Автоматични предавателни кутии

Все по-често в леките автомобили се използват автоматични предавателни кутии, аналогични на използваните в товарните автомобили. Тези кутии използват хидравлични системи или електродвигатели, различни датчици и интелигентни система за управление. Те са силно разпространени в САЩ, като в Европа техният дял също расте. Главните предимствата на тези механизми, в сравнение с обикновените предавателни кутии, се състоят във възможностите за потегляне от място без използване на съединителя, превключване на предавките под натоварване, без прекъсване действието на теглителната сила и автоматично превключване на предавките.
Преобразувателят на въртящия момент (хидротрансформаторът), монтиран непосредствено след маховика, осигурява минимална величина на предаваната теглителна сила при празен ход на двигателя. Това облекчава престрояването и възпрепятства връщането на автомобила назад при преодоляване на изкачвания. Но КПД на тези агрегати е по-нисък, отколкото в механичните кутии, а масата и габаритите са по-големи.
Съвременните автоматични предавателни кутии имат до 6 степени. Фирмите Aisin Borg Warner, Antonov и немската компания ZF са единствените производители на 6-степенните \"автомати\", при това първите две изброени фирми до настоящия момент демонстрират само прототипи. Предавателната кутия ZF от края на 2001 г. серийно се поставя на автомобилите BMW 7-ма серия, а през 2002 г. с такива автоматични предавателни кутии са снабдени и модели на Audi, Volkswagen и Jaguar. Известно е, че автомобили с такива трансмисии имат по-висок разход на гориво, но той би могъл да се редуцира чрез отстраняване на хидротрансформатора. Многодисковите сухи и хидравлични муфи с електронно управление могат да увеличат КПД на тези агрегати.
Безстепенни автоматични предавателни кутии
Трета възможност предоставят безстепенните автоматични предавателни кутии CVT (Continuously Variable Transmission, в превод от английски \"плавно изменящо се предавателно отношение\"), известни в механиката като вариатори. Те могат да бъдат изработени като редуктори с клиноремъчна или ремъчна предавка и с фрикционни муфи.
В автомобилната техника са се утвърдили предавателни кутии с клиноремъчна предавка за двигатели с нисък въртящ момент. Предавателните кутии CVT Variomatic за пръв път се пускат в серийно производство от компанията DAF. Тогава предаването на силата се осъществява с помощта на ремъци от теглещ тип, за разлика от съвременните двигатели с по-голям въртящ момент, където това става с използване на \"бутащи\" вериги с подвижни звена. Понастоящем има ограничение при предаване на високи входящи значения на въртящия момент.
Възможностите за развитие на конструкциите на кутиите CVT могат да се реализират чрез подобряване качеството на материала на звената на веригите и на конусните зъбни колела. Така може да се повиши максималната величина на входящия въртящ момент. По-нататъшното еволюиране се крие в увеличаване на КПД и бързината на превключването. Специалистите пресмятат, че при сегашното състояние на техниката, предавателните кутии CVT са способни да издържат входящ въртящ момент максимум 500 Nm. За да бъде по-приятно пътуването с безстепенна предавателна кутия, в устройствата с по-скъпо изпълнение се \"програмират\" така наречените виртуални степени, които могат да се включват с помощта на бутони на волана или с лоста за ръчно превключване. С това се задоволява носталгията по степенните предавки.
Най-голямото предимство на безстепенните кутии пред степенните автомати е тяхната по-малка дължина. Затова предавателните кутии CVT е целесъобразно да се използват на автомобили от малък и среден клас, имащи напречно разположени двигатели и предно задвижване. Поради голямата височина, обусловена от наличието на конусни зъбни колела, предавателните кутии CVT не са много удачни за автомобили с надлъжно разположени двигатели и задно задвижване.
Тенденциите за развитие
По пресмятанията на специалистите бъдещите обикновени автоматични предавателни кутии могат да имат максимум седем степени. Същото може да се каже и за механичните предавателни кутии. Необходимият темп за превключванията на предавките и относително неголемите интервали на предавателните числа могат да се реализират без значително увеличаване на масата и габаритите на изделията.
