В тази последната част ще откриете различните видове модерни решения в областта
Днес светът на предавателните кутии е по-многообразен от всякога, а автомобилните компании и доставчиците са обвързани със сложни взаимоотношения и споразумения водещи до създаването на изключително високотехнологични продукти – от малките CVT трансмисии до автоматици с девет предавки.
През петдесетте години на миналия век нещата при трансмисиите като че ли започват да придобиват кристално ясни образи – за американците автоматичната предавателна кутия вече е от първостепенно значение, а за европейците приоритет си остава механичната скоростна кутия. Но, същото твърдение може да бъде съотнесено и към шейсетте години – не бива да забравяме че истинската „моторизация“ на Европа (Западна) започва именно тогава, защото 50-те все още са годините за възстановяването от руините на войната. Историята показва че и през 70-те години картината принципно не е особено различна, макар че в Европа тук-там започват да се появяват автоматици в по-луксозните автомобили. Едва през 80-те години навлизането на електронното управление започва да променя нещата в полза на автоматичните трансмисии и на Стария континент. Но дори през 2000 година когато делът на автоматиците при новите автомобили в САЩ достига 90, а в Япония е 80 процента едва 15 процента от европейците избират подобно решение. Разбира се не бива да подценяваме в случая и психологическия елемент и съвсем целенасоченото желание на последните да превключват сами предавките. По това време те все още преобладаващо 4 и 5 степенни – едва през 2002 година ZF представя първото поколение на своята шестстепенна трансмисия 6HP, за да увеличи броя им на 8, седем години по-късно при ZF 8HP. Последната се превръща в истинска революция не само с броя на предавките, но и с перфектния комфорт на работата, който благодарение на инженерите на BMW и тяхната прецизна интеграция в седма серия е доведена до съвършенство.
Това наистина е един период на невероятни промени, защото по това време ZF продължава да доставя 4HP за Peugeot 407 и 5HP за VW и Skoda. На практика за 13 години делът на автоматичните трансмисии в световен мащаб нараства стремително за да достигне 46 процента през 2014 година. Въпреки нарастването на броя на предавките, размерите и теглото намаляват и вече за всекиго има по нещо. Дори малки автомобили като Honda Jazz се сдобиват с трансмисии с два съединителя, а Mercedes и ZF представят деветстепенни агрегати в сериен вид. В ход е активната съвместна развойна дейност на GM и Ford които работят усилено по проекта си за десетстепенна автоматична скоростна кутия за да се противопоставят в Америка на Chrysler, който междувременно произвежда лицензна версия на ZF 8HP. Докато еволюцията на механичните трансмисии се движи към усъвършенстване на зъбните механизми, олекотяването и прецизирането на превключването на предавките, доведено при някои автомобили до такова съвършенство че лишаването от него би било кощунство, то при автоматиците вече има огромен избор от възможности. От всички продадени през 2014 година автомобили с автоматични предавателни кутии 49 процента са класически автомати с брой на предавките 6 и повече, а само 15 процента имат по-малко от 6 предавки. 20 процентен е делът на CVT трансмисиите, 9 процента заемат трансмисиите с два съединителя, с нищожен едва 3 процентен дял остават автоматизираните ръчни трансмисии, толкова колкото е и делът на предавателните механизми за хибриди и електромобили. Зад тези числа стоят някои строги специфики – основният дял на DSG трансмисиите например е на пазара в Европа, класическите могат да бъдат открити в Европа и САЩ, а високият дял на CVT трансмисиите се дължи на Япония. При това новите агрегати в никакъв случай не са по-тежки или обемни от предшествениците си – ако 5-степенатата автоматична трансмисия на Mercedes от 2004 година се нуждае от четири планетарни механизма и седем блокиращи устройства, то благодарение на интелигентната архитектура новата 9G-Tronic се справя също с четири планетарни механизма, но с шест съединителя в ролята на блокиращи елементи. Едно е ясно – много скоро дори и марките от средния ешелон ще последват луксозните производители и вече ще преминат към трансмисии с по-голям брой предавки – показателен пример за това е фактът че Opel е в завършващата фаза на разработката на осемстепенен автоматик. Представата за автомобила с автоматик който кара двигателя да се форсира неприятно и създава странно синтетично усещане вече напълно е в аналите на историята.
