Трудният път към съвършената скоростна кутия: производители и технологии (Част III: Историята и бъдещето на автомобилните трансмисии)

31 Jan 2025

Днес светът на предавателните кутии е по-многообразен от всякога, а автомобилните компании и доставчиците са обвързани със сложни взаимоотношения и споразумения, водещи до създаването на изключително високотехнологични продукти – от малките CVT трансмисии до съвършени в своята хармония автоматични предавателни кутии.

Разговорите около автомобилите и представянията на модели в по-голямата си част се въртят около двигателя, а с навлизането на електрическите автомобили и около батерията, насочвайки се често към плоскостта на електричеството и химията. Въпреки огромното си значение трансмисиите все остават някак на заден план. А с навлизането на електрическите автомобили конструкциите им изключително се опростиха. Въпреки че различни компании като Bosch и ZF разработват трансмисии за електрически автомобили, с много малко изключения при тях електрическите мотори предават въртящия момент през едностепенна трансмисия. Фокусът в много по-голяма част е върху създаването на електрически машини, които да са ефективни в широк диапазон от обороти и натоварване. На практика шофирането на електрически автомобил е все едно да шофирате такъв със задвижване от двигател с вътрешно горене само на първа предавка. Електрическият мотор не работи на празен ход и има голям въртящ момент още от нулеви обороти, така че отпада нуждата и от съединител или преобразувател на въртящия момент. В рубриката „Анатомията на автомобила“ можете да откриете подробности както за видовете модерни електрическите мотори и техните зони на ефективност, така и за необходимостта от трансмисия („Кривата на максималното удоволствие“) при двигателите с вътрешно горене. Простата конструкция на трансмисията позволява на производителите на автомобили да ги произвеждат сами като обща композиция с електрическия мотор и управляващата силова електроника, както и на доставчици да създават задвижващи модули включващи електрически мотор, едностепенна трансмисия и диференциал, както и силова електроника. Това е съвсем различна парадигма на фона на иначе – както ще видим по-долу – сложния свят от взаимоотношения между автомобилни производители и доставчици на трансмисии, който пък се усложни още повече с въвеждането на различни видове хибридни задвижвания.

Предавателните кутии при електрическите автомобили всъщност са с доста по-проста механика и обикновено се произвеждат в комплект със електромотора и силовата електроника.

Автоматична трансмисия в най-различни формати

През петдесетте години на миналия век нещата при трансмисиите като че ли започват да придобиват кристално ясни очертания – за американците автоматичната предавателна кутия вече е от първостепенно значение, а за европейците приоритет си остава механичната скоростна кутия. Но същото твърдение може да бъде отнесено и към шейсетте години – не бива да забравяме, че масовата „моторизация“ на Европа (Западна) започва именно тогава, защото 50-те все още са години на възстановяването от руините на войната.

Първата самостоятелно разработена трансмисия на Mercedes-Benz се появява през 1961 година и все още не е с преобразувател на въртящия момент.

Историята показва, че и през 60-те и дори 70-те години картината принципно не е особено различна, макар че в Европа тук-там започват да се появяват автоматици в по-луксозните автомобили. Едва през 80-те години навлизането на електронното управление започва да променя картината в полза на автоматичните трансмисии и на Стария континент. Но дори през 2000 година, когато делът на автоматиците при новите автомобили в САЩ достига 90, а в Япония е 80 процента, едва 15 процента от европейците избират подобно решение. Разбира се, не бива да подценяваме и психологическия елемент, намерил израз в желанието на хората в Европа да превключват сами предавките. По това време автоматичните трансмисии все още са преобладаващо 4- и 5-степенни – едва през 2002 година „Фабриката за зъбни колела“ ZF представя първото поколение на своята шестстепенна трансмисия ZF 6HP, а седем години по-късно и първото поколение на осемстепенната ZF 8HP. Последната се превръща в истинска революция не само с броя на предавките, но и с перфектния комфорт на работа, който благодарение на инженерите от BMW и извършеното от тях прецизно интегриране на автоматика в Серия 7 е доведен до съвършенство.

