Введение
Тип автомобильной трансмиссии, автоматически изменяющей передаточное число по мере движения автомобиля.
Автоматическая трансмиссия (иногда обозначаемая как AT) – это многоступенчатая трансмиссия, используемая в автомобилях, не требующая вмешательства водителя для переключения передач вперед в нормальных условиях движения. В отличие от электромобилей, транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания нуждаются в работе двигателя в узком диапазоне частоты вращения, что требует применения коробки передач, управляемой вручную или автоматически, для привода колес в широком диапазоне скоростей. Наиболее распространенным типом автоматической трансмиссии является гидроавтоматическая, использующая планетарный (эпициклический) редуктор, гидравлическое управление и гидротрансформатор. К другим типам автоматических трансмиссий относятся трансмиссии с непрерывно изменяющимся передаточным числом (CVT), автоматизированные механические трансмиссии (AMT) и трансмиссии с двойным сцеплением (DCT). "Коробка передач для безлошадных экипажей" 1904 года, разработанная Sturtevant, часто считается первой настоящей автоматической трансмиссией. Первой серийно выпускаемой автоматической трансмиссией стала четырехступенчатая гидроавтоматическая трансмиссия General Motors Hydramatic, представленная в 1939 году. Автоматические трансмиссии также применяются в некоторых тяжелых коммерческих транспортных средствах, особенно в тех, которые подвергаются частым остановкам и запускам, таких как автобусы и мусоровозы.
Распространенность
В отличие от электромобилей, транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания требуют, чтобы двигатель работал в узком диапазоне частот вращения, что требует применения коробки передач, управляемой вручную или автоматически, для привода колес в широком диапазоне скоростей. В мировом масштабе 43% новых автомобилей, произведенных в 2015 году, были оснащены механической коробкой передач, и этот показатель снизился до 37% к 2020 году. В 1957 году более 80% новых автомобилей в Соединенных Штатах имели автоматическую коробку передач. Автоматические коробки передач стали стандартным оборудованием для больших автомобилей, по крайней мере, с 1974 года. К 2020 году доля новых автомобилей с механической коробкой передач составила всего 2,4%. Исторически автоматические коробки передач были менее эффективны, но более низкие цены на топливо в США сделали эту проблему менее значительной, чем в Европе. В Соединенном Королевстве большинство новых автомобилей с 2020 года оснащаются автоматическими коробками передач. Некоторые производители, включая Mercedes-Benz и Volvo, больше не предлагают автомобили с механической коробкой передач. Рост популярности автоматических трансмиссий связывают с увеличением числа электромобилей и гибридных автомобилей, а также с простотой их интеграции с системами безопасности, такими как система автоматического экстренного торможения.
Эффективность
Эффективность, то есть отношение выходной мощности к входной, у обычных автоматических трансмиссий составляет от 86 до 94%. Механические трансмиссии более экономичны, чем все автоматические, за исключением самых современных, благодаря их изначально низким паразитным потерям, обычно около 4%, а также тому, что они дешевле в производстве, легче, обеспечивают лучшие характеристики и имеют более простую механическую конструкцию. Однако механические трансмиссии требуют от водителя управления сцеплением и переключения передач по мере необходимости, что является их недостатком. Естественно, экономичность снижается при уменьшении эффективности. Результаты реальных испытаний, проведенных в 2022 году, показали, что в типичных условиях вождения механические трансмиссии обеспечивают на 2–5% лучшую экономию топлива по сравнению с автоматическими, а при опытном водителе – до 20%. Некоторые лабораторные испытания демонстрируют преимущества автоматических трансмиссий, поскольку в них для механических трансмиссий используется заданная схема переключения передач, которая не всегда оптимизирована для экономии. Тем не менее, на дальних трассах механические трансмиссии требуют поддержания очень точной крейсерской скорости для достижения оптимальной экономичности, что делает автоматические трансмиссии более предпочтительными.
