Преселективная коробка передач: устройство и история развития.

Введение

Тип механической коробки передач

Коробка передач с предварительным выбором – это тип механической коробки передач, который в основном использовался на легковых и гоночных автомобилях в 1930-х годах, на автобусах с 1940 по 1960 год и на бронированных машинах с 1930-х по 1970-е годы. Отличительной особенностью коробки передач с предварительным выбором является то, что рычаг переключения передач позволял водителю "предварительно выбирать" следующую передачу, при этом коробка передач обычно оставалась в текущей передаче до тех пор, пока водитель не нажимал на "педаль переключения передач" в нужный момент. Такая конструкция избавляла водителя от необходимости точно координировать работу педали сцепления и рычага переключения передач для достижения плавного переключения в несинхронизированной механической коробке передач. Большинство коробок передач с предварительным выбором полностью обходятся без сцепления, управляемого водителем. Некоторые используют его исключительно для начала движения с места. Коробки передач с предварительным выбором были наиболее распространены до широкого распространения автоматической коробки передач, поэтому их рассматривали в сравнении с "коробкой передач с жестким включением" (crash gearbox) – типом механической коробки передач. Коробки передач с предварительным выбором часто рекламировались как коробки передач "с автоматическим переключением", однако это неточное описание, поскольку водитель должен выбирать передачу (и часто вручную осуществлять переключение). Автоматическая коробка передач – это настоящая "коробка передач с автоматическим переключением", поскольку она способна переключать передачи без какого-либо участия водителя. Существует несколько принципиально различных механических конструкций коробок передач с предварительным выбором. Наиболее известна конструкция Уилсона. Некоторые коробки передач, такие как Cotal, переключают передачи сразу же при перемещении органа управления, без необходимости использования отдельной педали переключения передач.

Преимущества

По сравнению с современными (несинхронизированными) механическими коробками передач, преселективные коробки передач были проще в управлении для водителей, поскольку не требовали таких приемов, как двойное выжимание сцепления. Преселективные коробки передач также обеспечивали более быстрое переключение передач, могли выдерживать большую мощность, имели меньшую массу и позволяли переключать передачи под нагрузкой. Конструктивным преимуществом многих преселективных коробок передач является то, что фрикционные элементы – это тормоза, а не сцепления. Это позволяло использовать невращающиеся тормозные ленты для деталей, подверженных износу, что приводило к более простой конструкции по сравнению с вращающимся элементом, таким как обычное сцепление. Изношенные компоненты также можно было монтировать снаружи механизма (а не внутри него), что облегчало доступ для обслуживания и регулировки.