Последните две десетилетия са наистина период на невероятни промени, защото в началото им ZF продължава да доставя 4HP за Peugeot 407 и 5HP за VW и Skoda. На практика за 23 години делът на автоматичните трансмисии в световен мащаб нараства стремително, за да достигне в Европа 68 процента през 2024 г., а в Съедините Щати вече е рядкост да видите автомобил с механична трансмисия. Въпреки нарастването на броя на предавките размерите и теглото на агрегатите намаляват и вече за всекиго има по нещо. Дори малки автомобили се сдобиват с трансмисии с два съединителя, Mercedes и ZF предлагат деветстепенни агрегати в серийни модели, в резултат от съвместната развойна работа на GM и Ford бе създадена 10-степенна трансмисия, чийто основи бяха положени преди сливането на PSA и FCA за да се противопоставят в Америка на Chrysler, който междувременно произвеждаше лицензна версия на ZF 8HP. По силата на същата лицензна договореност моделите на Fiat и Jeep се оборудваха с 9-степенната ZF 9HP. Докато еволюцията на механичните трансмисии се движи към усъвършенстване на зъбните механизми, олекотяване и прецизиране на превключването на предавките, доведено при някои автомобили до такова съвършенство, че лишаването от него би било непрежалима загуба, то при автоматиците вече има огромен избор от възможности. Ако в Европа компаниите предлагат широко разнообразие от решения, включващо класически автоматични предавателни кутии с преобразувател на въртящия момент, в повечето случаи с брой на предавките 8 и трансмисии с два съединителя DSG, CVT най-вече са свързани с японските производители (където делът на този вид предавателни кутии е най-висок) и DSG. В Азиатско-тихоокеанския район и специално Индия, както и в Южна Америка висок си остава делът на механичните предавателни кутии и, за разлика от Европа, там често могат да се срещнат автоматизирани механични трансмисии, които се произвеждат от местните производители и клонове на големите компании.

При хибридните задвижвания с електрически мотори с по-малка мощност преобразувателят на въртящия момент се запазва. При Plug-in хибридните композицията от двата (електромотор и преобразувател) е изцяло заменена от електромотор.

При това новите агрегати в никакъв случай не са по-тежки или обемни от предшествениците си – ако 5-степенатата автоматична трансмисия на Mercedes от 2004 година се нуждае от четири планетарни механизъма и седем блокиращи устройства, то благодарение на интелигентната архитектура 9G-Tronic се справя също с четири планетарни механизъма, но с шест съединителя в ролята на блокиращи елементи. Дори моделите от компактния клас вече преминават към трансмисии с по-голям брой предавки. Представата за автомобила с автоматична трансмисия, която кара двигателя да се форсира неприятно и създава странно синтетично усещане, вече е преминала изцяло в аналите на историята.

Сложен свята на съюзи и споразумения

Mercedes е по-скоро сред изключенията като автомобилен производител, който сам разработва и произвежда трансмисиите си. Подобни на него са Mazda, както и Hyundai/Kia с тяхната дъщерна компания Transys, но на практика повечето автомобилни фирми в голяма степен са преплетени в сложни взаимоотношения и съвместни предприятия, както помежду си, така и с доставчиците на предавателни кутии като ZF и Aisin. При това дори гореспоменатите марки имат изключения. За версиите Plug-in 9G-Tronic на Mercedes е с електрически мотор вместо преобразувател на въртящия момент, но както при ZF съществува версия на 9G-Tronic за хибридни модели с 48 волтова архитектура включваща електромотор и преобразувател на въртящия момент, тъй като електрическият мотор е с относително малка мощност и не може да поеме същите функции като този при Plug-in хибрида. От AMG създадоха и по-директна спортна версия на предишната 7G-Tronic при която преобразувателят е заменен с набор от съединители. Трансмисията 9G-Tronic се произвежда в завода на Daimler с Щутгарт-Хеделфинген и в Себеш, Румъния и забележете – във Фуджи, Шизуока от дъщерната компания на Nissan Jatco за модели на Infiniti (големият QX80 с 3,7-литров би-турбо мотор е оборудван с 9G-Tronic, докато QX60 е със CVT на Jatco).

