Вскоре после создания первых автомобилей возникло желание автоматизировать управление ими путем создания автоматических коробок передач.
Эта сложная техническая проблема решалась самыми различными способами. Существует множество конструкций полностью автоматических или частично автоматизированных коробок передач. В этих конструкциях используются различные принципы преобразования работы автомобильного двигателя в тяговое усилие на колесах автомобиля. В качестве механизмов реализации такого преобразования используются фрикционные и ременные вариаторы, муфты свободного хода, цепные устройства и т.д. В этой статье мы остановимся на истории гидравлических автоматических трансмиссий.
Первые опыты по применению на автомобилях гидравлических передач объемного типа делались более 100 лет назад (имеются немецкие патенты 1897 г.). В конце 19-го века на первой автомобильной выставке в Берлине демонстрировался автомобиль с объемной гидравлической передачей системы Питлер. В 1919 г. был построен и испытан автомобиль с объемной гидропередачей системы Ленца. Примером объемной гидропередачи может служить система, использующая поршеньковые насос и мотор (рис.1).
Объемные гидропередачи не получили распространения на автомобилях из-за дороговизны, сложности изготовления, жесткости характеристик, большого нагрева систем. Не получили сколько-нибудь заметного распространения и другие упомянутые выше конструкции, основанные на других принципах.
Широкое распространение получили лишь гидромеханические передачи, состоящие из гидродинамического трансформатора, механических передач и системы управления. На долю таких передач приходится более 95% всех выпускаемых в мире автомобильных автоматических трансмиссий, которые чаще всего называются автоматическими коробками передач.
Итак, гидродинамический трансформатор.
Идея и конструкция гидродинамического трансформатора (ГДТ) - принципиально нового механизма, сделавшего возможным создание гидромеханических передач (ГМП) ныне применяемых типов, пришла в автомобилестроение из судостроения.
В конце 19 века в морском флоте в качестве корабельного двигателя стали применять быстроходные паровые турбины вместо прежних тихоходных паровых машин. Паровые машины соединялись с гребными винтами судов напрямую. Оборотность гребных винтов увеличить не удавалось, и для соединения их с более высокооборотными паровыми турбинами требовался дополнительный механизм.
Высокооборотные шестеренные передачи большой мощности тогда делать не умели. Высказывалось предложение использовать гидравлические лопастные машины, чтобы двигатель вращал колесо лопастного насоса, и работа двигателя переходила в энергию жидкости, прокачиваемой насосом. Далее эта жидкость направляется в лопастную турбину, в которой энергия жидкости преобразуется в механическую энергию, используемую для вращения гребного винта.
В лопастном насосе (рис.2) основными деталями являются подвод 1, лопастное колесо 2 и отвод 3. По подводу жидкость подается от всасывающего трубопровода к лопастному колесу. Из отвода жидкость через диффузор 4 поступает в напорный трубопровод. В лопастном колесе жидкость движется от центра к периферии, поэтому колесо (и весь насос) называют центробежным. Уплотнение 5 предотвращает наружные утечки.
В гидравлической турбине (рис.3) жидкость поступает в спиральную камеру 1 и лопастное колесо 3 с верхнего бьефа ВБ. Отдавая энергию, жидкость приводит во вращение вал 4. Перед колесом установлен направляющий аппарат 2. Жидкость в колесе движется от периферии к центру (центростремительное колесо). Пройдя колесо, жидкость через отсасывающую трубу 5 сливается в нижний бьеф НБ.
Соединение насоса и турбины трубопроводами как раз и образует гидродинамическую передачу (рис.4). Такая передача теоретически возможна, но она не имеет практического смысла из-за чрезвычайно низкого КПД. В начале 20-го века, когда обсуждалась такая возможность, лучшие насосы на лучших режимах работы имели КПД около 65%, а лучшие турбины около 80%. Поэтому общий КПД гидродинамической передачи такого вида даже на наилучших режимах работы не превысил бы 50%, что совершенно неприемлемо.
Выходом явилось изобретение немецким профессором Г.Фетингером новой гидравлической машины, объединяющей в одном корпусе все лопастные колеса гидродинамической передачи - насос, турбину, направляющий аппарат (реактор) (рис.5). В такой машине, запатентованной в 1902 г, исключены потери энергии в трубопроводах, спиральных камерах, подводах и отводах, что почти вдвое увеличило КПД конструкции. В первой же осуществленной конструкции в 1908 г. был получен КПД 83%.
Направляющий аппарат ГДТ (чаще называемый реактором) соединен с неподвижным корпусом и участвует в динамическом взаимодействии с потоком жидкости, изменяя его направление. При этом взаимодействии на реакторе возникает крутящий момент, благодаря чему момент на выходном валу не равен моменту на входном валу, т.е. происходит трансформация крутящего момента. Если реактора нет, то трансформации крутящего момента не происходит и крутящие моменты на насосном и турбинном колесах равны.
