Трансмиссия автомобиля

В машиностроении трансмиссией называется совокупность механизмов, призванная передавать крутящий момент от силового агрегата к рабочему органу механического устройства. Автомобильная трансмиссия выполняет ту же функцию и передает крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания к ходовой части (колесам) автомобиля для изменения тяговых усилий, скоростей и направления движения транспортного устройства.

Что такое трансмиссия автомобиля

Автомобильная трансмиссия — разновидность трансмиссии, обеспечивающая движение автомобилем и его управление водителем. В общих случаях в состав автомобильной трансмиссии входят:

• сцепление либо гидротрансформатор;
• 
  
• коробка передач;
• 
  
• главная передача;
• 
  
• шарнир равных угловых скоростей.
• 
  

Опционально в состав трансмиссии также могут входить раздаточная коробка и карданная передача.

Классификация автомобильных трансмиссий основана на различных принципах переключения передач и передачи крутящего момента к рабочему органу автомобиля, то есть колесам. Выделяют следующие виды автомобильных трансмиссий:

• механическая;
• 
  
• автоматическая;
• 
  
• роботизированная;
• 
  
• трансмиссия типа вариатор.
• 
  

Механическая трансмиссия — автомобильная трансмиссия, предназначенная для передачи крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания к колесам, в которой выбор передачи осуществляется водителем в ручном режиме. Функции механической трансмиссии осуществляются за счет механических устройств, поэтому она и получила такое название.

Принцип работы механической трансмиссии следующий: крутящий момент от силового агрегата через сцепление передается на первичный вал КПП. Сцепление обеспечивает разъединение мотора и трансмиссии для переключения передач без выключения оборотов двигателя. В механической трансмиссии сцепление выжимается водителем путем нажатия на педаль в салоне автомобиля. В момент, когда сцепление выжато, водителем осуществляется выбор передачи и вручную переключается рычаг КПП.

В механической трансмиссии оси валов расположены параллельно, на них расположены шестерни. Пары взаимодействующих шестерен образуют ступени, каждая из них имеет определенное передаточное число, определяемое отношением количества зубьев у выходной и входной шестерен в паре. Количество зубьев зависит от размера самой шестерни: чем больше зубьев — тем больше диаметр шестерни. Первая передача имеет самое большое передаточное число и, соответственно, входная шестерня имеет минимальный размер, а выходная — максимальный.

Передаточное число определяет скорость вращения и крутящий момент, передаваемый от коленчатого вала двигателя. Если передача увеличивает крутящий момент, то она является понижающей, если уменьшает — повышающей. У понижающей передачи скорость вращения шестерен снижается, у повышающей — повышается.

Существуют две основных разновидности механической трансмиссии: двухвальные и трехвальные КПП. У двухвальных крутящий момент передается непосредственно от ведущего вала к ведомому, у трехвальных между ними расположен промежуточный вал, повышающий общий КПД механической трансмиссии и позволяющий реализовать прямую передачу. Также механическая трансмиссия классифицируется по количеству ступеней: 4, 5, 6 и даже 7 на самых продвинутых автомобилях. Наибольшее распространение сейчас имеют 5- и 6-скоростные МКПП.

Механическая трансмиссия довольна проста, надежна и недорога в реализации. Однако ее основной недостаток — усложнение процесса управления автомобилем. Водитель должен полностью контролировать процесс переключения передач, что является достаточно утомительным занятием, особенно в режиме городской езды. Ошибки в переключении грозят перегрузкой двигателя или повреждением сцепления. Поэтому автопроизводители предлагают альтернативный варианты, в которых переключение передач осуществляется без участия водителя.

Устройство автоматической трансмиссии

Автоматическая трансмиссия обеспечивает переключение передач в автоматическом режиме. Это означает, что человеку, управляющему автомобилем, не нужно выжимать сцепление и переключать рычаг КПП. Коробка-автомат была разработана еще в начале XX века, основные принципы ее работы сохранились с того времени.

Классическим вариантом автоматической трансмиссии является гидротрансформаторная КПП, состоящая из следующих узлов:

• гидротрансформатора;
• 
  
• планетарного механизма.
• 
  

Последний включает в себя следующие детали

• гидравлический или электронный блок управления АКПП;
• 
  
• фрикционную муфту;
• 
  
• обгонную муфту;
• 
  
• ленточный тормоз;
• 
  
• масляный насос.
• 
  

Гидротрансформатор обеспечивает передачу крутящего момента от силового агрегата и по своей сути заменяет сцепление. Передача крутящего момента осуществляется за счет накопления и использования кинетической энергии жидкости, находящейся внутри корпуса гидротрансформатора. Также он обеспечивает гашение толчков, возникающих при переключении передач, из-за отсутствия жесткой кинематической связи между своими элементами.

Планетарный механизм обеспечивает выбор скорости и передачу крутящего момента от гидротрансформатора к приводам колес. В планетарном механизме осуществляется блокировка одних шестерней и разблокировка других, что определяет выбор передаточного числа. Управление коробкой осуществляет гидравлический или электронный блок управления, собирающий сведения от различных датчиков и определяющий необходимый режим работы.