Царството на механиката: Разрезът на 9G-Tronic на Mercedes говори достатъчно ясно за сложността на тези агрегати. В това отношение електрическото задвижване дава много предимства.

Освен това Mercedes произвежда сам седем и осемстепенни DSG трансмисии (7G-DCT и 8G-DCT). Бензиновите двигатели с работен обем от 1,33 литра, които се използват и от Renault се оборудват с DSG трансмисия на Getrag, който след придобиването от Magna се нарича Magna PT. 8-степенният автоматик на ZF в различни разновидности например се оборудват модели на Audi, BMW и Rolls-Royce. Съгласно лицензионно споразумение в завода си в Кокомо, в щата Индиана Chrysler произвеждаше същата трансмисия за модели на Dodge, Chrysler, и Jeep, но и за Maserati, а доскоро и трансмисията 9HP, която е за напречен монтаж и няма нищо общо с 8HP – за Fiat. Освен това от 2013 г. ZF има собствен завод в Южна Каролина, в който се произвеждат осем и деветстепенни трансмисии за моделите за американския пазар. GM произвежда сам осемстепенния Hydra-Matic за Corvette, но разработи съвместно с Aisin осемстепенен агрегат за Cadillac. Преди две десетилетия доставяше автоматични трансмисии за BMW, а актуалната 10-степенна автоматична трансмисия е съвместно създадена с Ford. В момента баварската компания BMW използва 8HP на ZF в различни разновидности за всички модели на платформата CLAR, с надлъжно разположен двигател, но за SUV моделите на BMW на платформата UKL доставчик е Aisin, а не ZF. Като капак на всичко серия 2 Active Tourer и Grand Tourer са с DSG трансмисии на Getrag – другата германска компания в чието име по подобие на ZF фигурира названието „Фабрика за зъбни колела“ (Getriebe und Zahnradfabrik Hermann Hagenmeyer GmbH & Cie KG). Последният преди осигуряваше DSG трансмисии за M-моделите на компанията (като M5 F10), преди BMW да се насочи към 8 HP на ZF (GA 8HP 75 Z ) и за тях. Интересно е да се отбележи че моделите на Alpina запазиха привързаността си към ZF и дори равнопоставените за M3 и M5 модели разчитаха на трансмисия с преобразувател на въртящия момент. Тук е моментът да споменем и че преди да използва DSG трансмисия BMW оборудваше M5 (E60) и M3 (E46) със седемстепенна секвенциална трансмисия. Hyundai/Kia също конструираха своя собствена осемстепенна трансмисия. Getrag, които междувременно придобиха сериозен експертен опит в предавателните кутии с два съединителя, предлагат своите агрегати както за компактни модели на Ford и Renault (под формата на общи предприятия), в повечето случаи използват дискове доставени от LUK, който е собственост на Schaeffler.

На пръв поглед изглежда че привързаността на японците към CVT трансмисиите се дължи на главния играч в тази сфера Jatco. Само че фактите говорят друго. Една от причините за подобен уклон е че CVT трансмисията е най-простото решение за малки градски автомобили като популярните в Япония K-Cars, освен това Jatco е собственост на Nissan (75%), Mitsubishi (15%) и Suzuki (10%), а Aisin е една от компаниите под шапката на Toyota, респективно с мажоритарен собственик Toyota, като по този начин разполага с технологии както за класически автоматични трансмисии така и за CVT. Subaru също използва собствено разработена CVT (Lineartronic CVT) поради специфичната архитектура на задвижването си, но както и Audi с вече забравения Mutitronic пръст в създаването и има LUK.

Audi бързо се отказа от CVT трансмисията Multitronic в полза на DSG.

Специфичната тороидална CVT предавателна кутия на Nissan, без вериги или ремъци, изискваше специфични масла заради директното предаване на сила върху равни повърхности, а не чрез зъбни колела.

