильно начать движение, лучше использовать парковочный режим, поскольку при значении «P» у машины блокируются ведущие колеса, что не позволяет ей скатиться. Применение нейтрального режима позволяет осуществить экстренную буксировку транспорта.

Большинство автомобилей с АКПП запускаются не только при правильном положении рычага, но и после выжимания тормозной педали. Эти действия препятствуют случайному откату автомобиля, если рычаг установлен на значении «N».

Как ездить на автоматической КПП и чего нельзя делать

Чтобы добиться длительной службы КПП, надо верно ставить режим в зависимости от текущих условий перемещения. Чтобы правильно эксплуатировать автомат, необходимо соблюдать следующие правила:

• дождаться толчка, который оповещает о полном включении передачи, только потом надо начать движение;
• при буксовании необходимо переходить на пониженную передачу, а при работе тормозной педалью — следить за тем, чтобы колеса вращались медленно;
• использование разных режимов позволяет осуществлять торможение двигателем и ограничивать разгон;
• во время буксирования автотранспорта с включенным мотором должен соблюдаться скоростной режим до 50 км/ч, причем максимальное расстояние должно быть менее 50 км;
• нельзя буксировать другой автомобиль, если он тяжелее машины с АКПП, при буксировке надо ставить рычаг на «D2» или «L» и ехать не более 40 км/ч.

Чтобы не попасть на дорогостоящий ремонт, водители не должны:

• передвигаться в парковочном режиме;
• спускаться на нейтральной передаче;
• пытаться завести мотор с толчка;
• ставить рычаг на «P» или «N», если нужно ненадолго остановиться;
• включать задний ход с положения «D» и до полного прекращения движения;
• на склоне переключаться в режим парковки до постановки автомашины на ручник.

Как эксплуатировать АКПП зимой

В холодных погодных условиях часто возникают проблемы с машинами. Для сохранения ресурса агрегата в зимние месяцы водителям следует придерживаться таких рекомендаций:

1. После включения двигателя в течение нескольких минут прогревать коробку, а перед движением — нажать и держать педаль тормоза и попереключать все режимы. Эти действия позволяют трансмиссионному маслу быстрее прогреться.
2. На протяжении первых 5-10 км не нужно резко разгоняться и буксовать.
3. Если надо выехать со снежной или ледяной поверхности, то следует включать пониженную передачу. Поочередно надо работать обеими педалями и аккуратно выезжать.
4. Раскачку делать нельзя, поскольку она пагубно сказывается на гидравлическом трансформаторе.
5. Сухое дорожное покрытие позволяет переходить на пониженные передачи и включать полуавтоматический режим, чтобы прекращать движение торможением двигателя. Если спуск скользкий, то надо пользоваться педалью тормоза.
6. На ледяном подъеме запрещается резко нажимать педаль и допускать пробуксовку колес.
7. Чтобы аккуратно выйти из заноса и стабилизировать машину, рекомендуется кратковременно включать нейтральный режим.

Механическая коробка: классификация

История этого вида трансмиссии насчитывает уже более сотни лет, за все время существования он претерпел массу изменений, позволивших довести его до совершенства и убрать недочеты. Проще говоря, механическая КПП – наиболее простая и удобная в использовании конструкция из всевозможных вариантов. Это правило распространено на коробки с количеством ступеней, не превышающим 5. Ввиду стремления производителей к экономичности, изготавливаются обычно 6-ступенчатые виды агрегатов, но это не влияет на КПД.

Секвентальная МКПП: основные особенности

Точнее говоря, это устройство относится по принципу действия к механическим моделям. Идея появилась из спортивных машин. Конструкция функционирует на базе традиционной КПП, которая имеет электронное управление приводом.

Преимущества:

• Достижение оптимальной скорости через возможность быстрого переключения передач.
• Выработка последовательных действий без вреда для двигателя на больших оборотах.
• Возможность управления посредством подрулевых лепестков, позволяющих перемещаться на высоких скоростях.

В таких видах коробок автомобилей используются прямозубые шестерни, но не применяются синхронизаторы включения. Скорость их вращения выравнивается с помощью датчика скорости на компьютере. Наблюдается значительное сокращение времени включения нужной скорости (до 80%). Это делает процесс вождения удобным для новичков и профессиональных пользователей.

Роботизированные системы

Основное отличие от предыдущего вида – наличие электромеханического привода для включения шестерен. В основе схемы традиционно лежит механическая КПП, каждый вал оснащается в данном случае диском сцепления.

Устройства имеют отношение к механической КПП. Но, тем не менее, являются средним звеном между автоматом и механикой по стоимости и функциональности.

Какая она, коробка «автомат»?

Помимо того, как пользоваться АКПП, наверное, все же надо иметь представление какая она и как она действует, эта коробка – автомат.

Автоматическая коробка переключения передач, устройство, которое обеспечивает без участия водителя выбор передаточного числа в соответствии с текущими условиями движения. В данном случае педаль акселератора («газа») задает не обороты двигателя, а скорость движения.