Дизайн
Наиболее распространенной конструкцией автоматических трансмиссий является гидроавтоматическая, которая обычно использует планетарные передачи, управляемые гидравликой. Трансмиссия соединяется с двигателем посредством гидротрансформатора (или гидромуфты до 1960-х годов) вместо фрикционного сцепления, применяемого в большинстве механических трансмиссий.
Гаджеты и механизм переключения
Гидравлическая автоматическая коробка передач использует планетарные передачи вместо конструкции механической коробки передач, где шестерни выстроены вдоль входного, выходного и промежуточного валов. Для переключения передач в автоматической коробке передач используется комбинация внутренних муфт, фрикционных лент или тормозных пакетов. Эти устройства используются для блокировки определенных шестерен, тем самым определяя, какое передаточное число используется в данный момент. Роликовый упор (устройство, подобное храповому механизму, которое может свободно вращаться и передавать крутящий момент только в одном направлении) часто используется для обычных переключений передач. Преимущество роликового упора заключается в том, что он устраняет необходимость точной синхронизации включения/выключения муфт на двух планетарных передачах, просто "подхватывая" нагрузку трансмиссии при активации и автоматически освобождаясь, когда роликовый упор следующей передачи берет на себя передачу крутящего момента. Фрикционные ленты часто используются для передач, выбираемых вручную (например, пониженной передачи или заднего хода), и действуют на окружности планетарного барабана. При выборе режима движения или овердрайва ленты не используются, вместо этого крутящий момент передается через роликовые упоры.
Гидравлические элементы управления
Вышеупомянутые фрикционные ленты и муфты управляются с помощью жидкости автоматической трансмиссии (ATF), которая нагнетается насосом и затем направляется к соответствующим лентам/муфтам для достижения необходимого передаточного числа.
19041939: Предшественники гидравлической автоматической
Коробка передач для "бесконечных экипажей" 1904 года часто считается первой автоматической трансмиссией для автомобилей. Разработанная в Бостоне, в Соединенных Штатах, эта трансмиссия имела два передаточных числа для движения вперед и маховики, приводимые в действие двигателем, которые контролировали выбор передачи. При более высоких оборотах двигателя включалась высокая передача. По мере замедления автомобиля и снижения оборотов двигателя коробка передач переключалась обратно на низкую. Однако трансмиссия была склонна к внезапным поломкам из-за неспособности выдерживать нагрузки от резких переключений передач. Применение планетарных редукторов стало значительным шагом к созданию современной автоматической трансмиссии. Одной из первых трансмиссий, использующих такую конструкцию, была ручная трансмиссия, установленная на автомобиле Wilson Pilcher 1901–1904 годов. Эта трансмиссия была изготовлена в Соединенном Королевстве и использовала две эпициклические передачи для обеспечения четырех передаточных чисел. Для начала движения использовался педальный привод сцепления, для выбора передач – ручной рычаг, применялись шестерни с косыми зубьями (для снижения шума), а сами передачи имели постоянное зацепление. Планетарный редуктор также использовался в Ford Model T 1908 года, который был оснащен двухступенчатой механической трансмиссией (без шестерен с косыми зубьями). Патент на автоматическую трансмиссию был выдан канадскому изобретателю Альфреду Хорнеру Мунро из Реджины в 1923 году. Будучи инженером-паровиком, Мунро спроектировал свое устройство для работы на сжатом воздухе, а не на гидравлической жидкости, поэтому оно было недостаточно мощным и не нашло коммерческого применения. В 1923 году в Соединенных Штатах был одобрен патент, описывающий работу трансмиссии, в которой исключалось ручное переключение передач и ручное управление сцеплением. Патент был подан Генри Р. Хоффманом из Чикаго и назывался: "Автоматическое переключение передач и регулирование скорости". В патенте принцип работы такой трансмиссии описывался как "имеющая серию сцеплений, расположенных между валом двигателя и дифференциальным валом, и в которых сцепления расположены для выборочного включения и привода дифференциального вала в зависимости от скорости вращения дифференциального вала". Однако автоматические трансмиссии стали производиться в значительных количествах только спустя более десяти лет. В то же время несколько европейских и британских производителей использовали коробки передач предварительного выбора, разновидность механической трансмиссии, которая снижала зависимость от навыков водителя для обеспечения плавного переключения передач. Первая автоматическая трансмиссия, использующая гидравлическую жидкость, была разработана в 1932 году двумя бразильскими инженерами – Жозе Брасом Арарипе и Фернандо Лели Лемосом. Она автоматически переключалась между двумя передачами для движения вперед в режиме "Вперед" (или между двумя укороченными передачами в режиме "Пониженная"). Участие водителя все еще требовалось во время нормальной езды, поскольку для начала движения необходимо было использовать педаль сцепления. За ней в 1937 году последовала Oldsmobile Automatic Safety Transmission. По принципу работы, аналогичная REO Self Shifter, Automatic Safety Transmission автоматически переключалась между двумя передачами, доступными в диапазонах "Низкая" и "Высокая", а для начала движения требовалась педаль сцепления. В ней использовался планетарный редуктор. Chrysler Fluid Drive, представленный в 1939 году, был опциональным дополнением к механическим трансмиссиям, где была добавлена гидромуфта (похожая на гидротрансформатор, но без увеличения крутящего момента), чтобы избежать необходимости использования ручного сцепления.
