Създаването и еволюцията на автоматичната трансмисия (Част II: историята и бъдещето на автомобилните трансмисии)

27 Dec 2024

Класическата автоматична предавателна кутия с преобразувател на въртящия момент и поредица от планетарни механизми се появява в края на 40-те години и въпреки огромната конкуренция и днес продължава да бъде най-комфортният тип подобно задвижване. Развитието й показва, че тя няма никакво намерение да слиза от сцената, но и историята на нейното създаване също е изключително интересна.

(продължение)

През 70-те години на ХХ век масово започват да навлизат автомобилите с предно предаване и напречно разположен двигател, а това налага да се измени цялостната архитектура на задвижването и конструкцията на предавателните кутии. Типичните трансмисии с три вала при класическото задвижване стават двувалови, но скоро това решение се сблъсква с нови проблеми, защото разположените съосно с двигателя скоростни кутии са с ограничени възможности за увеличаване на дължината с нарастване на броя на предавките. При предишните надлъжни трансмисии с входящ, междинен и вторичен вал удължаването никога не е било съществен проблем. На помощ отново идват конструкциите с три вала – каквото е първото подобно решение на Volvo 850 с петцилиндров напречно разположен двигател. В този случай обаче идеята е различна, като всеки от валовете обслужва по две предавки, осигурявайки възможност дължината да се намали за сметка на широчината. В някои от случаите конструкторите на трансмисии пък преминават към разполагане на предавателната кутия пред или зад двигателя, като по този начин оста й е успоредна на оста на коляновия вал.

Седемдесетте години донасят и повсеместната синхронизация на зъбните предавки и към края на десетилетието практически всички автомобили в Европа вече разполагат с напълно синхронизирани скоростни кутии.

Експериментите на пионерите

През целия период на съществуване на автомобила обаче конструкторите не се отказват от мисълта да създадат механизъм, който да улесни водача при шофирането, особено в условията на все по-интензивния градски трафик. Подобни опити датират още от 1903 година, когато фирмата Barber конструира „прогресивно променлива скоростна кутия“ и я монтира на автомобил Hutton. Още през същата година компанията Fouillaron създава предтечата на съвременната CVT трансмисия, използваща конусни ролки и ремък. Приема се, че първата серийна кола с автоматична трансмисия е произведеният в Бостън Sturtevant, при който превключването между отделните зъбни предавки се извършва от центробежно устройство. Фрикционното предаване, с което преди години разполагаха някои модели като Gloria и Cedric на Nissan, е използвано още през 1911 година, а през 1916-а Pullman и германците от ZF превключват предавките електромеханично. Да не забравяме и споменатата в първата част на този разказ филигранна електромеханична система на Cord с допълнението, че при нея водачът превключва сам предавките.

Ако оставим настрана първооткривателската екзотика обаче, трябва да признаем, че първата автоматична скоростна кутия като основа за вида, в който я познаваме и днес, е дело на инженерите на GM. Като цяло процесът на създаването на автоматика може да бъде разделен на две части заради двата основни компонента в конструкцията. Като начало е нужна предавателна кутия, която в определен момент сама може да преминава от една предавка на друга. След това трябва да съществува и някаква форма на автоматичен съединител, който да позволи на автомобила да тръгва и спира, така че на водача да не му се налага да превключва предавки или да натиска педал при потегляне. Както видяхме, в началото мислите на изобретателите са насочени към създаване на хитроумен механизъм, който да дублира действията на водача при превключването на предавките. До края на 30-те години обаче не съществуват технологични възможности за определяне на управляващите параметри, като оборотите, натоварването, положението на дроселовата клапа и т.н.

Раждането на класическата автоматична трансмисия

След множество технически главоблъсканици конструкторите достигат до два много важни извода, които се превръщат в основа на днешната класическа предавателна кутия – първият е, че потеглянето трябва да става с хидрокинетично устройство (днешния преобразувател на въртящия момент или турботрансформатор). Вторият – предаването на въртящия момент да се осъществява с помощта на специфичен механизъм или група от такива, при които превключването може да става без преместване на зъбни колела или синхронизатори, а с помощта на управление на отделни звена и без прекъсване на потока от въртящ момент. Постепенно погледът на специалистите се спира на планетарния механизъм, при който различните предавки могат да се реализират с блокиране на отделни звена (с фрикционни съединители или лентови елементи). Както ще видим по-късно обаче, по-простите хидравлични механизми с помпа и турбина (хидравлични муфи) се различават от класическия за автоматичните трансмисии преобразувател на въртящия момент, който има способността да увеличава последния – идеално качество при потегляне на автомобила. Може би тук ще представлява интерес и фактът, че и двете устройства водят началото си от конструкции, използвани в мореплаването, патентовани още през 1905 година от д-р Херман Фьотингер, главен инженер на компанията Vulcan Werke und Sttetin AG – голям производител на кораби и локомотиви в Германия до края на Втората световна война.

Хидромуфа и хидравличен преобразувател на въртящия момент се използват при задвижването на корабен винт – като този на германския кораб Rheinland.