Прогресът в областта на избора на материали и увеличаване на срока на работа е налице, макар и не толкова впечатляващ. Но потенциалът за развитие на конструкциите и материалите е даже по-привлекателен, отколкото по-нататъшното усъвършенстване на електрониката и програмното осигуряване.
В течение на близките 5 или 10 години за автомобилите от малък клас с напречно разположен двигател и предно задвижване на пазара ще се предлагат 5- или 6-степенни механически предавателни кутии или безстепенни CVT. В средния клас ще се използват както \"автомати\" CVT, така и 5- или 6-степенни традиционни хидромеханични предавателни кутии.
Засега в качеството на \"екзотика\" в този клас могат да се разглеждат 5-степенни \"автомати\" с намалена дължина, например на Ford Mondeo, Jaguar Х-Туре, Rover 75 и кутията на фирмата Aisin Borg Warner (нa новия Opel Vectra).
В горния и най-висшия клас ще се използват изключително 6- и 7-степенни хидромеханични предавателни кутии. Високите значения на въртящия момент на съвременните и бъдещите дизелови двигатели с принудително пълнене (над 750 Nm), а също така бензиновите двигатели с голям работен обем допускат използване и на механични предавателни кутии с мощен двоен съединител.
В много конструкции на автомобилите се появяват и ще получат по-нататъшно развитие системите за хибридно задвижване. В произвеждания сега серийно лек автомобил Toyota Prius коляновият вал на двигателя с вътрешно горене е съединен с водилото на планетната предавка. Със слънчевото зъбно колело на планетния механизъм е свързан генераторът (служещ за стартер и захранващ електродвигателя и акумулаторната батерия), а с коронното зъбно колело - електродвигателят. Новият хибрид Honda Insight се предлага както с механична, така и със степенна автоматична предавателна кутия.
Двигателите, работещи на природен газ или водород, които са призвани да изиграят значителна роля в бъдещето, също се оборудват с обикновени предавателни кутии. При използване на водородни горивни елементи вече няма потребност от предавателна кутия, тъй като електродвигателите сами са способни да осигурят потегляне на автомобила от място и осигуряват необходимата тяга в широк диапазон на оборотите.
В зависимост от това как ще тръгне развитието на техниката в бъдеще много производители на традиционните предавателни кутии могат да очакват значителни трудности. Но в близко бъдеще въпросът за тяхното пълно изчезване, разбира се, няма да възникне.
Конструкции на предавателните кутии
Степенните автоматични предавателни кутии и в бъдеще ще доминират забележимо във висшия клас
\"Автоматът\" модел 6НР26 с максимален входящ въртящ момент 600 Nm и маса 85 кг, произвеждан от немската компания ZF, е първата в света 6-степенна хидромеханична предавателна кутия, поставяна на автомобилите с надлъжно разположен отпред двигател и задно или пълноприводно задвижване. Тя даде тласък за появяването на новото семейство изделия. Вече се появи нейният по-мощен събрат 6НР26 с максимален входящ въртящ момент 750 Nm (такъв момент, например, развива двигателят на новия Rolls-Royce) и маса 101 кг. Ще бъде пуснат и вариантът 6НР26 с намален хидротрансформатор; чийто максимален входящ въртящ момент е 450 Nm, а масата му е 71 кг, a oт следващата година семейството на тези изделия ще се попълни с типа 6НР19 с параметри 350 Nm/72 кг.
Новата предавателна кутия, поставяна серийно на автомобилите BMW 7-ма серия от есента на миналата година, вече няма директна предавка. Кутиите ZF, благодарение използванетo на две спирачки (блокировки) и три муфи, позволяват да се реализират 2х3 (общо 6) предавки. При всяко превключване на предавките работи само една спирачка и една муфа. Единственият недостатък на тази кутия е относително големият интервал между предавателното число на първа (4,17) и втора (2.34) предавки.