19391964: Первые гидравлические автоматики
General Motors Hydra Matic стала первой массово производимой автоматической коробкой передач после её представления в 1939 году (модельный год 1940). Предлагаясь в качестве опции для таких автомобилей, как Oldsmobile Series 60 и Cadillac Sixty Special, Hydra Matic сочетала в себе гидротрансформатор (жидкостную сцепку) с тремя гидравлически управляемыми планетарными рядами передач, обеспечивая четыре скорости вперед и одну заднюю. Коробка передач реагировала на положение дроссельной заслонки двигателя и скорость автомобиля, осуществляя полностью автоматическое переключение передач вверх и вниз в зависимости от условий эксплуатации. Особенностями Hydra Matic были широкий диапазон передаточных чисел (обеспечивающий как хорошее ускорение на первой передаче, так и экономичное крейсерское движение на высшей) и то, что гидротрансформатор передавал лишь часть крутящего момента двигателя на двух верхних передачах (повышая экономию топлива, подобно блокируемому гидротрансформатору). Использование Hydra Matic распространилось на другие марки General Motors, а затем, начиная с 1948 года, и на другие компании, включая Hudson, Lincoln, Kaiser, Nash, Holden (Австралия), а также Rolls Royce и Bentley, получившие лицензию на производство в Великобритании и поставлявшие трансмиссию компаниям Jensen Motors, Armstrong Siddeley и другим британским производителям. Во время Второй мировой войны Hydra Matic использовалась в некоторых военных транспортных средствах. Первой автоматической коробкой передач с гидротрансформатором (вместо жидкостной сцепки) стала Buick Dynaflow, представленная в 1948 году. В обычном режиме вождения Dynaflow использовала только высшую передачу, полагаясь на увеличение крутящего момента гидротрансформатором на низких скоростях. За Dynaflow последовали Packard Ultramatic в середине 1949 года и Chevrolet Powerglide для модельного года 1950 года. Каждая из этих трансмиссий имела только две скорости вперед, полагаясь на гидротрансформатор для дополнительного увеличения крутящего момента. В начале 1950-х годов компания BorgWarner разработала серию трехступенчатых автоматических коробок передач с гидротрансформатором для таких автопроизводителей, как American Motors, Ford и Studebaker. Компания Chrysler позже приступила к разработке собственной автоматической коробки передач, представив двухступенчатую PowerFlite с гидротрансформатором в 1953 году и трехступенчатую TorqueFlite в 1956 году. Последняя стала первой, в которой был использован составной планетарный ряд передач Симпсона. В 1956 году General Motors Hydra Matic (которая по-прежнему использовала жидкостную сцепку) была переработана с использованием двух жидкостных сцепок для более плавного переключения передач. Эта трансмиссия получила название Controlled Coupling Hydra Matic, или "Jetaway". Оригинальная Hydra Matic оставалась в производстве на GM до середины 1960-х годов, а лицензированная автоматическая коробка передач Rolls Royce продолжала выпускаться до 1978 года на Rolls Royce Phantom VI. В 1964 году General Motors представила новую трансмиссию – Turbo Hydramatic, трехступенчатую коробку передач с гидротрансформатором. Turbo Hydramatic была одной из первых, предлагавших стандартные режимы выбора передач (парковка, задний ход, нейтраль, движение, пониженная), которые стали стандартом на протяжении нескольких десятилетий.