История создания и развития АКПП берет начало с 30-х годов прошлого века. С момента появления принцип работы автоматической коробки передач поменялся мало, но был, естественно дополнен. Благодаря чему, и существуют различные виды автоматических коробок передач, которые развились в отдельные направления, т.к. разрабатывались разными автостроителями.

Виды АКПП

• Бесступенчатая автоматизированная трансмиссия (вариатор).
• Различные «роботизированные» АКПП с электропневматическими, электронными или электромеханическими исполнительными устройствами. В настоящее время первый тип роботизированной КПП с одним сцеплением, практически снят с производства. Второе поколение этого вида автоматических коробок передач носит название «преселективная КП», известная как Audi S-tronic, Volkswagen DSG, Ford Dualshift, Mitsubishi SST и т.д.

У нас на слуху такие типы АКПП как типтроник и стептроник. Пару слов об этих общепринятых названиях.

Tiptronic – это АКПП имеющая возможность ручного переключения передач. В режиме ручного управления водителем осуществляется ручной выбор передачи путем подталкивания рычага селектора в направлении «+» или «-».

Steptronic – АКПП применяемая в БМВ. Имеет также возможность ручного переключения передач, но скорость переключения увеличена, и сравнима с МКПП. В стептронике рычаг передвигается по положениям P, R, N, и D. Кроме того здесь имеется положение «M/S» (Manual/Sport), которое в режиме «спорт» удерживает передачу до момента достижения максимального количества оборотов, затем происходит повышение передачи.

Принцип работы АКПП

Сразу после запуска мотора в гидротрансформатор («бублик») попадает трансмиссионное масло. Оно обеспечивает повышение давления внутри и запуск лопастей центробежного насоса. После переключения рычага и нажима на педаль, число вращений увеличивается. Одновременно возрастает скорость вихревых масляных потоков. Жидкость переходит на реактор и постепенно возвращается к турбинам, усиливая их эффективность. Крутящий момент переходит на колёса. Транспортное средство приведено в движение. Гидротрансформатор автоматически изменяет крутящий момент и берёт на себя функцию сцепления.

После набора заданной скорости лопастные турбины и насосные колеса двигаются одинаково. Вихри масла при этом попадают на реакторное колесо с другой стороны, потому что движение обеспечивается только в одну из сторон. Если машина идёт в гору, колеса частично останавливаются и передают центробежному насосу больше крутящего момента.

По команде электронного блока тормозная лента с фрикционами производит замедление пониженной передачи. Это приводит к усилению потоков масла, пропускаемых через клапан. Далее происходит переключение на повышенную передачу без потери мощности.

Если машина останавливается или снижается скорость её движения, давление рабочей жидкости уменьшается и передача переключается вниз. После выключения мотора исчезает давление, нагнетённое в гидротрансформаторе, поэтому невозможно запустить машину с толкача.

Что отвечает за переключение передач в АКПП? Процесс изменения передач в коробке происходит при увеличении или уменьшении давления рабочей жидкости, а на это влияет ЭБУ – электронный блок управления

Вес коробки передач составляет 70 кг в незаправленном виде. Но, езда при этом невозможна

Важно поддерживать правильное давление рабочей жидкости – на уровне 2,5-4,5 бар

Преселективный метод переключения скоростей

В отличие от АКПП, в роботизированной коробке всегда находятся во включенном состоянии одновременно две передачи – одна четного, другая нечетного рядов. При переключении скоростей происходит мгновенный переход муфты сцепления с одной на другую шестеренную пару.  При этом поток передаваемой мощности практически не прерывается.

Большое преимущество роботов – их компактные размеры и сравнительно небольшой вес. Два ведомых вала КПП с рабочими шестернями четных и нечетных передач расположены один внутри другого. Благодаря такому решению, коробка занимает минимальный объем в подкапотном пространстве.

Почему 8-ми ступенчатый автомат ZF стал популярен?

Дело в том, что в отличие от других коробок передач, 8-ми ступенчатая трансмиссия ZF может применяться на автомобилях с различным типом приводов. В том числе и на полном приводе. Также эта трансмиссия может быть установлена не только на бензиновые автомобили, но и легко интегрируется в дизельные транспортные средства. И это еще не все. В том числе коробка ZF легко может быть установлена в гибридные модели автомобилей.

Ну и наконец 8-ми ступенчатая коробка имеет широкий диапазон выходных мощностей.

В том числе конструкция восьмиступенчатой автоматической трансмиссии ZF позволяет конструкторам устанавливать двигатели не поперек, а вдоль оси транспортного средства. Также коробка ZF управляется уникальным программным обеспечением, настройку которого можно легко изменить под конкретную модель. 

Кроме того, не стоит забывать, что 8-ми ступенчатый немецкий автомат в своих множественных модификациях и версиях подходит под огромное количество различных моделей, которые имеют разный крутящий момент и мощность.

В результате автопроизводители могут купить у компании ZF именно такую трансмиссию, которая будет идеально подходить под конкретную модель, а затем с помощью программирования могут адаптировать коробку по своему личному усмотрению. Это экономит автомобильным компаниям миллиарды долларов, которые нужны для разработки своих собственных коробок передач.