Виды и типы современных КПП автомобилей

Трансмиссия автомобиля обеспечивает передачу вращения от силовой установки на ведущие колеса. Но поскольку условия движения машины бывают самыми разными, то в задачу трансмиссии входит обеспечение изменения крутящего момента на ведущих колесах, скорости их вращения и смена направления движения авто. И все эти функции выполняет один из узлов трансмиссии — коробка переключения передач (КПП). Эта составляющая является одной из ключевых в конструкции трансмиссии.

Момент, создаваемый силовой установкой, находится в очень ограниченном диапазоне, что не позволяет самому мотору выдать необходимое тяговое усилие на колесах при разных режимах движения. Коробка передач позволяет этот диапазон существенно расширить. И делает это она путем преобразования скорости вращения в тяговое усилие и обратно.

Проще всего понять суть работы КПП можно на примере двух обычных шестеренок разного диаметра, одна из которой вдвое больше по диаметру второй. Если подавать вращение на меньшую шестеренку, то за счет разницы размеров, скорость вращения большей шестерни будет вдвое меньше, но при этом тяговое усилие на ней возрастет в два раза. Если же сделать ведущей большую шестерню, то меньшая начнет вращаться вдвое быстрее нее, но и тяговое усилие на ней снизится. Но это общая концепция, на практике все выглядит значительно сложнее.

Виды коробок передач

Конструкторами разработано несколько видов коробок передач, которые делятся на два типа — ступенчатые и бесступенчатые. В первом типе изменение соотношение крутящего момента к тяговому усилию (передаточное число) осуществляется на строго заданные величины. В бесступенчатых же коробках преобразование вращения ведется в определенном диапазоне без фиксации на каком-то заданном значении.

На автотранспорте нашли применение такие виды коробок передач:

• Механическая;
• Автоматическая;
• Роботизированная;
• Вариаторная.

Первые три относятся к ступенчатому типу КПП, вариаторная же — единственный представитель бесступенчатых коробок передач, применяемых на авто.

МКПП

Механическая коробка пока является самым распространенным видом КПП, используемом на автомобилях. Этот агрегат представляет собой обычный двухступенчатый цилиндрический редуктор постоянного зацепления и имеет трехвальную компоновку.

Устройство

Внутри корпуса механической КПП располагается три вала, два из которых — первичный и вторичный (ведущий и ведомый), располагаются соосно и жесткой связи между ними нет. На ведущий вал подается вращение от коленчатого вала силовой установки, а с ведомого оно уже поступает на приводную ось.

Третий же вал — промежуточный, установлен параллельно первым двум, он посредством шестерен и взаимодействует с ними, обеспечивая передачу вращения от ведущего на ведомый вал.

Изменение передаточного числа осуществляется путем задействования требуемых шестеренчатых пар, установленных на вторичном и промежуточном валах. Что касается ведущего вала, то на нем установлена только одна шестеренка, постоянно взаимодействующая с шестерней на промежуточном валу. То есть, задача этого вала сводится лишь к передаче вращения, а вот изменение его параметров выполняется двумя другими валами.

Количество шестеренчатых пар соответствует количеству скоростей КПП. Основная особенность взаимодействия шестеренчатых пар заключается в том, что вывести из зацепления одни шестеренки и ввести другие при вращающихся валах очень затруднительно. Поэтому в конструкции механической коробки используется постоянное зацепление пар, то есть они взаимодействуют между собой все время. Но шестеренки вторичного вала не имеют жесткого соединения с осью. Суть проста — поток мощности первичным валом подается на промежуточный, шестерни которого вращают шестеренки ведомого вала. Но поскольку жесткой связи шестерен со вторичным валом нет, то вращение на колеса не подается — так называемая «нейтральная» передача.

Чтобы обеспечить передачу вращения с нужным передаточным числом, достаточно лишь соединить вторичный вал с требуемой шестерней. И эту задачу выполняют синхронизаторы.

Синхронизаторы не только обеспечивают жесткое соединение шестерни с валом, они позволяют сделать это плавно и безударно путем предварительного выравнивания скорости вращения вала и нужной шестерни перед вводом их в зацепление. Один синхронизатор отвечает за включение двух скоростей.