Уилсон

Наиболее распространенным типом преселекторной коробки передач был Wilson, который использовал эпициклическую конструкцию. Предшественником коробки передач Wilson была ручная эпициклическая коробка передач, использовавшаяся в автомобилях Wilson Pilcher 1901–1904 годов, построенных в Великобритании. Один из директоров компании, Уолтер Гордон Уилсон, стал сторонником преимуществ эпициклической коробки передач, которая позволяла передавать большие крутящие моменты, оставаясь при этом управляемой с помощью небольшой входной силы. Уолтер Уилсон был одним из главных изобретателей бронированного танка во время и после Первой мировой войны и был ответственен за британский танк Mark V 1918 года, использующий эпициклическую коробку передач рулевого управления. Lanchester Motor Company в Великобритании также производила автомобили с ручным управлением эпициклическими коробками передач с 1900 года и построила экспериментальный танк (Lanchester Gearbox Machine или Experimental Machine K), оснащенный эпициклической коробкой передач. Уолтер Уилсон продолжил экспериментировать с эпициклическими коробками передач для автомобилей, и в 1928 году была изобретена его "коробка передач Wilson". Уолтер и один из совладельцев Armstrong Siddeley Motors создали компанию Self Changing Gears Ltd. (первоначально названную Improved Gears Ltd.) для проектирования и производства коробки передач Wilson. 1929 Armstrong Siddeley Thirty был одним из первых автомобилей, в котором использовалась коробка передач Wilson. Коробка передач также производилась по лицензии другими производителями, включая Cord, ERA, Daimler и Maybach. Водитель предварительно выбирал следующую передачу с помощью рычага, установленного на рулевом колесе, затем нажимал на "педаль переключения передач" (часто расположенную на месте обычной педали сцепления), чтобы активировать переключение передач в желаемое время. Коробка передач Wilson производилась с различными сцеплениями. Наиболее известным является гидротрансформатор, используемый для туристических автомобилей, таких как Daimler (Armstrong Siddeley использовал центробежное сцепление). В спортивных машинах использовалось центробежное сцепление Newton. Это было многодисковое сухое сцепление, похожее на гоночные ручные сцепления того времени, но с центробежно нажимной нажимной пластиной, чтобы включаться примерно на 600 об/мин. Чисто гоночные автомобили, такие как ERA, полностью избегали сцепления и полагались на прогрессивное включение тормозной ленты коробки передач на самой низкой передаче при запуске. При установке центробежного сцепления или гидротрансформатора, начиная с остановки, требовалось просто выбрать первую передачу, после чего сцепление автоматически включалось после нажатия педали акселератора. На других автомобилях педаль переключения передач функционировала как сцепление при запуске из состояния остановки. Коробка передач Wilson опиралась на ряд эпициклических передач, соединенных гениальным образом, которое также было изобретением Уилсона. Последовательные передачи работали путем комбинирования или "уменьшения передачи" предыдущей передачи. Для каждой промежуточной передачи требовался отдельный эпицикл, с конусным сцеплением для прямой передачи через верхнюю передачу и еще одним эпициклом для задней передачи. Предусматривалось четыре передачи, в то время как многие автомобили (особенно американские) обычно имели только трехступенчатую коробку передач. Это было связано со спортивным или даже гоночным рынком коробки передач Wilson, чтобы обеспечить более близкое расположение передаточных чисел. Хотя это же устройство эпициклов стало предшественником послевоенной автоматической трансмиссии, использование автоматической трансмиссией гидротрансформатора, а также широкая полоса мощности и избыточная мощность американских двигателей V8 означали, что более широкие, а следовательно, меньшие передаточные числа были приемлемы. В отличие от "рывковых" коробок передач первой половины 20-го века, шестерни в преселекторной коробке постоянно находятся в зацеплении в эпициклической компоновке. Переключение передач с коробкой Wilson опиралось на управление тормозными лентами, которые удерживали каждый эпициклический корпус в фиксированном положении. Для выбора тормозной ленты использовалась вращающаяся кулачковая передача, приводимая в движение рычагом переключения передач. Для каждого вида передачи использовалась только одна лента. Этот небольшой ручной рычаг не мог обеспечить достаточной мощности для включения и блокировки тормозной ленты, поэтому требовалась педаль. Фактическое движение тормозных лент контролировалось "шарнирным" механизмом, отличительной чертой конструкции Wilson. При нажатии и отпускании педали серия "шин" рычагов, похожих на пальцы, прижималась вверх сильной спиральной пружиной к серии легких тяг или "поддерживающих распорок". Положение каждой тяги контролировалось кулачком выбора передачи. Если кулачок (для каждой передачи) удерживал тягу на месте, а не позволял ей отклоняться, то палец шины затем нажимал через поддерживающую распорку на шарниры, управляющие самими тормозными лентами. Эти шарниры обеспечивали дополнительный рычаг, необходимый для удержания тормозной ленты на месте под действием спиральной пружины до следующего нажатия на педаль. Еще одной характеристикой конструкции Wilson было использование саморегулирующихся гаек на каждой ленте для компенсации износа. Действие включения и выключения каждой ленты было достаточным для продвижения храповых гаек и, следовательно, для регулировки износа путем устранения любого люфта.