Гидродинамическая передача без реактора также была запатентована Г.Фетингером и получила название гидродинамической муфты (ГМ) - рис.6.
Как гидротрансформатор, так и гидромуфта, передают мощность при отсутствии жесткого соединения входного и выходного валов, благодаря чему двигатель и приводимая машина защищены от вредных динамических перегрузок. Это продлевает срок службы машин. Возможность бесступенчатого и плавного изменения частоты вращения выходного вала позволяет гидродинамическим передачам выполнять функцию редуктора, что и побудило к использованию гидромеханических передач (ГМП) на автомобилях.
Успеху в применении ГМП на автомобилях способствовала возможность автоматического перехода гидротрансформатора в режим гидромуфты. Это достигается установкой реактора ГДТ на муфте свободного хода. Когда коэффициент трансформации становится равным единице, направление потока на входе в реактор совпадает с направлением потока на выходе из него, крутящий момент на колесе реактора меняет свой знак и реактор начинает свободно вращаться в потоке рабочей жидкости - гидротрансформатор превратился в гидромуфту, имеющую значительно более высокий КПД (до 98%). Такие ГДТ получили название комплексных. Первым таким ГДТ (начало 30-х годов) был ГДТ Трилок (рис.7.), использовавший потом в ряде конструкций ГМП.
Первая автомобильная ГМП системы инж. Ризеллера (1925 г.) представляла собой ГДТ в комплекте с планетарной механической коробкой передач (рис.8) и была установлена на автомобиль Бюик с двигателем мощностью 60 л.с. (рис.9). Турбина ГДТ в этой конструкции состоит из двух рабочих колес 2 и 4. Схема допускает переход на режим гидромуфты и блокировку ГДТ (механизм блокировки на схеме не показан).
 |
 |
 |
| Рисунок 7 | Рисунок 8 | Рисунок9 |
Приведенные схемы автомобильных ГМП предполагают использование после гидротрансформатора нескольких механических передач, так как у гидротрансформатора коэффициент трансформации недостаточен для эффективного обеспечения всех режимов движения автомобиля. Для устранения этого недостатка проделывалась большая работа, создавались гидротрансформаторы с большим коэффициентом трансформации, при котором автомобиль мог бы разгоняться только на гидротрансформаторе (без переключений передач) и дальше ехать на прямой механической передаче также без переключений передач. Такие конструкции применялись несколько десятилетий, но для современных ГМП характерно применение в механической части нескольких передач.
Толчком к развитию работ по ГМП для легковых автомобилей в США послужила рекламная компания выдающегося американского автомобильного конструктора Таккера, объявившего в 1947 г. о создании им перспективного автомобиля "Таккер-48" с ГМП. Таккеру удалось изготовить только 50 автомобилей с ГМП на базе автомобилей Бьюик. Далее инициативу перехватили крупные автомобильные корпорации и фирмы. Первым массовым легковым автомобилем с ГМП был автомобиль Бьюик 70 Родмастер. Выпуск его начался в 1947 г. Он был оборудован гидропередачей "Дайнафлоу" и имел комплексный одноступенчатый пяти-колесный ГДТ (насос Н1, турбина Т, два реактора Р1 и Р2, вспомогательный насос Н2). Вспомогательный насос Н2, установленный на муфте свободного хода на ступице основного насоса Н1, в начале движения автомобиля свободно вращается на муфте свободного хода, улучшая условия входа рабочей жидкости на лопатки основного насоса Н1. При дальнейшем разгоне муфта заклинивается и оба насоса вращаются как единое целое. Предполагалось, что это расширит зону высокого КПД.
В ГМП «Дайнафлоу» было две механических ступени, но по сути дела она являлась одноступенчатой, так в основном работала на прямой передаче в механической части. Имевшаяся в ГМП понижающая передача включалась водителем только в случае необходимости вручную (могла включаться и на ходу). Дальнейшего распространения такие ГМП не получили.
Вместо них стали создаваться и совершенствоваться ГМП с автоматическим переключением передач. В настоящее время только такие конструкции считаются современными и называются автоматическими коробками передач. Первые автоматические коробки передач были двухступенчатыми. По мере повышения требований к динамическим свойствам автомобилей и по мере совершенствования конструкций ГМП (в том числе и ГДТ) число ступеней стало увеличиваться до трех, затем до четырех. Имеются конструкции с пятью, шестью и более ступенями. ГМП производят почти все крупные фирмы - изготовители автомобилей и большое число фирм, специализировавшихся на производстве автомобильных трансмиссий.
А с материалом об устройстве таких КПП можно ознакомиться в нашем разделе «Технический ликбез».