Отметим, что даже синхронизаторы могут осуществить жесткое соединение вала с шестерней только при условии отсутствия потока мощности. То есть, для включения требуемой передачи нужно отсоединить силовую установку от КПП. Для этого в конструкцию трансмиссии добавлен еще один узел — сцепление, обеспечивающий прерывание подачи вращения на КПП от мотора, чтобы была возможность включить требуемую передачу.

Отдельно стоит упомянуть передачу, позволяющей двигаться задним ходом. Чтобы вращение вторичного вала происходило в обратную сторону, между шестеренчатой парой этой передачи поместили еще одну шестеренку.

Управление механической коробкой осуществляется при помощи специального механизма, состоящего из ползунов, на которые посажены вилки включения передач. Эти вилки входят в паз, проделанный на муфте синхронизатора.

Смещение ползунов вдоль оси, благодаря чему вилки передвигают муфты синхронизатора, выполняется рычагом, установленным в салоне.

На авто с продольной компоновкой двигателя рычаг смещает ползуны напрямую, поскольку коробка размещена в центральном тоннеле под днищем. В моделях же с поперечным расположением силовой установки КПП располагается в подкапотном пространстве, поэтому управление ею выполняется дистанционно, посредством тяги, соединяющей рычаг, установленный в салоне, с блоком ползунов механизма управления КПП.

В автомобилях с приводом на переднюю ось в конструкцию КПП дополнительно входит главная передача и дифференциал.

Управление трансмиссией

Общий принцип взаимодействия всех составных элементов механической коробки такой: чтобы включить скорость, водитель сначала прерывает подачу вращения на КПП, разъединяя трансмиссию от мотора с помощью сцепления. Затем переводом рычага коробки в определенное положение выбирается ползун. Далее осуществляется смещение рычагом ползуна, вилка сдвигает муфту синхронизатора, благодаря чему происходит жесткое соединение вторичного вала с шестерней. Чтобы исключить самовольное отключение передачи, ползун фиксируется в смещенном положении фиксатором.

Такой принцип работы КПП предотвращает включение в работу одновременно двух шестеренчатых пар. Чтобы перейти на следующую передачу, водителю необходимо снова использовать сцепление, переместить ползун, чтобы вернуть в среднее положение муфту синхронизатора, разъединив шестерню со вторичным валом. И затем уже рычагом можно будет выбрать другой ползун и задействовать нужный синхронизатор.

Поскольку при включении передачи заднего хода меняется направление вращения вторичного вала, то чтобы включить эту скорость необходимо полностью обездвижить авто.

Достоинства и недостатки

Широкое распространение МКПП получила благодаря ряду преимуществ:

• Простота и надежность конструкции;
• Хорошая ремонтопригодность;
• Сравнительно небольшая масса узла;
• Высокие показатели КПД.

Такая коробка передач практически не требует обслуживания и способна отработать значительный срок службы без возникновения каких-либо проблем.

Но недостатки у этого типа КПП также имеются. Одним из основных негативных качеств является ручное управление узлом. Водителю приходится постоянно включать нужные скорости в зависимости от условий движения. Попутно приходится управлять и сцеплением. Особенно данный недостаток проявляется при поездках в городских условиях. В целом, для управления авто с «механикой» водитель должен обладать хорошей сноровкой, чтобы одновременно контролировать дорожную ситуацию, управлять автомобилем и осуществлять манипуляции с трансмиссией.

Еще один недостаток — ограниченное количество передач. В основном, мех. КПП имеют 5 передач, хотя встречаются и 6-ступенчатые узлы. Так задумано чтобы не перегружать водителя лишними действиями, ведь чем больше диапазон скоростей, тем чаще придется осуществлять переключение.

Видео

Смотрите видео о том, как устроена и работает маханическая КПП.

АКПП

Коробки-автоматы — вторые по полярности узлы трансмиссии, используемые на автомобилях, причем этот тип КПП все больше вытесняет механическую коробку.

Полноценное название этого узла — гидромеханическая коробка переключения передач. А обиходное название «автоматическая» она получила благодаря особенностям функционирования.

Одним из главных отличий трансмиссии с такой коробкой является отсутствие сцепления. Его роль в трансмиссии с таким типов КПП выполняет гидротрансформатор, обеспечивающий передачу вращения посредством потока жидкости. Из-за этого элемента, а также еще одного — исполнительного модуля, в полном названии КПП и присутствует приставка «гидро».