The most common type of pre selector gearbox was the Wilson, which used an epicyclic design. A precursor to the Wilson gearbox was the manually controlled epicyclic gearbox used in the 1901–1904 Wilson Pilcher cars built in the United Kingdom. One of the company directors, Walter Gordon Wilson, had become an advocate for the benefits of the epicyclic gearbox, which allowed large torques to be transmitted whilst still being controllable through a small input force. Walter Wilson was a major co inventor of the armoured tank during and after World War I, and was responsible for the 1918 British Mark V tank using an epicyclic steering gearbox. The Lanchester Motor Company in the United Kingdom also produced cars with manually controlled epicyclic gearboxes from 1900 and built an experimental tank (the Lanchester Gearbox Machine or Experimental Machine K) fitted with an epicyclic gearbox. Walter Wilson continued experimentation with epicyclic gearboxes for cars and in 1928 his "Wilson gearbox" was invented. Walter and one of the co owners of Armstrong Siddeley Motors formed the Self Changing Gears Ltd. company (initially called Improved Gears Ltd.) to design and build the Wilson gearbox. The 1929 Armstrong Siddeley Thirty was one of the first cars to use the Wilson gearbox. The gearbox was also built under licence by other manufacturers including Cord, ERA, Daimler and Maybach. The driver pre selected the next gear using a lever mounted to the steering wheel, then pressed the 'gear change pedal' (often located in place of the usual clutch pedal) to activate the gearchange at the desired time. The Wilson gearbox was produced with a variety of clutches. The best known is the fluid flywheel, used for touring cars such as the Daimler (Armstrong Siddeley used a centrifugal clutch). Sports cars used a Newton centrifugal clutch. This was a multiple plate dry clutch, similar to racing manual clutches of the time, but with the pressure plate centrifugally actuated to engage at around 600rpm. Pure racing cars, such as the ERA, avoided a clutch altogether and relied on the progressive engagement of the gearbox's band brake on lowest gear when starting. When fitted with a centrifugal clutch or fluid coupling, starting from a standstill involved simply selecting first gear, then the clutch would automatically engage once the accelerator pedal was pressed. On other cars, the gear change pedal functioned like a clutch when starting from a standstill. The Wilson gearbox relied on a number of epicyclic gears, coupled in an ingenious manner that was also Wilson's invention. Successive gears operated by compounding or 'reducing the reduction' provided by the previous gear. A separate epicyclic was required for each intermediate gear, with a cone clutch for the straight through top gear and a further epicyclic for reverse. Four gears were provided, at a time when many cars (especially American ones) usually only had a three speed gearbox. This was owing to the sporting, or indeed racing, market for the Wilson gearbox, so that the ratios could be more closely spaced. Although this same arrangement of epicyclics would become the precursor for the post war automatic transmission, the automatic transmission's use of a torque converter, together with the broad power band and excess power of US V8 engines, meant that wider spaced, thus fewer, ratios were acceptable. Unlike the "crash" gearboxes of the first half of the 20th century, the gearwheels in a preselector box are permanently in mesh in an epicyclic layout. Changing gear with the Wilson box relied on the control of the brake bands that held each epicyclic's annulus in fixed position. The brake band to be selected was controlled by a rotating cam, moved by the gear shift lever. Only one band was engaged for each gear selection. This small hand operated lever could not provide enough power to engage and lock the brake band, thus the need for the foot pedal. The actual movement of the brake bands was controlled by the 'toggle' mechanism, a distinctive feature of the Wilson design. When the pedal was pressed and released, a series or 'busbar' of finger like levers were pressed upwards by a strong coil spring, against a series of light linkages or 'operating struts'. The position of each linkage was controlled by the gear selection camshaft. If the cam (for each gear) held the linkage in place, rather than allowing it to swing out of the way, the busbar finger would then press, via the operating strut, onto the toggles controlling the brake bands themselves. These toggles provided the additional leverage necessary to hold the brake band in place, under the force of the coil spring, until the pedal was next pressed. A further characteristic of the Wilson design was the use of self adjusting nuts on each band, to compensate for wear. The action of engaging and disengaging each band was sufficient to advance the ratchet nuts and so adjust for wear by taking up any slack.

Общая

В 1920-х и 1930-х годах несколько французских производителей роскошных автомобилей использовали трех- или четырехступенчатые коробки передач с предвыбором, изготовленные компанией Cotal. Уникальной особенностью коробок передач Cotal было использование электромагнитных муфт (вместо ленточных тормозов) для включения передач. Недостатком такого подхода было то, что потеря электропитания приводила к невозможности передачи крутящего момента от двигателя к колесам. Муфты управлялись простым переключателем на приборной панели или рулевой колонке, который описывали как "вишенку на коктейльной шпажке", и реле. Механического сервопривода не было, поэтому не требовались кулачковые или рычажные механизмы конструкции Уилсона и педаль переключения передач.