1965 - настоящее время: увеличение количества соотношений и электроника
К концу 1960-х годов большинство гидромуфт, двух- и четырехступенчатых трансмиссий исчезло, уступив место трехступенчатым агрегатам с гидротрансформаторами. Примерно в это же время китовое масло было исключено из состава жидкости автоматической коробки передач. В 1980-х годах автоматические коробки передач с четырьмя передачами стали все более распространенными, и многие из них оснащались блокировкой гидротрансформатора для повышения экономичности. Электроника начала все чаще использоваться для управления трансмиссией, заменяя механические методы управления, такие как пружинные клапаны в гидроблоке. Большинство систем используют соленоиды, которые управляются либо блоком управления двигателем, либо отдельным блоком управления трансмиссией. Это обеспечивает более точное управление точками переключения, качеством переключения, сокращение времени переключения и возможность ручного управления. Первой пятиступенчатой автоматической коробкой передач стала ZF 5HP18, представленная в 1991 году на различных моделях BMW. Первой шестиступенчатой автоматической коробкой передач стала ZF 6HP26, дебютировавшая в 2002 году на BMW 7 серии (E65). Первой семиступенчатой автоматической коробкой передач стала Mercedes Benz 7G Tronic, представленная годом позже. В 2007 году первой восьмиступенчатой трансмиссией, достигшей серийного производства, стала Toyota AA80E. Первыми девяти- и десятиступенчатыми трансмиссиями стали ZF 9HP 2013 года и Toyota Direct Shift 10A 2017 года (используемая в Lexus LC) соответственно.
Выборщики передач
Выборчик передач – это элемент управления, с помощью которого водитель выбирает режим работы автоматической коробки передач. Традиционно селектор передач расположен между двумя передними сиденьями или на рулевой колонке, однако с 1980-х годов также иногда стали использоваться электронные поворотные переключатели и кнопки, а также кнопки, которые применялись в 1950-х и 1960-х годах в автомобилях Rambler, Edsel и, наиболее известным примером, Chrysler. В некоторых автомобилях использовался рычаг на приборной панели, например, в автомобилях Chrysler Corporation 1955 года выпуска, и, в частности, в Corvair.
Ручное управление
С 1990-х годов системы для ручного выбора конкретной передачи или переключения вверх/вниз стали более распространенными. Эти коробки передач с ручным управлением (мануматик) предоставляют водителю больший контроль над выбором передачи, чем традиционные режимы, ограничивающие работу трансмиссии более низкими передачами. Управление функциями мануматика обычно осуществляется либо с помощью лепестковых переключателей рядом с рулевой колонкой, либо с помощью кнопок "+" и "-" на селекторе передач. Некоторые автомобили предлагают водителям оба способа для ручного выбора передачи.
Непрерывно изменяемая трансмиссия (CVT)
Непрерывно изменяемая трансмиссия (CVT) может плавно переключаться по непрерывному (бесконечному) диапазону передаточных чисел, в отличие от других автоматических трансмиссий, которые предлагают ограниченное число передач с фиксированными шагами. Благодаря гибкости и соответствующему управлению, CVT может поддерживать постоянную угловую скорость двигателя при изменении скорости транспортного средства. CVT применяются в автомобилях, тракторах, вездеходах (UTV), мотороллерах, снегоходах и землеройной технике. Наиболее распространенный тип CVT использует два шкива, соединенных ремнем или цепью, однако существуют и другие конструкции.