Устройство АКПП включает в себя:

• Гидротрансформатор (вместо сцепления);
• Коробка передач;
• Исполнительный модуль;
• Система управления.

Как видно, по конструкции коробка-автомат существенно сложнее «механики».

Гидротрансформатор

Гидротрансформатор осуществляет передачу момента от мотора на трансмиссию без физической связи (условно). Основным рабочим элементом в этом узле выступает жидкость — масло для автоматических трансмиссий.

Этот узел состоит из лопастных колес — насосного и турбинного. Первое жестко соединено с силовой установкой, второе — с валом коробки. Между ними помещено еще одно колесо — реакторное, дополненное муфтой свободного хода. Также в устройство узла входит механизм блокировки, жестко соединяющий основные рабочие колеса при определенных условиях движения.

Функционирование гидротрансформатора выполняется по кругу. Вращаясь вместе с колен. валом, насосное колесо своими лопастями направляет масло в сторону турбинного, из-за воздействия жидкости оно тоже начинает крутиться. При этом от турбинного колеса жидкость поступает на реакторное, которое изменяет направление и скорость движения масла. От реакторного колеса жидкость, уже с ускорением, попадает на насосное колесо, повышая на нем крутящий момент, соответственно он возрастает и на турбинном колесе.

При выравнивании скоростей вращения основных колес гидротрансформатор начинает функционировать как обычная гидромуфта, передавая вращение без наращивания крутящего момента. Переход в такой режим работы происходит при срабатывании муфты свободного хода, после чего реакторное колесо начинает крутиться, прекращая перенаправлять жидкость.

Далее, при наращивании скоростей вращения колес гидротрансформатора, включается блокировка, обеспечивая жесткую связь колес, в результате вращение на коробку происходит напрямую.

Планетарный ряд

Гидротрансформатор только передает вращение, преобразование же его осуществляется механической коробкой. Основным составным элементом этого узла является планетарный редуктор (передача), причем их в конструкции КПП несколько и образуют они так называемый планетарный ряд.

Такая передача состоит из солнечной и коронной шестеренок, между которыми помещены сателлиты, посаженные на водило. Особенность этого узла заключается в том, что он может изменять соотношение скорости к тяговому усилию, а также сторону вращения путем блокирования составных элементов относительно друг друга или корпуса КПП. Так, блокировка коронной шестеренки приводит к повышению соотношения, а солнечной — к его снижению. Если же обездвижить водило, то поменяется направление вращения.

В результате только один планетарный редуктор обеспечивает передачу вращения с тремя разными соотношениями (повышенное, пониженное и прямое — 1:1), а также смену направления вращения. Но в конструкции современной коробки-автомат используется ряд из нескольких планетарных передач, соединенных последовательно. Это позволяет существенно увеличить количество передач КПП (на некоторых авто устанавливаются 8- и даже 9-ступенчатые коробки).

Блокировка требуемого составного элемента планетарной передачи осуществляется специальными муфтами и тормозами (общее название — фрикционы). Муфты за счет сил трения обеспечивают блокирование вращения шестерен и водила между собой. Тормоза же соединяют элементы планетарной передачи с корпусом.

Механизм управления

Работой фрикционов «заведует» исполнительный модуль. Состоит он из гидроцилиндров, блока электромагнитных клапанов и золотников, и системы, обеспечивающей давление масла в модуле.

Гидроцилиндры связаны с муфтами и тормозами планетарных передач. В процессе работы они задействуют нужные фрикционы, чтобы на выходном валу получить вращение с требуемым соотношением. Срабатывание гидроцилиндров осуществляется за счет давления рабочей жидкости, которое создается масляным насосом.

Перенаправление же масла, чтобы сработал требуемый гидроцилиндр выполняется блоком клапанов. Золотники же в этой конструкции нужны для задавания режима работы АКПП селектором, установленным в салоне.

Поскольку работа гидроцилиндров выполняется за счет жидкости, то в конструкции АКПП предусмотрела целая система, обеспечивающая циркуляцию масла по системе, создание давления, а также поддержание рабочей температуры. В состав это системы входит масляный насос, фильтры очистки, радиатор охлаждения.