Норманвилль

В 1930-х годах автомобили Humber комплектовались четырёхступенчатой коробкой передач с предвыбором, произведенной компанией Laycock de Normanville. Она была в целом аналогична коробке Wilson, но использовала прямое гидравлическое управление тормозными лентами (выбираемыми рычагом на рулевой колонке), что позволило отказаться от педали переключения передач.

Тэлбот

Несколько автомобилей Talbot в 1930-х годах, таких как Talbot AX65 Darracq 1932–1935 годов, использовали "ускоряющую коробку передач", разработанную Жоржем Роешем на основе патентов Уилсона. Коробка передач Roesch была кардинально переработана как по конструкции, так и по материалам, что привело к созданию более легкой коробки передач, способной выдерживать в три раза большую мощность, чем коробка передач Wilson. При включении задней передачи эта коробка передач автоматически предварительно выбирала первую передачу. При включении второй передачи она предварительно выбирала третью, а при включении третьей – четвертую. Затем коробка передач циклически переключалась между третьей и четвертой передачами, пока вручную не была выбрана другая передача. Первоначальные версии производились без какого-либо сцепления, однако вскоре в конструкцию было добавлено центробежное сцепление. Описанное Talbot как "Трафиковое сцепление", это было простое устройство с двумя радиально качающимися колодками (подобными барабанным тормозам).

Вирателле

Ранняя коробка передач с предварительным выбором была прототипом трехступенчатой мотоциклетной коробки передач, запатентованной Марселем Вирателлем во Франции в 1906 году. Конструкция и производство были очень компактными.

Танки Тигра

Немецкий бронетанковый танк Tiger I образца 1942–1945 годов использовал форму предварительного селективного переключения передач, разработанную компанией Maybach, которая обеспечивала 8 передаточных чисел. Механизм переключения был гидравлическим, что снижало нагрузку на водителя. Сцепления использовались в комбинациях, позволяя получить значительно больше передаточных чисел, чем количество управляющих элементов. Имелось три гидравлических цилиндра, каждый с двумя положениями, управляющих кулачковыми муфтами для зубчатых передач, расположенных на четырех валах. Управление цилиндрами осуществлялось вращающимся клапаном на простом квадрантном рычаге переключения передач, который активировался боковым перемещением рычага в его направляющую. Комбинация трех цилиндров обеспечивала восемь различных передаточных чисел, однако при движении задним ходом их количество ограничивалось четырьмя нижними. Когда захваченный танк Tiger I был изучен британцами в 1943 году, отчет о коробке передач был подготовлен компанией Armstrong Siddeley Motors.

Коттежки с многократным сцеплением

Коробка передач с несколькими сцеплениями позволяет избежать сложностей при переключении передач, устраняя саму необходимость в переключении. Она работает как несколько отдельных коробок передач, каждая из которых управляется своим собственным сцеплением, соединенных между собой для предотвращения одновременного включения нескольких передач. Выбор передачи сводится к выбору соответствующего сцепления. Одним из преимуществ этой конструкции является простота организации дистанционного управления, поскольку отсутствует традиционный механизм переключения передач, а требуется лишь дублирование привода сцепления.

Одноразовое соотношение на сцепление

Этот тип коробки передач впервые был применен в марте 1917 года в Олдбери при испытаниях различных трансмиссий на восьми британских тяжелых танках. Каждое передаточное число имеет свой вал и собственное сцепление. Если сцепления заблокированы таким образом, что одновременно может быть включено только одно, система остается простой. В начале 1980-х годов эта трансмиссия была разработана для городских автобусов в Великобритании под названием Maxwell, с четырехступенчатой коробкой передач. Автобусы в Великобритании в основном двухэтажные, с расположенными сзади поперечными двигателями. Их эксплуатация также связана с частыми остановками и стартами, что приводит к интенсивному износу сцеплений в обычных коробках передач. Преимуществом данной конструкции было использование четырех сцеплений, которые легко обслуживались снаружи двигателя, без необходимости его демонтажа. Сцепления были многодисковыми, мокрыми, с масляным охлаждением. Первые образцы коробок передач получили репутацию ненадежных, и в 1985 году их оригинальные разработчики, компания Brockhouse, передали лицензию компании Avon Maxwell Transmissions. Усовершенствованная версия с увеличенным масляным насосом была доступна для модернизации большинства автобусов Великобритании. Необычной особенностью этой коробки передач была возможность одновременного включения первой и второй передач, что создавало эффект гидравлического замедлителя мощностью 50 л.с.