Може ли да бъде по-сложно

Тук не бива да пропускаме многообразието от технически решения на японската компания при хибридните модели, чийто решения с два мотор-генератора нямат нищо общо с конвенционалните автоматични трансмисии (с изключение на Multi-Stage Hybrid, при който към основната композиция на хибридното задвижване се добавя 4-степенна автоматична трансмисия с планетарни механизми. Последното решение е едно от най-сложните в тази област и по същността на комплицираност може да се мери само с Two Mode хибридната система създадена в началото на века от Allison Transmission (тогава подразделение на General Motors) за автобусите New Flyer и „даунсайзната“ от обединение от GM, Mercedes и BMW наречено Global Hybrid Cooperation.

Системата Two Mode Hybrid на GM/BMW/Mercedes създадена първоначално от Allison Transmission имаше една от най-сложните архитектури на хибридно задвижване. С нeя може да се мери само Muti-Stage Hybrid на Toyota/Aisin (на отварящата статията снимка). По-късно General Motors използва опита от тази архитектура при създаване на паралелно-последователния хибрид Chevrolet Volt/Opel Ampera.

Honda също сама произвежда CVT трансмисиите си, но правеше и някои изключения – като например европейския CR-V, чийто дизелов агрегат се оборудваше с 9HP на ZF. Апропо, въпреки страхотните си технологични решения и компактната архитектура този модел трансмисия не може да се мери с прецизността на по-големия си събрат и употребата му се свежда до малко на брой компании, сред които Land Rover, Fiat и някои американски модели на FCA, преди компанията се слее с PSA. Полученият в резултат от това Stellantis произвежда сам механичните си трансмисии, но за автоматичните разчита на Aisin и ZF, а за хибридните – на собственото подразделение Punch Transmission. Когато в уравнението прибавим и Volvo става ясно защо Aisin AWF8F е монополист при доставките на трансмисии за автомобили с напречно разположен отпред двигател. Една от причините голям концерн като VW да се насочи към DSG трансмисии е именно желанието за независимост от други производители, макар че трансмисията им с два съединителя бе разработена съвместно с BorgWarner, който след това осигури лиценза на VW. Появилата се през 2003 година DSG трансмисия се произвежда от VW, еволюира в няколко поколения и различни разновидности, архитектурата и от 6-степенна с мокри съединители се трансформира в 7-степенна със сухи, а за моделите на Audi от A4 нагоре (по старата номенклатура на компанията) с 4 и 6-цилиндрови мотори е с надлъжен монтаж. По-мощните V8 агрегати на Audi използват ZF 8 HP. Сложната организация на VW става още по-комплексна когато добавим факти като това че DSG трансмисия на Bugatti Veyron бе разработена от Ricardo, а трансмисията с два съединителя и седем и осем предавки PDK на Porsche са дело на…ZF и се използват(ха) в различни конфигурации за модели като 911 и Panamera. И само като допълнение: BorgWarner и Aichi machine industry конструираха и произвеждаха съвместно трансмисията за Nissan GT-R.

DSG (DST) вариантите на Audi за по-големите модели базирани на MLB Evo са с надлъжен монтаж и интегрират в корпуса си диференциала на двойното предаване. При горния разрез той е самоблокиращ и предава различен въртящ момент към предния и задния мост. По-старият вариант (долният разрез) бе със специфичен Torsen и също предаващ различен въртящ момент. Съществува и вариант (при моделите Ultra) с многодисков съединител. При новите модели Audi интегрира в задната част на трансмисията и 48-волтова електрическа машина. По-мощните модели, с V8 двигател са с 8 HP на ZF. Въобще Audi е една от компаниите предлагаща най-широко разнообразие от "механизация".

Както споменахме както Ford, така и Renault използва DSG трансмисии на Getrag, създадени от съвместното им предприятие, но вариантите със специфичната паралелно-последователна хибридна архитектура E-Tech се произвеждат от самата компания. За Американския пазар Ford и GM се обединиха за създаването и производството на 10-степенна автоматична трансмисия, която покрива широк диапазон, подразделението Transys на Hyundai/Kia също включва многообразие от технологични решения във всички описани сфери, а китайският пазар е смесица от производствени предприятия на големите компании в сферата и местни производители. Тенденцията към последните се засилва и от възможността при широкото навлизане на електрически автомобили от опростяване на конструкцията и възможност производителите на автомобили и електромотори да включват и трансмисията в уравнението.