Электронная составляющая

Электронная система управления КПП следит за работой выставных элементов коробки и управляет работой исполнительного модуля (задействует нужные электроклапаны для срабатывания гидроцилиндров). Эта составляющая включает в себя датчики, отслеживающие ряд параметров (частоты вращения валов на входе и выходе из КПП, температуру рабочей жидкости и т. д.), а также блок управления, который на основе полученной информации от датчиков отправляет сигналы на исполнительный модуль.

Такая сложная конструкция нужна лишь для того, чтобы выбор передачи с требуемым соотношением осуществлялся в автоматическом режиме. Несмотря на это АКПП все же требует управления со стороны водителя, но манипуляции с такой коробкой значительно проще, чем с МКПП.

Режимы работы

Для управления трансмиссией в салоне авто установлен селектор, которым водитель выбирает режим движения. Таких режимов несколько, и основными из них являются:

• Движение вперед («D»);
• Движение назад («R»);
• Нейтраль («N»);
• Парковка («P»).

Некоторые виды КПП также оснащаются дополнительными режимами — понижение передач («L» или «1»), повышение («H» или «2»). Обычно такими режимами оснащаются внедорожники и кроссоверы с АКПП, чтобы повысить проходимость авто.

Также некоторые КПП оснащаются функцией ручного переключения передач. При работе КПП в автоматическом режиме система управления отслеживает режим движения и самостоятельно устанавливает нужную передачу. При переходе же в ручной режим водитель может самостоятельно устанавливать скорость на коробке. Но такой режим полностью ручным назвать нельзя, поскольку система управления постоянно следит за работой КПП и не даст установить передачу, которая может создать повышенные нагрузки на силовую установку и трансмиссию, и привести к их поломке.

Положительные и отрицательные стороны АКПП

Основным достоинством АКПП является удобство управления. Во время движения не нужно постоянно работать с рычагом, переключая передачи, соответствующие условиям движения, все это коробка делает самостоятельно. Упрощается управление авто и за счет отсутствия сцепления.

Автоматическая коробка может иметь значительно большее количество передач, чем «механика», а это позволяет более точно подобрать передаточное число под режим движения.

Но недостатков в такой коробке хватает. К ним относятся:

• Сложность конструкции;
• Не всегда корректная работа коробки («задумчивость» при переключениях, установка несоответствующей скорости и т. д.);
• Чувствительность к качеству и количеству рабочей жидкости;
• Сложность и дороговизна обслуживания и ремонта;
• Невозможность использования специфических условий работы трансмиссии (на АКПП нельзя осуществить «раскачку» авто при преодолении бездорожья, буксировка машины с такой коробкой запрещена);
• Низкий КПД.

Несмотря на значительный список недостатков АКПП получает все большее распространение. И способствует этому применение новых технологий и материалов изготовления, которые повышают срок службы и снижают общие требования к эксплуатации.

Видео

В видео подробно на примерах рассмотрена коробка «автомат»

РКПП

Роботизированные коробки — сравнительно новый тип КПП, но достаточно активно внедряющийся на легковых автомобилях. Изготовлением этой коробки конструкторы попытались объединить в себе достоинства механической и автоматической коробок передач.

Общая суть РКПП сводится к тому, что обычную «механику» оснастили электронным механизмом, осуществляющим переключение передач. Причем к созданию такого типа коробки автопроизводители подошли по-разному.

Одни компании просто взяли автоматическую коробку и заменили в ней гидротрансформатор на фрикционное сцепление с электронным или электрогидравлическим механизмом управления. Другие производители в качестве основы использовали МКПП, оборудовав ее электрогидравлическим механизмом переключения передач.

Основным недостатком первых роботизированных коробок передач являлась медленная скорость работы. Несмотря на использование электрических и электрогидравлических приводов сцепления и механизма переключения, для смены передачи требовалось время, поскольку принцип управления трансмиссией остался тот же, что и в МКПП. Выливалось это в появлении рывков и «клевков» при переключении передач.

Повысить быстродействие РКПП удалось за счет установки двухдискового «сухого» или многодискового «мокрого» сцепления, которое позволяет осуществлять переключение передачи практически без прерывания потока мощности. Но чтобы использовать такое сцепление, пришлось пересмотреть и конструкцию самой коробки. Такие РКПП получили название «преселективных». Преселективная коробка — это, по сути, две механические коробки передач, совмещенных в одном корпусе.