Классическая автоматизированная трансмиссия имеет множество достоинств: она обеспечивает комфортность управления автомобилем, имеет большой ресурс, зачастую превосходящий механическую трансмиссию, предотвращает банальные ошибки водителя при переключении передач. Разумеется, имеются и минусы: автомат достаточно дорог, поэтому им редко оснащаются автомобили эконом-класса. Также трансмиссия подобного типа увеличивает вес авто, снижает динамику и максимальную скорость, повышает расход топлива и требует тщательного ухода. В случае поломки ремонт автоматической трансмиссии обойдется владельцу авто в немаленькую сумму.

Вариатор, или CVT (Continuously Variable Transmission), это разновидность бесступенчатой автомобильной трансмиссии. Вариатор способен плавно изменять коэффициент передачи во всем диапазоне скоростей и тяговых усилий, поэтому в процессе работы такой трансмиссии не наблюдается характерных толчков при переключении передач, свойственных другим видам трансмиссии.

На современных автомобилях самым распространенным видом является вариатор, основанный на работе клиноременной передачи. В нем передаточное число передается от ведущего шкива, соединенного с мотором, к ведомому, связанного с приводами колес. Между собой валы соединяются ремнем.

Принцип работы вариатора основан на изменении диаметра ведомого и ведущего шкивов при уменьшении или увеличении частоты оборотов двигателя. При трогании автомобиля, когда необходимо максимальное тяговое усилие, диаметр ведущего шкива минимален, ведомого максимален, что повышает коэффициент передачи. С набором скорости и увеличением оборотов силового агрегата диаметр ведущего шкива возрастает, а ведомого — падает, что уменьшает коэффициент передачи. Таким образом регулируется тяговое усилие, передаваемое на приводы колес. Как и на любых современных автомобилях, за регуляцию диаметра шкивов отвечает электроника, получающая команды из электронного блока управления.

Второй вариант бесступенчатой трансмиссии — тороидальный вариатор, встречающийся гораздо реже клиноременной схемы. При таком варианте передача крутящего момента регулируется роликами тороидальной формы, зажатыми между валами. Изменение передаточного числа осуществляется за счет увеличения или уменьшения площади контактных поверхностей соприкосновения роликов и валов. Для максимальной тяги роликовые зажимы поворачиваются в сторону ведомого вала, что увеличивает площадь соприкосновения и трение между ведомым валом и роликом. При увеличении скорости ролики поворачиваются в обратную сторону. Тороидные вариаторы более надежны и износостойки, однако дороже в производстве.

Плюсы бесступенчатой трансмиссии типа вариатор очевидны: она более динамична и эффективна, чем автомат, полностью отсутствуют рывки, выигрывает она и в экономичности по сравнению с автоматом. Однако и минусы вариатора также ярко выражены: ненадежность, относительно малый ресурс, дорогостоящий ремонт и необходимость дополнительного обслуживания (нужно покупать специальное трансмиссионное масло).

Роботизированная трансмиссия

Роботизированная трансмиссия — еще один вариант трансмиссии, позволяющий переключать передачи в автоматическом режиме и позволяющий избавиться от педали сцепления в салоне авто.

В большинстве случаев роботизированная трансмиссия является однодисковой с одним сцеплением, в качестве альтернативы предлагается двухдисковая (преселективная) — с двумя параллельными механическими коробками и двумя сцеплениями. В качестве экзотического варианта создана и трехдисковая роботизированная коробка с тремя параллельными механическими коробками и тремя сцеплениями.

Роботизированная КПП основана на работе классической механической КПП, однако переключение передач производится не вручную, а благодаря сервоприводам, управляемым электроникой. Один сервопривод выключает и включает сцепление, второй физически перемещает шестеренки в коробке передач. Сервоприводы могут быть электрическими (более доступный вариант, встречающийся на автомобилях эконом-класса) или гидравлическими, обеспечивающими более плавное переключение передач и сближающими робот с классическим автоматом. Такой вариант встречается на более дорогих автомобилях.

Принцип работы роботизированной трансмиссии с одним сцеплением (однодисковой) следующий. Крутящий момент передается на ведущий вал, который передает его на ведомый, соединенный приводом с колесами. Силовой агрегат и ведущий вал разделены сцеплением, переключением которого занимается сервопривод под управлением электроники. При разрыве сцепления второй сервопривод перемещает синхронизаторы коробки передач таким же образом, как это делает водитель рычагом КПП на механике. Однако для такой системы характерны разрывы в мощности и потери в тяге в момент переключения.

Для решения этой проблемы была разработана преселективная роботизированная трансмиссия (DCT) с двумя дисками (валами) и двумя сцеплениями для четных и нечетных передач. Когда автомобиль едет на нечетной передаче, второе сцепление подготавливает переключение на четную передачу и т. д. Благодаря этому исчезают разрывы в тяге при переключении передач, которое осуществляется в рекордно быстрый период времени (время отзыва — до 0,2 секунды и даже меньше).

В целом роботизированная трансмиссия имеет свои плюсы по сравнению с автоматом — она дешевле, занимает меньше места в подкапотном пространстве, меньше весит, достаточно экономична (на уровне механической трансмиссии). Также большинство роботов позволяет переключать передачи и в ручном режиме.

Минусы робота следующие — простые однодисковые роботы с электрическими сервоприводами не обеспечивают плавность переключения передач. Роботы с двумя сцеплениями и с гидравлическими сервоприводами достаточно дороги, недостаточно надежны и имеют сложности при ремонте. В нередких случаев при поломке приходится менять коробку передач целиком.