Съюзи и споразумения
Mercedes обаче е по-скоро сред изключенията като автомобилен производител, който сам разработва и произвежда трансмисиите си. Подобни на него са Mazda, PSA и Hyundai/Kia, но на практика повечето автомобилни производители в голяма степен са преплетени в сложни взаимоотношения и съвместни предприятия както помежду си, така и с доставчиците на предавателни кутии като ZF и Aisin. С 8-степения автоматик на ZF в различни разновидни например се оборудват модели на Audi, BMW и Rolls-Royce. Съгласно лицензионно споразумение Chrysler произвежда същата трансмисия за модели на Dodge, Chrysler, и Jeep, но и за Maserati и Fiat. GM произвежда сам осемстепенния Hydra-Matic за Corvette, но разработи съвместно с Aisin осемстепенен агрегат за Cadillac, а преди десетина години доставяше автоматични трансмисии за BMW. Същевременно с това американският гигант работи съвместно с Ford за създаването на десетстепенна трансмисия, а европейското му подразделение Opel разработва своя собствена осемстепенна трансмисия. Hyundai/Kia също конструираха своя собствена осемстепенна трансмисия. Getrag, които междувременно придобиха сериозен експертен опит в предавателните кутии с два съединителя предлагат своите агрегати както за компактни модели на Ford и Renault, така и за M-версиите на BMW, а двата съединителя за тях в повечето случаи се доставят от LUK. Прословутата DSG трансмисия на VW и Audi е конструирана с помощта на BorgWarner, а тази за Veyron е разработена от Ricardo. Трансмисията с два съединителя и седем предавки на Porsche PDK е дело на…ZF, а BorgWarner и Aichi machine industry конструират и произвеждат съвместно трансмисията за Nissan GT-R.
Конкуренцията на класическия автоматик
В предишната част детайлно ви разказахме за създаването и развитието на класическите автоматични трансмисии. Това което ще допълним е че при по-ранните версии хидравличната система под налягане задействаща блокиращите елементи (виж по-долу) се управлява по механичен път на основата на вакуума в колекторните тръби и на центробежен регулатор. По-късно всичко вече се базира на електроника и параметри свързани с управлението на мотора. Важно е да се спомене че съществен принос в прецизната работа на модерните трансмисии имат и новите синтетични масла. Стремителното развитие на класическите автоматични предавателни кутии през последните години обаче им помага днес да са ненадминати по-отношение на комфорта на превключване с изключителна плавност и висока скорост и засега са първенци що се касае до броя предавки (вече 9). Бързото изключването на хидротрансформатора ги прави по-ефективни, и при тях тягата не се прекъсва, с което те се доближават до DSG, времето за превключване става все по-кратко, а с помощта на акумулатори на налягане интегрирането на старт-стоп система не е проблем. Интересно е да се отбележи и че докато автобусите използват предимно класически автоматични трансмисии, при големите камиони приоритетни са механичните трансмисии с автоматизирано пневматично превключване.
Автоматизирани предавателни кутии
Само преди десетина години бъдещето им изглеждаше многообещаващо... След навлизането им в моторните спортове през 80-те години и усъвършенстването им до ниво на бързодействащи секвенциални предавателни кутии, днес те са все по-голяма рядкост в серийните автомобили, отстъпвайки мястото си на трансмисиите с два съединителя. Вариантите на механични трансмисии с пневматични и хидравлично превключване си остават приоритет за камионите, а секвенциалните – за състезателните автомобили. Последното е доста парадоксален факт и се аргументира от ФИА с желанието за намаляване на разходите. Стига се дотам че скоро всички автомобили във Формула 1 вероятно ще получават трансмисиите си от един и същи доставчик. Освен това те са ограничени както по отношение на материалите, така и на броя предавки и ширината на зъбните колела – доста странно решение на фона на въвеждането на новите турбо мотори.