Преобразувателят на въртящия момент е създаден първоначално като устройство, чиято роля е да намали оборотите и да увеличи въртящия момент като предавателно звено между парната турбина и задвижващия корабния винт вал. Няколко години по-късно, с усъвършенстването на дизеловия двигател и все по-честото му използване за задвижване на кораби, опростената форма на преобразувателя на въртящия момент – хидромуфата – намира успешно приложение като начин за предаване на въртящ момент със съпътстващо потискане на усукващите вибрации. Първият конструктор обаче, който вижда потенциал за това устройство в автомобилите, е предприемчивият британски инженер Харолд Синклер. Като пътник в лондонските автобуси през 20-те години Синклер наблюдава колко често (и понякога доста драматично) водачите превключват предавките, а това сериозно натоварва както тях, така и трансмисията. Той смята, че този процес може доста да бъде облекчен, ако се използва някакъв тип хидравлично устройство вместо фрикционен съединител. Синклер представя идеята си на британската фирма Daimler Motor Company, която я приема радушно и я доразвива. През 1930 година компанията представя новаторска трансмисия, използваща хидравлична система от помпа и турбина, съчетана с постоянно зацепен планетарен механизъм, превключван чрез блокирането на отделни звена със спирачни ленти. В по-късни решения на системата на Daimler се използват както хидравлични муфи, така и фрикционни съединители в съчетание с конвенционална предавателна кутия, при която хидравличната връзка осигурява плавно потегляне, а фрикционният съединител се използва за прекъсване на тягата при превключване на предавките. Трансмисията на модела им Light Double Six пък вдъхновява конструктора от GM и създател на синхронизатора Ърл Томсън да проектира първата автоматична трансмисия.

Технологичното решение на екзотичния британски Daimler Double Six от 30-те амбицира инженерите на GM за конструирането на Hydra-Matic.

Така се ражда първата предавателна кутия, използваща хидравлична система от помпа и турбина (но все още не и преобразувател), която е дело на General Motors и е наречена Hydra-Matic. Приложена за първи път през 1939 година от подразделението Oldsmobile, тази система включва епициклична (планетарна) трансмисия, а промените в предавателните отношения се извършват автоматично чрез хидравлична контролна система, действаща на дискови съединители и лентови спирачни механизми. Смисълът от използването на хидравлично устройство (така наречената флуидна връзка) е в липсата на директна механична връзка между елементите. То намалява значително усукващите вибрации между двигателя и силовото предаване, като осигурява плавно потегляне (особено ценно при наличие на наклон). В системата липсват пряка механична връзка на силовото предаване с двигателя и съответното отцепване, поради което трябва постоянно да се предава въртящ момент. По тази причина тя не може да се използва при трансмисия с класически зъбни двойки, освен ако за целта не се използва отделен съединител. Обратното предаване на въртящ момент от своя страна е невъзможно, тоест двигателят не може да бъде източник на спирачен въртящ момент.

Първата класическа автоматична трансмисия, Hydra-Matic на General Motors от 1939 година все още не е с преобразувател на въртящия момент (той ще появи почти десет години по-късно). GM тества технологията първо в Oldsmobile за да се увери в надеждността и, преди да я въведе и в Cadillac. По времена на войната тя се прилага и при верижни машини.

По същото време по което Daimler въвежда хидросистемата в своите леки автомобили и автобуси, шведският инженер А. Лисхолм (същият, който създава компресора Lysholm, конкурент на Roots) от Ljungstrom Steam Turbine Co. конструира малък преобразувател на въртящия момент, подходящ за леки автомобили. Това устройство вече може да увеличава въртящия момент до пет пъти при потегляне, с максимална ефективност от 80 процента. То от своя страна е доразработено като лиценз от компанията Leyland Motors в Англия, която през 1933 година започва да произвежда такава система за приложение в автобуси и релсови транспортни средства. Комфортът, който осигурява, обаче е съпроводен със значително увеличен разход на гориво. През Втората световна война са разработени различни варианти на преобразуватели на въртящия момент за американските военни машини, сред които танковият разрушител, произвеждан от Buick, където преобразувателят е съчетан с тристепенна планетарна трансмисия. Няма съмнение, че именно опитът с тези машини позволява на Buick да представи на света през 1948 година първата напълно автоматична трансмисия за лек автомобил, оборудвана с преобразувател на въртящия момент. Подобна е еволюцията на технологията и при Oldsmobile и Cadillac, в рамките общата им обвързаност в General Morors.

