Как работают автоматические коробки передач: гидротрансформаторы, передачи и переключение

Водители, которые никогда не касались педали сцепления, по-прежнему полагаются на цепь механических и гидравлических деталей, которые работают каждый раз, когда автомобиль трогается или меняет скорость. В основе любой автоматической коробки лежат две задачи: позволить двигателю работать на холостом ходу без глохания автомобиля и изменение передаточного числа между скоростью двигателя и скоростью колес без выбора передачи водителем.

Гидротрансформатор выполняет функцию сцепления

В наиболее распространенном типе автоматической коробки механическое сцепление заменяется герметичным корпусом, заполненным жидкостью, называемым гидротрансформатором. По данным справочного сайта о механике автомобилей How a Car Works, он содержит три основные детали: насос, прикрепленный к маховику двигателя, турбину, соединенную с входным валом коробки передач, и центральный реактор с однопроходным сцеплением.

Когда насос вращается вместе с двигателем, он выбрасывает трансмиссионную жидкость наружу в турбину, которая вращает входной вал коробки передач. На низких оборотах двигателя реактор остается неподвижным и перенаправляет жидкость обратно в насос, что усиливает крутящий момент и помогает автомобилю трогаться с места. Как только обороты двигателя возрастают, реактор работает свободно, и преобразователь просто действует как жидкостный маховик, — объясняет How a Car Works.

По данным австралийского сайта CarsGuide, именно эта жидкостная связь обуславливает мягкое переключение автоматических трансмиссий с гидротрансформатором и сильную тяговую мощность на низких оборотах. Компромисс заключался в том, что такие системы исторически имели более низкий КПД, чем прямая механическая связь, поэтому большинство современных блоков гидротрансформатора добавляют функцию блокировки, когда автомобиль достигает скорости, механически соединяя насос и турбину для снижения потерь мощности, согласно CarsGuide.

Планетарные передачи изменяют передаточное число без переключения передач

После того как мощность поступает в коробку передач, она проходит через один или несколько наборов планетарных (эпициклических) передач. How a Car Works описывает их как центральное солнечное колесо, внешнее кольцевое колесо с внутренними зубьями и набор меньших планетарных колес, которые взаимодействуют с обоими. Все три части всегда находятся в контакте, поэтому коробка передач никогда не должна физически включать или отключать пару передач так, как это делает механическая коробка.

Вместо этого гидравлически управляемые тормозные ленты и многодисковые сцепления удерживают различные части набора передач неподвижно или позволяют им вращаться свободно. How a Car Works перечисляет основные комбинации: блокировка солнечного колеса при вращении водила дает увеличение скорости; блокировка кольцевого колеса и вращение солнечного колеса дает снижение скорости; передача мощности на солнечное колесо при торможении водила дает задний ход; блокировка солнечного и кольцевого колес вместе дает прямой привод, передаточное число один к одному.

Один набор планетарных передач, используемый таким образом, уже может обеспечить несколько передаточных чисел. Соединение двух эпициклических наборов, самая простая классическая конфигурация, может дать три передачи вперед, — отмечает How a Car Works; производители соединяют вместе больше наборов и сцеплений для достижения пяти-, шести-, восьми-, девяти- и десятиступенчатых коробок передач, которые встречаются в современных автомобилях.

Гидравлика и электроника определяют, когда переключаться

Последовательность блокировки внутри коробки передач запускается гидравлическим давлением, действующим на тормозные ленты и сцепления, направляемым через то, что How a Car Works называет сложной системой гидравлических клапанов. В старых конструкциях эти клапаны реагируют механически на нагрузку двигателя, скорость движения и положение дроссельной заслонки; механизм «кикдаун» вынуждает переключение на пониженную передачу для дополнительного ускорения при нажатии педали газа до упора. В современных автомобилях электронные датчики и управляющий компьютер выполняют ту же функцию, открывая и закрывая соленоидные клапаны для синхронизации каждого переключения.

Три разных способа построить автоматическую коробку

Не каждая самопереключающаяся коробка работает одинаково. CarsGuide объединяет современные автоматические коробки в три основных семейства плюс более старый, в основном снятый с производства четвертый тип.

• Автоматическая коробка передач с гидротрансформатором — использует жидкостную муфту, описанную выше; сильный крутящий момент на низких скоростях и мягкое переключение, встречается в марках, таких как Mazda и Lexus, по данным CarsGuide.
• Коробка передач с двойным сцеплением (DCT) — фактически две механические коробки передач, находящиеся в одном корпусе, каждая со своим сцеплением; одна передача предварительно выбирается в то время как другая включена, поэтому система переключает сцепления для смены передачи в миллисекундах с минимальной потерей крутящего момента. CarsGuide приводит в качестве примеров Volkswagen DSG, Nissan GT-R, Ferrari 488 GTB и McLaren 650S.
• Бесступенчатая трансмиссия (CVT) — вообще не имеет фиксированных передач; ремень или цепь проходит между двумя шкивами, эффективный диаметр которых изменяется, обеспечивая, по словам CarsGuide, действие «как резинка на дорожном конусе» и теоретически неограниченное количество передаточных чисел для максимальной топливной экономичности.
• Автоматизированная механическая коробка с одним сцеплением — более старый тип, в котором компьютер управляет одним сцеплением на обычной механической коробке передач; CarsGuide описывает его переключения как рывистые и задержанные, и говорит, что этот тип теперь в значительной степени устарел.

Для сравнения, CarsGuide отмечает, что обычные механические коробки передач обычно имеют шесть передач вперед, причем некоторые спортивные автомобили, такие как Porsche 911, предлагают семь.

Почему это имеет значение для ежедневного вождения

Тип автоматической коробки под полом влияет на то, как чувствует себя автомобиль, а не просто на то, есть ли у него педаль сцепления. Жидкостная муфта гидротрансформатора позволяет автомобилю медленно продвигаться на холостом ходу без глохания двигателя, характеристику, которую How a Car Works объясняет непосредственно конструкцией гидротрансформатора. Два сцепления DCT позволяют спортивным автомобилям переключаться без кратковременного разрыва мощности, чувствуемого в более старых автоматических коробках, по данным CarsGuide. Отсутствие в CVT фиксированных передаточных чисел позволяет двигателю оставаться рядом с его наиболее эффективной скоростью независимо от скорости движения, что CarsGuide указывает как его основное преимущество, которому противостоит постоянный, нетрадиционный шум двигателя, который замечают некоторые водители.