А всъщност всичко започва като революция именно в екстремния инкубатор на Формула 1, а нейн идеен генератор е главният конструктор на Ferrari в средата на 80-те години Джон Барнард. Дълбоката му идея на практика не се състои в изнамиране на нов начин на превключване, а в елиминирането на сложните и тежки механизми в кокпита на автомобила. Тъй като по това време технологичната основа под формата на електрохидравлични устройства вече съществува (като елемент от активното окачване на болидите), той решава че може да използва за целта такъв активатор. За елиминиране на педала на съединителя в началото дори и не става дума. Първите прототипи включват устройства за превключване на всяка предавка, а решението позволява мигрирането на лостчетата за предавките на волана. Чак тога идва и идеята за отпадане на педала за съединителя и синхронното му отваряне с помощта на управляващия електронен мозък. Тази архитектура и усъвършенстването на микропроцесорите, както и въвеждането на електронно управлявани дроселови клапи довеждат до възможността от постигане на напълно автоматизирано превключване на предавките. Дали това няма да е последният пирон в ковчега на класическата автоматична трансмисия – през деветдесетте започват да се чуват все повече такива гласове. Още повече че автоматизираната трансмисия се усъвършенства с бързи темпове, преминавайки към изцяло нова архитектура с подредена (секвенциална) конструкция в която лостовете на системите за превключване са поставени в канали или следват релефи върху въртящ се барабан.
Класическият автоматик вече и с ръчно превключване
По същото време обаче когато полуавтоматичните трансмисии базирани на механични предавателни кутии правят първите си стъпки в големия спорт, в Porsche решават обратната задача, създавайки класическа автоматична трансмисия с възможност за превключване с лостове на волана. Разбира се трансмисията е на ZF, която заедно с Bosch има водеща роля в проекта (Porsche създава принципната идея и води проекта, ZF проектира хардуера, а Bosch управлението). Реализацията на проекта се демонстрира под формата на допълнително оборудване за 911 и 968, а по-късно Audi и Mitsubishi купуват лицензи на проекта. Името на тази предавателна кутия tiptronic идва от немската дума tippen (побутвам) поради възможността за превключване с бутане и дърпане на лоста. Този тип скоростна кутия вече притежава и функцията да променя режима си в зависимост от стила на шофиране на водача.
Междувременно творението на Джон Барнард заема полагащото му се място в автомобилите – разбира се за тези със спортен дух или поне с претенции за такъв – като Ferrari F360 Modena и далеч по-скромната Alfa 147 Selеspeed със секвенциална трансмисия (базирана на стандартна петстепенна трансмисия с добавен механизъм за превключване и „мозък“ на Magnetti-Marelli). Но, както споменахме раждането на трансмисията с два съединителя като че ли попари амбициите на автоматизираните трансмисии в света на едросерийните автомобили и последните се насочиха към по-скромните модели и възможността за по-евтино автоматизиране на съществуващата трансмисия (като например Easytronic на Opel, който междувременно получи своето ново, трето издание). Това се реализира с по-прости средства от секвенциалната архитектура – за целта се използва допълнителен управляващ електрически блок, който вече и доста компактен. И все пак решаването на отколешната мечта на конструкторите за синхронизираното автоматично превключване и отваряне на съединителя си остава само утопия – на практика в реалния живот това така и не се получава и всички трансмисии от този вид страдат от липса на хармонично преминаване от една предавка на друга. Компаниите радетели на спортните версии се насочиха към трансмисии с два съединителя (DCT или DSG). Типичен пример е в тази насока е сътрудничеството на BMW и Getrag, материализирано като секвенциалната трансмисия SMG за M5 от предишното поколение и трансформирало се в седемстепенна DCT за актуалното.