Няма как да стане без планетарен механизъм

Що се касае до планетарните механизми, то историята показва, че още в ранните години на развитието на класическите трансмисии с плъзгащи се по шлици зъбни колела съществуват пионерни решения, като тези на д-р Ф.У. Ланчестър в Англия и Хенри Форд в Америка, целящи улесняването на водача при работа с трансмисията. Преимуществото им е, че при тях всички зъбни колела са постоянно свързани и зацепени и могат да се управляват с блокиращ механизъм, като бандажна лента. Планетарният механизъм има и предимството, че при директна предавка не се извършва никакво зацепване и триене на зъбни колела. Може би най-добре известният случай на използване на такава трансмисия в автомобилната история е Ford Model T. Неговата доста примитивна епициклична предавателна кутия е пример и за гениално опростяване на конструкцията, като контактуващите ленти на фрикционните спирачки се задействат чрез педали, няма лост за превключване на предавките, а неутрална се включва чрез прилагане на ръчната спирачка. Постепенно интересът към този вид трансмисии замира, в немалка степен защото се появяват синхронизираните предавки, но в Англия конструкторите продължават сериозно да работят по темата.

Ford Model T е пример за реализация на механична кутия с планетарни механизми.

Така през 1927 година се ражда четиристепенната епициклична предавателна кутия Wilson, кръстена на създателя си майор У.Г. Уилсън, който е бивш военен инженер. Тя осигурява на водача възможността да избира предварително желаната предавка чрез изместване на монтиран в кормилната колонка лост, след което последната може да бъде включена с просто натискане и освобождаване на нещо като еквивалент на педала на съединителя. Това устройство става известно като Wilson pre-selective self changing gearbox (трансмисия с предварителен избор на съответната предавка) и се комбинира главно с хидравлична муфа. Този вид трансмисия не се използва за леки автомобили от много години, но в модернизиран вариант влиза в употреба при автобуси, където често се налага превключване.

Успешното прилагане на епицикличната трансмисия Wilson в съчетание с хидравлична муфа също ще се окаже по-късно в полезрението на конструкторите на General Motors. Това, по което модерните трансмисии си приличат с решението на GM, е цялостната идея, а разликите се състоят в по-оптималното подреждане и интелигентното задействане на планетарните механизми, както, разбира се, и в управлението им. Тук е интересно да се отбележи, че в началото на 80-те години фирмата с екзотично наименование British Company of Self-Changing Gears Ltd. представя напълно автоматична петстепенна трансмисия за европейски и американски автобуси, базирана на оригиналната трансмисия Wilson, но с електромеханичен контрол.

Както споменахме, принципното качество на планетарния механизъм, което го прави толкова подходящ за приложение в автоматични трансмисии, е възможността за промяна на предавателното число без прекъсване на тягата, защото постоянно зацепените механизми се задействат от фрикционни елементи. Автоматичната трансмисия може да бъде по-компактна от стандартната при същия предаван въртящ момент, защото елементите се въртят около обща ос и има по-голям брой зъби, които поемат натоварването. Самата конструкция пък позволява по-добро балансиране на силите и по-тиха работа.

Американската одисея с автоматиците

Всичко гореописано толкова се харесва на американците, че през 50-те години те започват масово да оборудват и без това лакомите си автомобили в автоматични трансмисии. Версията на Buick се нарича Dynaflow, при Chevrolet тя е Powerglide, а конкурентът Chrysler кръщава своята Torqueflite. Всъщност множество имена на един и същ механизъм. Парадоксално е, че докато първият Hydra-Matic има четири предавки, при по-късните разработки на въпросните трансмисии броят им започва да намалява.

Първоначално европейските производители и клиенти не са толкова радушни. Автоматиците от това време са тежки и неефективни, все още не се използва съединител за изключване на преобразувателя, двигателят ненужно се форсира и разходът е огромен. И докато големите петлитрови мотори някак се справят с част от тези недостатъци, американските агрегати напълно ампутират мощта на малките европейски мотори. С подобни проблеми се сблъскват например конструкторите на Vauxhall Victor чийто 1,6-литров двигател с двустепенен автоматик Powerglide се нуждае от цяла вечност при ускоряване. Нещата започват да се променят едва когато в играта се включва и ZF, който оборудва със своята първа автоматична трансмисия 3 HP Peugeot 504 и BMW 2000 CS.

Първата автоматична трансмисия 3 HP на ZF е монтирана на авангардния Peugeot 504 и на купето BMW 2000 CS

Оттогава до днес измина много време, но планетарните трансмисии запазиха първенството си като най-комфортен начин на автоматично превключване на предавките въпреки появите на предавателните кутии с два съединителя. Те се сдобиха със съединител, блокиращ преобразувателя на въртящия момент, в конструкцията им се включиха по-сложни планетарни устройства като двойния Ravigneaux механизъм (подобен вариант има още в първата автоматична трансмисия на ZF), много по-бързи, сложни, надеждни и ефективни станаха блокиращите механизми и маслата, броят на предавките достигна 10 (като стандарт 8) с огромен диапазон от предавателни числа, а управлението междувременно стана електронно е и все по-интелигентно. Ефективността име е близка до тази на механичните, а благодарение на големия брой предавки и въпросното управление те осигуряват възможност за широк диапазон от възможности за спортно и икономично управление, както и ръчно управление.

За техническата същност, конструкцията, работата и развитието на тези трансмисии, както и за конкурентите им с два съединителя, автоматизираните механични и CVT трансмисиите обаче ще разкажем в следващата част на тази поредица.

(следва)

Текст: Георги Колев