Особенности конструкции

В ее конструкции используется по два первичных и вторичных вала, имеется и промежуточный вал, но в такой КПП он лишь обеспечивает смену направления вращения одного из вторичных валов (для движения задним ходом). Одна пара валов отвечает за ряд непарных передач (1-я, 3-я, 5-я и 7-я — если есть), а также задний ход, а вторая — за парный ряд (2-я, 4-я, 6-я).

Интересна сама конструкция преселективной РКПП. Каждый из двух дисков сцепления связан со своим первичным валом. Но поскольку последние должны находиться на одной оси, то конструкторы поместили один первичный вал внутрь второго. А вот вторичные валы разместили по бокам ведущих валов.

Метод взаимодействия шестеренчатых пар, установленных на валах, позаимствовали у МКПП. То есть, все шестеренки имеют постоянное зацепление, но нет жесткого их соединения на вторичных валах. Для включения требуемой передачи используются синхронизаторы.

Принцип функционирования

Теперь поговорим о принципе работы роботизированной коробки. Рассмотрим его на примере РКПП с двухдисковым сцеплением. При начале движения механизмы управления коробки задействуют синхронизатор 1-й передачи, соединяя шестерню со вторичным валом. Далее механизм управления сцеплением зажимает диск, соединенный с первичным валом непарного ряда. В результате вращение от ведущего вала посредством шестерен передается на ведомый, а далее через главную передачу и дифференциал — на колеса.

Одновременно с задействованием непарного ряда, механизм управления КПП посредством синхронизатора включает 2-ю передачу. Но система управления сцеплением исключает подачу вращения на парный ряд, оставляя второй диск сцепления не зажатым.

Как только система управления РКПП определяет, что нужно повышение передачи, система управления сцеплением меняется диски сцепления местами, то есть диск непарного ряда «отпускает», а парного — зажимает. При этом механизм управления сразу включает 3-ю передачу. В общем, преселективная коробка одновременно включает две передачи, но использует только одну.

Одним из ключевых составных элементов роботизированной коробки является система управления. Как и в АКПП в «роботе» она состоит из датчиков, блока управления и исполнительных модулей (механизмов управления). Назначение составных элементов тоже идентично — датчики отслеживают параметры работы КПП и передают их на блок управления, а тот в свою очередь — обрабатывает данные и на их основе осуществляет управление исполнительным модулем.

На РКПП применяется два вида исполнительных механизмов — электрические (сервоприводы) и электрогидравлические (гидроцилиндры и блок электроклапанов с золотниками).

Как и в АКПП в коробке-робот помимо автоматического функционирования дополнительно реализован ручной режим управления, который позволяет водителю устанавливать нужную скорость самостоятельно. При этом система управления даже при таком режиме контролирует работу коробки, чтобы исключить вероятность поломки.

Достоинства и недостатки

В коробке-робот конструкторы постарались объединить в себе удобство АКПП и надежность и простоту «механики». И им это удалось, но только частично.

К достоинствам РКПП относится высокое быстродействие и значительный диапазон скоростей. Такая коробка позволяет интенсивно ускоряться, поскольку при переключении практически нет прерывания передачи потока мощности.

Также она удобна в управлении. Водитель просто селектором устанавливает режим движения, а коробка уже самостоятельно подбирает скорость в зависимости от условий.

Без недостатков в этом типе КПП тоже не обошлось, причем они достаточно существенны. К негативным свойствам относятся:

• Сложность и хрупкость конструкции;
• Переключение с рывками;
• Сложность и дороговизна обслуживания;
• Небольшой ресурс сцепления.

И это только основные недостатки этих коробок. Но конструкторы постоянно работают над усовершенствованием РКПП.

Вариаторные коробки передач

Последний вариант коробок передач, применяемых на авто — вариаторы. Этот вид КПП отличается бесступенчатым изменением крутящего момента, то есть он меняется плавно в имеющемся диапазоне.

На легковых авто применяется два типа вариаторов — клиноременной и тороидный, но последний из-за ряда недостатков распространения пока не получил.

Составные элементы

Механическими составляющими вариаторной трансмиссии являются:

• Сцепление;
• Вариатор;
• Редуктор заднего хода.