С два съединителя без прекъсване на тягата
Всичко започва през 2003 година, когато VW представят разработената съвместно с BorgWarner Direct Shift Gearbox (или Direct Schalt Getriebe на немски), накратко DSG. Още с появата си тя демонстрира възможността да превключва по-бързо и без тласъци от механичните и автоматичните трансмисии, без загуба на тяга или без влошаване на разхода поради липсата на преобразувател. Едно връщане към историята обаче показва че Audi използва подобна предавателна кутия в своите рали автомобили още в средата на 80-те години (като Sport Quattro S1 Pikes Peak), но технологията трябва да изчака още известно време за да се появят достатъчно бързи електронни системи за управление за серийно производство, подходящи материали за съединителите и бързи хидравлични активатори. За разлика от конвенционаланата трансмисия, DSG има два коаксиални вала, всеки от които разполага със свой съединител. Тези съединители са концентрично разположени един спрямо друг като външният се свързва с вътрешния от двата вала, а вътрешния с кухата външна секция. Единият от валовете поема нечетните, а другият – четните предавки. Когато е задействана първа предавка например, втора вече е подготвена и включването и става при едновременно изключване на едната и включване на другата без прекъсване на тягата. Задействането на предавките се осъществява с помощта на класическите синхронизатори, но вместо механични прътове и вилки, това става с помощта на хидравлични елементи. Многодисковите съединители са различни като конструкция от тези при механичните трансмисии и се доближават в това отношение до механизмите служещи като блокиращи елементи в автоматиците – именно тяхното развитие допринесе за еволюцията на DSG. Двата вида обаче си приличат не само по отношение на задействащите хидравлични механизми, отварящи и затварящи съединителите, но и по отношение на електронното управление базирано на множество сензори. В по-ранните версии трансмисията е със съединители в маслена баня за по-добър топлообмен, но с развитието на материалите вече се използват по-ефективните сухи съединители. DSG трансмисиите днес са приоритет основно на спортните модели, но често се използват и за компактни и малки модели като Ford Focus и Renault Megane (оборудвани от Getrag), VW Golf, Audi A3, Skoda Octavia (VW-BorgWarner) в качеството им на алтернатива на автоматичните и автоматизираните. Така днес с помощта на електрониката всички видове автоматични трансмисии имат възможност и за механично превключване и различни режими на автоматично.
А какво стана междувременно със CVT?
Идеята за безстепенна трансмисия е стара като света, а проектите включват най-различни разновидности. Проблемът им обикновено се състои във факта че няма зъбни колела и предаването на въртящ момент към плъзгащи се повърхности води до пробоксуване. Още в началото на 20-ти век с такава трансмисия разполага швейцарският автомобил Swiss Weber, но едва през 1955 година братята Доорн успяват да създадат практично приложимо решение от този вид – последното се появява под формата на Variomatic в холандския автомобил DAF. Основният проблем на, иначе простата и обещаваща безстепенно изменение в широк диапазон, конструкция с осево измествани от хидравлични активатори и конусни елементи свързани със скосен ремък е в износването на последния. Затова в по-късните разработки той е заменен със сегментиран метален елемент от високо фрикционна стомана при който движението се извързва не чрез дърпане а чрез бутане с което се осигурява по-висок капацитет по отношение на въртящия момент. В края на 80-те години много фирми като Ford, Fiat, Subaru и ZF започват съвместно производство с Van Doorne, а за да може да предава по-голям въртящ момент от 2000 година Audi създава CVT трансмисия използваща верига. През 2003 година Nissan, който определено има респект към тези трансмисии в немалка степен благодарение на местния производител Jatco оборудва Murano със CVT трансмисия, а автоматичният вариант на актуалният Subaru Legacy пък използва такава трансмисия на LUK.
Още в края на 19 век са създадени и първите CVT трансмисия които използват директно зацепване с дискове които се изместват по различен диаметър, а през 20-те години Citroen и GM за първи път пускат първите серийни варианти. Интересът към това технологично решение тях се завръща в края на 80-те години, пак с развитието на материалите, а нейни радетели става английската компания Torotrak и гореспоменатата Jatco – последната в качеството на лидер в областта на CVT трансмисиите. Напоследък се появяват все повече нови решения от този вид като Double Rollet CVT на Ultimate Transmission, които тепърва ще показват своята жизнеспособност.