Двухсцепная трансмиссия (DCT)
Двухсцепная коробка передач (DCT, иногда называемая коробкой передач с двойным сцеплением или коробкой передач с двойным сцеплением) использует два отдельных сцепления для нечётных и чётных передач. Конструкция часто аналогична двум отдельным механическим коробкам передач с соответствующими сцеплениями, объединёнными в одном корпусе и работающими как единое целое. В большинстве автомобилей и грузовиков DCT функционирует как автоматическая коробка передач, не требуя от водителя каких-либо действий для переключения передач. Первой серийной DCT стала автоматическая коробка передач Easidrive, представленная в 1961 году на автомобиле среднего класса Hillman Minx. За ней последовали различные восточноевропейские тракторы в 1970-х годах (с ручным управлением через одну педаль сцепления), а затем гоночный автомобиль Porsche 962 C в 1985 году. Первая DCT в современной интерпретации была использована в Volkswagen Golf R32 в 2003 году. С конца 2000-х годов DCT получили широкое распространение и вытеснили гидравлические автоматические коробки передач во многих моделях автомобилей.
Автоматическая ручная коробка передач (AMT)
Автоматическая механическая коробка передач (AMT), иногда называемая механической коробкой передач без сцепления, представляет собой тип многоскоростной автомобильной трансмиссии, тесно основанный на механической конструкции обычной механической коробки передач, который автоматизирует либо систему сцепления, либо переключение передач, либо и то, и другое одновременно, требуя частичного или полного отсутствия участия водителя. Ранние версии этих трансмиссий, работающие в полуавтоматическом режиме, такие как Autostick, автоматически управляют только системой сцепления и используют различные виды приводов (обычно через актуатор или сервопривод) для автоматизации сцепления, но всё ещё требуют от водителя ввода данных и полного контроля для ручного переключения передач. Современные версии этих систем, работающие в полностью автоматическом режиме, такие как Selespeed и Easytronic, не требуют участия водителя при переключении передач или работе сцеплением. Полуавтоматические версии требуют лишь частичного участия водителя (то есть водитель должен вручную переключать передачи), в то время как полностью автоматические версии не требуют никакого ручного управления со стороны водителя (TCU или ECU автоматически управляют системой сцепления и переключением передач). Современные автоматические механические коробки передач (AMT) берут своё начало от более ранних механических коробок передач без сцепления, которые начали появляться на серийных автомобилях в начале 1930-х и 1940-х годов, до появления гидравлических автоматических трансмиссий. Эти системы были разработаны для уменьшения нагрузки на сцепление и рычаг переключения передач для водителя. Эти устройства предназначались для упрощения управления обычными несинхронизированными механическими коробками передач ("коробками с грубым переключением"), которые широко использовались в то время, особенно при частых остановках и трогании с места. Ранним примером такой трансмиссии стала система Drive Master, представленная вместе с Hudson Commodore в 1942 году. Это была ранняя полуавтоматическая коробка передач, основанная на конструкции обычной механической коробки передач, которая использовала сервоуправляемую вакуумную систему сцепления с тремя различными режимами переключения передач, выбираемыми нажатием кнопки: ручное переключение передач и ручное управление сцеплением (полностью ручной режим), ручное переключение передач с автоматическим управлением сцеплением (полуавтоматический режим) и автоматическое переключение передач с автоматическим управлением сцеплением (полностью автоматический режим). Другим ранним примером этой системы трансмиссии стала 4-ступенчатая коробка передач BVH, представленная в Citroën DS в 1955 году. Эта полуавтоматическая трансмиссия использовала автоматическое сцепление, приводимое в действие гидравликой. Выбор передач также осуществлялся с помощью гидравлики, однако передаточное число необходимо было выбирать вручную водителем. В США эта система получила прозвище Citro Matic.
Первые современные AMT были представлены компаниями BMW и Ferrari в 1997 году с их трансмиссиями SMG и F1 соответственно. Обе системы использовали гидравлические приводы, электрические соленоиды и специальный блок управления трансмиссией (TCU) для управления сцеплением и переключением передач, а также подрулевые переключатели для ручного переключения передач, если водитель хотел это сделать. Современные полностью автоматические AMT, такие как Selespeed и Easytronic, в значительной степени уступили место всё более распространенной конструкции трансмиссии с двойным сцеплением.