Конструкцията Mechatronic
Като напълно нова конструкция, прототип на която ZF пусна през 1998 г., е автоматичната кутия Mechatronic. Основните й предимства са намалените с около 30% хидравлични загуби, намален брой на щекерите с 25 % и на проводните съединения с 33%.
Микрохибридното управляващо устройство Bosch с процесор Power PC Chip Motorola (тип NPC 555) е поместено сега не на печатна платка, а е заключено в керамична обвивка и е свързано с датчиците и изпълнителните устройства, с помощта на изходящи проводници. Това електронно устройство е значително по-устойчиво към вибрациите и е способно без проблеми да работи при температури от порядъка на +400°С. Поради предварителното запълване на елементите на хидравликата под ниско налягане се осигурява намаляване на времето за превключване и се повишава бързината на реакцията на натоварването. В предишните автоматични предавателни кутии тези елементи се изпразват след всяко превключване и остават без налягане. Всяка автоматична предавателна кутия 6НР26 се настройва на конвейера на автозавода за конкретен тип автомобил, а величините на налягането в хидравличната система се изравняват от електронно управляващо устройство.
Тялото на изделието е изработено като едно цяло. Намаляването на теглото е достигнато поради икономия на различни детайли. Ако в 5-степенния автомат 5НР24 се използват 665 детайла, то в новата кутия те са само 470. Картерът на кутията е направен от полиамидна пластмаса вместо стомана. По такъв начин икономията на теглото е 12%, а дължината се намалява с 50 мм. Разходът на гориво се намалява с 5 - 7%, а ускорението нараства с 2 - 5 %. Новото семейство на 6-степенните автоматични предавателни кутии, както считат представители на ZF, ще замени в близко бъдеще съществуващите 4- и 5-степенните автомати.
Автоматизирани степенни предавателни кутии
Някои производители на автомобили предлагат автоматизирани степенни предавателни кутии не само за автомобилите от икономичния клас (Audi А2 3L, Opel Corsa Easytronic, VW Lupo 3L), но и на леките автомобили със спортен стил (Alfa Romeo 147/156 \'Selespeed, Fiat Stilo, BMW 3-та серия МЗ \"SMG\", Mercedes-Benz С Coupe \"Sequentronic\"), на мощните спортни автомобили (Aston Martin Vanquish, Ferrrari 360 Modena/Spider), а също така на лекотоварните автомобили (Ford Transit, Mercedes-Benz Sprinter). За пример на тези конструкции служат принципи от трансмисии на тежките камиони, които се експлоатират от дълго време. Целта е довеждане времето за превключване на предавките до това на автомобилите от Формула-1, чиито несинхронизирани предавателни кутии се превключват за около 30 милисекунди (ms).
С най-голямо търсене на пазара на предавателните кутии от подобен тип се ползва SMG II BMW, която се поставя на модела МЗ. В \"спортно положение\" превключването на предавките на серийната 6-степенна синхронизирана предавателна кутия става за време 80 ms, което може да постигне далеч не всеки опитен водач. Устройството на тези системи и на VW Lupo 3L, и на Aston Martin Vanquish, в основната си част, е аналогично. Има включващи устройства (\"актуатори\") за съединителя и за механизма за превключване на предавките (електрически или хидравлични), средства за въздействие върху електронната система за управление на двигателя, а също така средства за ръчно превключване - бутони на волана или лост.
Броят на датчиците, връзка с другите електронни системи на автомобила (например контрол на приплъзването и др.), налягането в хидравличната система за превключване на предавките (в МЗ тя е 85 бара), а също така програмното осигуряване и скоростта на изчисленията (бързодействието на процесора) - всичко това различава нескъпите \"преключващи роботи\" от скъпите устройства за автомобилите, аналогични на машините от Формула-1. Броят на възможните функции също е различен. Системата SMG II например, осигурява допълнителна помощ при изкачванията, \"спортно потегляне от място\" при буксуващи задвижващи колела, индикация за превключването на скалата на оборотомера. Разработчиците на тази система, работещи в конструкторските подразделения на BMW, считат, че след около 15 години механизмите на съединителя, включвани непосредствено от водача, няма да съществуват.