Конкуренцията на класическия автоматик

В предишната част на поредицата детайлно ви разказахме за създаването и развитието на класическите автоматични трансмисии. Това, което ще допълним, е, че при по-ранните версии хидравличната система под налягане, задействаща блокиращите елементи се управлява по механичен път на основата на вакуума в колекторните тръби и на центробежен регулатор. По-късно всичко вече се базира на електроника и параметри, свързани с управлението на мотора. Важно е да се спомене, че съществен принос за прецизната работа на модерните трансмисии имат и модерните синтетични масла. Стремителното развитие на класическите автоматични предавателни кутии през последните години им помага днес да са ненадминати по-отношение на комфорта на превключване с изключителна плавност и висока скорост. Засега те са първенци и по броя на предавките (вече 10). Бързото изключване на хидротрансформатора (преобразувателя на въртящия момент) ги прави по-ефективни, и при тях тягата не се прекъсва, с което се доближават до DSG, времето за превключване става все по-кратко, а с помощта на акумулатори на налягане и електрически помпи интегрирането на старт-стоп система и електрическо задвижване не е проблем. Интересно е да се отбележи и че докато автобусите използват предимно класически автоматични трансмисии, при големите камиони приоритетни са механичните предавателни кутии с автоматизирано пневматично превключване.

Автоматизирани предавателни кутии

Преди време бъдещето им изглеждаше многообещаващо... След навлизането им в моторните спортове през 80-те години и усъвършенстването им до ниво на бързодействащи секвенциални предавателни кутии, днес те са все по-голяма рядкост в серийните автомобили, отстъпвайки мястото си на трансмисиите с два съединителя. Вариантите на механични трансмисии с пневматично и хидравлично превключване си остават приоритет за камионите, а секвенциалните – за автомобилите от Формула 1, към момента с осем предавки (броят им ще бъде намален до 6 при новите правила, поради по-високия дял на електрическо задвижване, компенсиращ по-големите падове). Парадоксално е че в моторните спортове като Формула 1 не се използват трансмисии с два съединителя.

А всъщност всичко започва като революция именно в екстремния инкубатор на Формула 1, а неин идеен генератор е главният конструктор на Ferrari в средата на 80-те години Джон Барнард. Дълбоката му идея на практика не се състои в изнамиране на нов начин на превключване, а в елиминирането на сложните и тежки механизми в кокпита на автомобила. Тъй като по това време технологичната основа под формата на електрохидравлични устройства вече съществува (като елемент от активното окачване на болидите), той решава, че може да използва за целта такъв активатор. За елиминиране на педала на съединителя в началото дори и не става дума. Първите прототипи включват устройства за превключване на всяка предавка, а решението позволява мигриране на лостчетата за предавките към волана. Чак тогава идва и идеята за отпадане на педала за съединителя и синхронното му отваряне с помощта на управляващия електронен мозък. Тази архитектура, усъвършенстването на микропроцесорите, както и въвеждането на електронно управлявани дроселови клапи, довеждат до възможността за постигане на напълно автоматизирано превключване на предавките. Дали това няма да е последният пирон в ковчега на класическата автоматична трансмисия? – през деветдесетте започват да се чуват все повече такива гласове. Още повече че автоматизираната трансмисия се усъвършенства с бързи темпове, преминавайки към изцяло нова архитектура с подредена (секвенциална) конструкция, в която лостовете на системите за превключване са поставени в канали или следват релефи върху въртящ се барабан.