Двойной сцепление

Идея быстрого переключения только с помощью сцепления также была реализована в трансмиссиях с двойным сцеплением, используемых в современных высокопроизводительных автомобилях. Это сочетает в себе простоту механической коробки передач с быстротой переключений, обеспечиваемой конструкцией на основе сцепления. Фактически, существуют две отдельные коробки передач, каждая из которых предлагает альтернативные передаточные числа из общего набора, а два сцепления определяют, какая коробка передач приведена в действие. Переключения внутри каждой коробки передач выполняются автоматически, с целью предугадать, какое передаточное число потребуется водителю в следующий момент. Если следующее передаточное число выбрано верно (то есть компьютер правильно предсказал необходимость повышения или понижения передачи), само переключение сводится к быстрому перемещению сцепления. Однако неожиданные переключения могут дезориентировать систему, и ей сначала потребуется выбрать правильное передаточное число, прежде чем включить сцепление, что приводит к значительно более медленному переключению.

Полуавтоматические коробки передач

Полуавтоматические коробки передач, как правило, представляющие собой ручные коробки без сцепления, автоматизируют только систему сцепления, используя различные системы управления для облегчения его работы, при этом требуя от водителя ручного переключения передач. Эти системы внедрялись многими производителями автомобилей до появления и начала производства гидравлических автоматических коробок передач, начиная с середины 1930-х и до начала-середины 1990-х годов. В этих системах либо полностью отсутствовала педаль сцепления, либо она сохранялась, но сцеплением требовалось управлять только при трогании с места, а не при переключении передач. В дальнейшем были достигнуты новые усовершенствования и разработки, и для одновременной автоматизации работы сцепления и выбора передач использовались другие методы, наиболее заметным из которых является современная автоматизированная механическая коробка передач, представленная несколькими автопроизводителями в 1990-х годах, но впервые разработанная компанией Isuzu с их коробкой передач NAVi5 в 1985 году.

Автогонки

Преселективные коробки передач использовались в нескольких гоночных автомобилях и мотоциклах, включая Международные шестидневные соревнования 1921 и 1922 годов – в Швейцарии участвовали мотоциклы Марселя Вирателле, представленные серийными моделями; 1935 ERA R4D, а также автомобили для подъема в гору, такие как Auto Union "Серебряные стрелы" 1930-х годов.

Автобусы

Несколько автобусов, построенных в Соединенном Королевстве примерно с 1940 по 1960 год, оснащались коробкой передач с предварительным выбором, в том числе автобусы производства компаний Leyland, Daimler и AEC. Автобус типа AEC RT, широко использовавшийся в Лондоне в этот период, использовал сжатый воздух для переключения передач, в то время как в других коробках передач применялось механическое управление. Типичная процедура запуска лондонского автобуса заключалась в том, что у него была очень низкая первая передача, которая использовалась только на подъемах. Поэтому водитель при старте выбирал вторую передачу, нажимал и отпускал педаль переключения передач для включения передачи, а затем выбирал третью, готовясь к переключению во время движения – все это делалось, пока автобус был неподвижен. При старте нажималась только педаль акселератора, а последующее переключение на третью передачу осуществлялось простым нажатием на педаль переключения передач. Автобусы с предварительным выбором передач также экспортировались в различные страны – автобусы AEC Regent III с коробками передач типа Wilson использовались в Западной Австралии в течение 25 лет, будучи частью парка общественного транспорта с 1950 по 1976 год.

Мотоциклы

Некоторые мотоциклы James 1950-х годов выпускались с двигателями Villiers и коробкой передач с предварительным выбором. Управление осуществлялось путем нажатия на педаль переключения передач для выбора первой передачи, затем выжимания рычага сцепления, и при отпускании рычага передача включалась и мотоцикл трогался с места. Повторное нажатие на педаль переключения передач выбирало вторую передачу, которая включалась только после повторного выжимания рычага сцепления.

Железнодорожные вагоны

Некоторые ранние рельсовые автобусы 1930-х годов с бензиновыми и дизельными двигателями использовали преселективную коробку передач Вильсона. Рельсовые автобусы GWR "Flying Banana" с двигателями AEC были оснащены такой коробкой передач.