Устройство вариатора включает в себя также и систему управления, которая следит за функционированием узла и задает режим работы.

На вариаторных трансмиссиях могут использоваться многодисковый (в масляной ванне), электромагнитный или же центробежный тип сцепления. Но чаще всего используется гидротрансформатор (как на АКПП), поскольку он осуществляет плавную передачу вращения.

Особенности конструкции и работы

Самый интересный в конструкции такого узла — сам клиноременной вариатор. Представляет он собой два шкива, установленных на валы (ведущий и ведомый), между которыми помещен ремень, обеспечивающий передачу вращения.

Оба шкива — составные, и состоят из двух дисков (половин) в виде усеченных конусов, которые вершинами направлены навстречу друг другу. Наклонные поверхности у половин шкивов являются рабочими и контактируют с ремнем. Эти половины могут смещаться по валу — сходиться, расходиться. Благодаря таким перемещениям удается изменять радиус шкива в месте контакта с ременной передачей.

На деле все выглядит так: при начале передвижения система управления максимально разводит диски шкива установленного на первичном валу, на вторичном же шкив сведен до упора. В результате ремень на ведущем валу «проваливается» между половинами шкива, поэтому радиус в месте их контакта — минимален. На ведомом же валу из-за максимального сведения половин шкива ремень «выталкивается».

Благодаря такой установке шкивов вариатор преобразует скорость в тяговое усилие, и автомобиль может сдвинуться с места. По мере набора скорости автомобилем система управления начинает сводить половины шкива ведущего вала, и разводить — ведомого, увеличивая скорость вращения и снижая тягу.

На определенном моменте на шкивах устанавливается одинаковый радиус в месте контакта с ремнем, и в этом случае соотношение равно 1. Дальнейшее сведение ведущего и разведение ведомого шкивов приводит к тому, что передаточное число составляет менее 1.

Поскольку вращение между шкивами осуществляется ремнем, то этот элемент — очень важен. Изначально в конструкции вариаторов применялись резиновые клиновидные ремни. Но такие элементы не способны передавать значительные усилия и ресурс их сильно ограничен.

В автомобильных вариаторах сейчас применятся металлические ремни с достаточно сложной конструкцией. В качестве основы у них выступают стальные полосы, на которых закреплены пластины особой формы. Такие ремни в процессе эксплуатации не вытягиваются, способны работать при серьезных нагрузках, и обладают неплохим ресурсом.

Некоторые автопроизводители вместо ремня используют цепь. В этом случае узел носит название клиноременного.

Реализация движения задним ходом. Имитация передач

Особенность вариатора заключается в том, что он не способен изменить направление вращения и обеспечить автомобилю движение задним ходом. Чтобы исправить ситуацию в конструкцию такой коробки передач добавили планетарную передачу.

На вариаторных коробках передач используется электронная система управления. Она состоит из датчиков, блока управления, исполнительного модуля и фрикциона планетарной передачи.

Отметим, что многие вариаторы оснащаются функцией имитации переключения передач с ручным управлением, хотя эта коробка передач — бесступенчатая. Реализована эта функция очень просто — блок управления запрограммирован так, что позволяет менять передаточное соотношение на строго фиксированные значения. Переходя в ручной режим управления водитель селектором подает команды на систему управления, и она фиксирует шкивы в положении, которое обеспечивает заданное передаточное число. Но эта функция — лишь имитация и в нештатном случае система внесет коррективы, чтобы избежать поломки узла.

Положительные и отрицательные стороны

Вариатор — перспективный тип коробки передач и автопроизводителями он используется все более активно. И это обеспечивается такими преимуществами, как:

• Оптимальное использование мощности двигателя;
• Плавность работы трансмиссии;
• Отличная динамика набора скорости;
• Сниженное потребление топлива;
• Удобство управления.

Но недостатки у вариатора тоже присутствуют. Негативными качествами являются:

• Ограниченный ресурс основных рабочих элементов;
• Чувствительность к качеству и количеству смазочного материала;
• Сложность ремонта;
• Неспособность работы с силовыми установками большой мощности.

В целом, вариатор требует очень бережной и аккуратной эксплуатации.

Как видно любой тип КПП имеет свои особенности, положительные и отрицательные стороны, поэтому однозначного ответа, какая же коробка лучше всех — нет.