Безстепенни автоматични предавателни кутии - от малък към горен среден клас
Компактните безстепенни автоматични предавателни кутии CVT вече отдавна се поставят на автомобилите от малък клас. Но Audi бе първият производител на автомобили, който използва подобна кутия Multitronic като алтернативи на степенен \"автомат\" и на автомобилите от по-висок клас - на моделите А4 и А6 с 3.0-литрови, V6 двигатели. Максималният въртящ момент на този двигател е 300 Nm, а максималната мощност - 162 kW. При това разходът на гориво е по-малък, отколкото в автомобилите със степенни автомати, и е сравним с този на автомобилите с обикновени механични предавателни кутии.
Фирма Luk, доставчик на многозвенната лента, провежда продължителни изпитвания на кутиите с входящ въртящ момент 400 Nm и говори за възможност за предаване на 500 Nm.
Екзотична конструкция
На вътрешния пазар в Япония Nissan предлагат предавателна кутия с фрикционни ролки. Маслото, специално разработено за тази кутия, способства за предаването на максимална сила между входящия и изходящия глобоидални дискове, между които се намират ролките. Поради различните скорости на въртене на тези дискове може да се изменя предавателното отношение. Неговата максимална величина е само 4,34, и по такъв начин японското екзотично изделие отстъпва на CVT Audi, и на 6-степенния автомат ZF, в които максималното предавателно отношение е равно, съответно на 6,05 и 6,04.
Силите на вискозитета на работната течност осигуряват предаване на максимален входящ въртящ момент 390 Nm. Двигателите Nissan 3.0 V6 с турбопълнене за моделите Gloria и Cedric развиват мощност 280 к.с. и въртящ момент 388 Nm. КПД е по-малък, отколкото в обикновените CVT, а разходите за производството са големи. Затова по-нататъшните перспективи на тази кутия изглеждат мъгливи.
Шест предавки е добре, а седем виртуални - по-добре
От м.август 2002 г. Honda предлага своя автомобил Jazz във версия с нов безстепенен вариатор в трансмисията. Но какво е особеното?
В тази предавателна кутия са използвани последните достижения на конструкторската мисъл и игрите на ума на програмистите. Водачът може напълно да им се довери, достатъчно е да зададе най-подходящата програма: D - за спокойно градско шофиране, S - ако е необходимо спортно ускоряване, или L - за изкачвания в планината Фудзияма или слизане от нея: в този режим умният \"автомат\" максимално ефективно използва спиране с двигателя. Не са забравени, разбира се, и обикновените положения на селектора Р, R, N. В новата кутия има и още един, ръчен режим М. Той може да се включи в положение на селектора D или S, и тогава компютърът ще създаде цели... седем виртуални фиксирани предавателни числа, избирането на които водачът самостоятелно извършва, с бутоните \"+\" и \"-\" на напречника на волана. Дали ще може той при това да \"натрие носа\" на \"автомата\" - още е въпрос, но да се почувства състезател - това - да. Интересно, е че \"предавките\" се получават по-къси или по-дълги, в зависимост от положението на селектора.
С ръчното управление ще се справи даже начинаещият - педал за съединителя няма, а ако се опитате да \"пресилите\" кутията, моторът няма да заглъхне или да достигне максималните си обороти. Просто на таблото ще изгасне сигналът \"manual\" (ръчно) и компютърът отново ще поеме управлението, сякаш намеквайки, че вие трябва още да се учите. Освен това компютърът охотно взема ролята и на инструктор, за което е предвиден още един режим - 7АТ. В него вариаторът сам последователно избира всички седем предавки, а на водача остава само да натиска газта и да наблюдава сменящите се една след друга цифри на таблото, като запомня кога и каква предавка е трябвало да включи.