Класическият автоматик вече и с ръчно превключване

По същото време обаче, когато полуавтоматичните трансмисии, базирани на механични предавателни кутии, правят първите си стъпки в големия спорт, в Porsche решават обратната задача, създавайки класическа автоматична трансмисия с възможност за превключване с лостове на волана. Разбира се, трансмисията е на ZF, която заедно с Bosch има водеща роля в проекта (Porsche дава принципната идея и води проекта, ZF проектира хардуера, а Bosch управлението). Резултатът от развойната работа се демонстрира под формата на допълнително оборудване за 911 и 968, а по-късно Audi и Mitsubishi купуват лицензи за конструкцията. Името на тази предавателна кутия tiptronic идва от немската дума tippen (побутвам) поради възможността за превключване с бутане и дърпане на лоста. Този тип скоростна кутия вече притежава и функцията да променя режима си в зависимост от стила на шофиране на водача.

Междувременно творението на Джон Барнард заема полагащото му се място в автомобилите – разбира се, в тези със спортен дух или поне с претенции за такъв, като Ferrari F360 Modena и далеч по-скромната Alfa 147 Selеspeed със секвенциална трансмисия (базирана на стандартна петстепенна трансмисия с добавен механизъм за превключване и „мозък“ на Magnetti-Marelli). Но както споменахме, раждането на трансмисията с два съединителя попарва амбициите на автоматизираните трансмисии в света на едросерийните автомобили и ги насочва към по-скромни модели, като например на индийския пазар, и към възможността за по-евтино автоматизиране на съществуваща трансмисия. Това се реализира с по-прости средства от секвенциалната архитектура – за целта се използва допълнителен управляващ електрически блок, който вече е доста компактен. И все пак осъществяването на отколешната мечта на конструкторите за синхронизирано автоматично превключване и отваряне на съединителя си остава утопия – на практика в реалния живот това така и не се получава и всички трансмисии от този вид страдат от липса на хармонично преминаване от една предавка към друга. По тази причина компаниите се насочват към трансмисии с два съединителя (DCT или DSG). Типичен пример в тази стана гореспоменатото сътрудничеството на BMW и Getrag, материализирано първоначално в секвенциалната трансмисия SMG за M5 от поколение E60 и приело нова форма в седемстепенната DCT за F10 за да се завърне след това към класическия автоматик на ZF.

С два съединителя без прекъсване на тягата

Всичко започва през 2003 година, когато VW представят разработената съвместно с BorgWarner Direct Shift Gearbox (или DirektSchaltGetriebe на немски), накратко DSG. Още с появата си тя демонстрира възможността да превключва без тласъци и по-бързо от механичните и автоматичните трансмисии – без загуба на тяга и без влошаване на разхода поради липсата на преобразувател. Едно връщане към историята обаче показва, че Audi използва подобна предавателна кутия в своите рали автомобили още в средата на 80-те години (като Sport Quattro S1 Pikes Peak), а Porsche я въвежда в модела за маратонски състезания 962. Разработването и е доста интересна част от спортната история и е изпъстрена с амбициите и неудачите на първопроходците, по време когато всичко е трябвало да бъде създавано от нулата и в единични бройки, без никакъв опит с тези машини и мехатрониката.

Audi и Porsche са първопроходци при внедряването на DSG трансмисии при спортните си автомобили, съответно 962 и Sport Quattro S1 Pikes Peak в средата на 80-те години. На този ранен етап синхронизацията на единично изработените компоненти и тогавашната електроника изисква танталови мъки.

Специфична DCT трансмисия на Punch Powertrain (Stellantis) интегрираща 48-волтов електрически мотор на хибридно задвижване. Трансмисията е своеобразна комбинация от DCT и класическа автоматична трансмисия, защото единият набор от съединители и част от зъбните двойки са заменени от планетарен механизъм. Така се осигурява по-голям диапазон на предавателни отношения. (Специални благодарности на Цветелин Гайдаров за осигурената информация по темата).