При стандартната CVT трансмисия пред основната предавка обикновено се поставя малък планетарен механизъм осигуряващ предна, задна и неутрална предавка. При различните решения за потегляне се използват съединители с магнитен плах или пък стандартен преобразувател (Subaru или ZF Ecotronic CVT). Дълго време пренебрегвани през последните години CVT трансмисиите отново се радват на засилен интерес, особено от японските производители. Те все още имат по-голям дял в общото производство на автоматични предавателни кутии. Все по-интензивно в тази област работят и Bosch Transmission technology. Както и при останалите тук на помощ идват новите материали и електрониката.
Базова конструкция на класическа автоматична трансмисия
В новата си трансмисия 9G-Tronic Mercedes използва така наречения хидродинамичен преобразувател на въртящия момент, който е изключително сложно устройство, но принципът му на работа не се отличава от този на първите такива устройства (виж снимките). На практика той се състои от помпа свързана с маховика на двигателя, турбина, свързана с предавателните механизми и междинен елемент наречен статор. Динамиката на флуидите в това устройство е изключително сложна, но казано по-просто маслото в него се насочва от помпата по нейната периферия извършва кръгово движение по подобие на горната част на цифрата 8, само че в триизмерен вариант при който пресичащите и се линии са изместени една спрямо друга. Специфичната форма на лопатките на турбината като знака за скоба всъщност е изключително прецизно изчислена кривина която поема силата на потока по оптимален начин, който от своя страна рязко сменя посоката си. В резултата от това се увеличава въртящият момент. За съжаление след като посоката се смени, потокът вече има негативно влияние защото се насочва обратно срещу лопатките на помпата. Тук именно на помощ идва статорът, чиято роля е да обърне посоката на потока и именно този елемент превръща устройството в преобразувател на въртящия момент. Той е конструиран така че има блокиращ механизъм който при този натиск го задържа неподвижен. Заради всичко гореспоменато при потегляне увеличаването на въртящия момент е най-голямо. Въпреки че потокът се насочва назад с определена скорост, с постепенното увеличаване на периферната си скорост на турбината в обратна на него посока, неговата резултантната скорост добива тази на посоката на турбината. За да разберете това си представете че се возите в трамвая със скорост от 50 км/ч и хвърлите назад топка със скорост 30 км/ч. За вас тя се движи назад, но всъщност посоката и на движение е напред със скорост от 20 км/ч. В този случай масленият поток преминава зад лопатките на статора, блокировката му се изключва и той започва да се върти свободно, като при достигане на 90 процента от скоростта на помпата вихровият поток се превръща в радиален и увеличаването на въртящия момент се прекратява. По този начин автомобилът потегля и ускорява, но това винаги е свързано със загуби, дори при модерните агрегати. В модерните трансмисии малко след потеглянето, преобразувателят се изключва или по-точно се блокира действието му с помощта на т.нар. lock-up съединител, като по този начин се повишава общата ефективност на трансмисията. Във версиите за хибридни модели, каквато има ZF 8HP за негово място се поставя електромотор, който добавя въртящ момент, а при някои решения като 7G-DCT на AMG, преобразувателят е заменен с набор от ламелни съединители. И още нещо – за да се оптимизира динамиката на масления поток в някои случаи лопатките на статора са с изменящ се ъгъл на атака, с което се променя въртящият момент в зависимост от ситуацията.
Набор от планетарни механизми
Както споменахме в предишната част планетарният механизъм е избран като най-подходяща зъбна предавка поради способността му да осъществява различни предавателни числа без зацепващи се зъбни колела или синхронизатори. Механизмът представлява зъбен венец (корона) с вътрешни зъби, слънчево зъбно колело и обтъркалващи го и зацепени с венеца на короната планетарни колела които са свързани с общо водило. При блокиране на някой от елементите (корона, водило или слънчево колело) между останалите два се предава въртящ момент като предавателното отношение зависи от конструкцията. Блокиращите елементи могат да бъдат съединители или лентови спирачки, а задействането им става чрез хидравлични активиращи елементи по механичен път при старите трансмисии и с помощта на електронно управление при новите. Още първите автоматични трансмисии като Hydra-Matic на GM или Torque-Flite на Chrysler не използват обикновен планетарен механизъм, а съставни конструкции от типа Simpson. Последният е кръстен на името на създателя му, американският инженер Хауърд Симпсън и включва две напълно еднакви планетарни (епициклични) предавки при които някое от звената на второто е свързано с първото (например водилото със слънчевото колело). В този случай блокиращите елементи са два многодискови съединителя, две спирачни ленти и и един еднопосочен съединител осигуряващ директно предаване на въртящ момент. Отделно към предавателната кутия може да се добави трети механизъм осигуряващ така наречената овърдрайв предавка. В редица по-модерни конструкции се използва по-сложни от обикновения планетарен механизъм като Ravigneaux (на името на създателя му Пол Равиньо) който се комбинира с един и два стандартни механизма за да се увеличи броят на предавките на пет. Той включва обща корона и комбинация от два различни типа сателити и слънчеви колела между които се осъществяват още по-сложни потоци на мощността. Първата 6-степенна автоматична трансмисия на ZF представена през 2002 година използва механизъм Lepelletier (на създателя му Пол Лепелетиер) благодарение на който тя имаше по-малко компоненти, по-ниско тегло и обем. Интелигентността в съвременните решения се състои най-вече във възможността, благодарение на компютърните анализи, за интегриране на по-компактни блокиращи механизми, валове и зъбни колела, осигуряващи взаимодействие на повече елементи и оттам – постигане на по-голям брой предавки.
В авангарда с 9 предавки: 9G-Tronic на Mercedes
При новата трансмисия 9G-Tronic на Mercedes предавателният диапазон (отношението на първа към девета предавка) е 9,15. Така оборудваният с тази трансмисия E 350 Bluetec може да се движи на девета предавка със 120 км/ч при едва 1350 об./мин на двигателя. Възможността за движение с по-ниски обороти се подпомага и заместващ маховика двоен торсионен демпфер в съчетание с устройство базирано на центробежно махало. Въпреки че може да издържа въртящ момент до 1000 Нм, тази трансмисия създадена на базата огромен брой компютърни симулации е по-лека и компактна от досегашната. Двулементният корпус е от алуминий при хидродинамичния преобразувател на въртящия момент и от магнезиеви сплави при останалата част с полимерен картер. Множество анализи са били направени преди да се постигне възможността за реализиране на девет предавки само с четири планетарни механизма. Тази трансмисия ще бъде широко използвана и при другите модели с напречен монтаж, докато за компактните ще се използва DSG.
Фантастичното завръщане на ZF: 9HP
Корените на 9HP могат да бъдат проследени до 2006 година когато ZF решава да се завърне в сегмента на трансмисиите за напречен монтаж (предишните и продукти са четиристепенни и CVT трансмисии които са спрени в края на 90-те години). Обикновено за целта са нужни около 4 години развойна работа, но от компанията не искат завръщането им да бъде с 6-степенен автоматик защото такива вече съществуват. Фактът че са целта на компанията са нужни цели 7 години говори за огромния проектен труд който е хвърлен за създаването на тази трансмисия. Решението е едно невероятно високотехнологично решение, която дори във версията за въртящ момент от 480 Нм тежи едва 86 кг. Благодарение на новата предавателна кутия разходът на гориво се намалява с около 10 процента в сравнение този при 6-степенна трансмисия, а при постоянна скорост със 120 км/ч снижаването е със 16 процента. Интелигентната архитектура включва разполагане на четирите планетарните механизми вложени един в друг и добавянето на допълнителни палцови съединители, които имат по-малко остатъчно триене в отворено състояние. Към преобразувателя на въртящия момент се добавя многостепнна демпферираща система.
Текст: Георги Колев