Технологията трябва да изчака още известно време, за да се появят достатъчно бързи и пригодени за серийно производство електронни системи за управление, подходящи материали за съединителите и бързи хидравлични активатори. За разлика от конвенционалната трансмисия DSG има два коаксиални вала, всеки от които разполага със свой съединител. Тези съединители са концентрично разположени един спрямо друг, като външният се свързва с вътрешния от двата вала, а вътрешният с кухата външна секция. Единият от валовете поема нечетните, а другият – четните предавки. Когато е задействана първа предавка например, втора вече е подготвена и включването й става едновременно с изключването на първата без прекъсване на тягата. Превключването на предавките се осъществява с участието на класическите синхронизатори, но вместо с механични прътове и вилки това става с помощта на хидравлични елементи. Многодисковите съединители са различни като конструкция от тези при механичните трансмисии и приличат повече на механизмите, служещи като блокиращи елементи в автоматиците – именно тяхното развитие допринесе за еволюцията на DSG. Двата вида обаче си приличат не само по задействащите хидравлични механизми, отварящи и затварящи съединителите, но и по електронното управление, базирано на множество сензори. В по-ранните версии трансмисията е със съединители в маслена баня за по-добър топлообмен, но с развитието на материалите вече се използват по-ефективните сухи съединители. DSG трансмисиите първоначално стават приоритет основно на спортните модели, но днес често се използват и за компактни и малки автомобили и SUV в качеството на алтернатива на автоматичните и автоматизираните. Така днес с помощта на електрониката всички видове автоматични трансмисии имат възможност и за механично и различни режими на автоматично превключване.

При DSG трансмисиите четните и нечетните предавки се поемат от различни ламелни съединители. Така всяка следваща предавка е подготвена и процесът на изключване на едната и включване на другата става почти едновремено и без прекъсване на тягата. Първият сериен модел с такава е Volkswagen R32.

А какво стана междувременно със CVT?

Идеята за безстепенна трансмисия е стара като света, а проектите включват най-различни разновидности. Проблемът им обикновено се състои във факта, че нямат зъбни колела и предаването на въртящ момент към плъзгащи се повърхности води до пробуксуване. Още в началото на ХХ век с такава трансмисия разполага швейцарският автомобил Swiss Weber, но едва през 1955 година братята Доорн успяват да създадат практично приложимо решение от този вид – то се появява под формата на Variomatic в холандския автомобил DAF. Основният проблем на иначе простата и обещаваща безстепенно изменение на предавателното отношение в широк диапазон конструкция с осево измествани от хидравлични активатори конусни елементи, свързани със скосен ремък, е в износването на последния. Затова в по-късните разработки той е заменен със сегментиран метален елемент от високофрикционна стомана, при който движението се извършва не чрез дърпане, а чрез бутане, с което се осигурява по-висок капацитет по отношение на въртящия момент. В края на 80-те години много фирми, като Ford, Fiat, Subaru и ZF, започват съвместно производство с Van Doorne, а за да може да предава по-голям въртящ момент, от 2000 година Audi създава CVT трансмисия, използваща верига. През 2003 година Nissan, който определено има афинитет към тези трансмисии (в немалка степен благодарение на мажоритарния си дял в местния производител Jatco) оборудва Murano със CVT трансмисия, Subaru разработва трансмисии с помощта на LUK.

Още в края на ХІХ век са създадени и първите CVT трансмисии, използващи директно зацепване с дискове, които се изместват по различен диаметър, а през 20-те години Citroen и GM пускат на пазара първите серийни варианти. Интересът към това технологично решение се завръща в края на 80-те години, пак с развитието на материалите, а негови радетели стават английската компания Torotrak и споменатата Jatco – последната в качеството на лидер в областта на CVT трансмисиите. Напоследък се появяват все повече нови решения от този вид,

При стандартната CVT трансмисия пред основната предавка обикновено се поставя малък планетарен механизъм, осигуряващ предна, задна и неутрална предавка. При различните решения за потегляне се използват съединители с магнитен прах или пък стандартен преобразувател (Subaru или ZF Ecotronic CVT). Дълго време пренебрегвани, през последните години CVT трансмисиите отново се радват на засилен интерес, особено от японските производители. При тях те все още имат по-голям дял в общото производство на автоматични предавателни кутии. Все по-интензивно в тази област работят и Bosch Transmission Technology. Както и при останалите конструкции, тук на помощ идват новите материали и електрониката.

Базова конструкция на класическа автоматична трансмисия

В 9G-Tronic Mercedes използва така наречения хидродинамичен преобразувател на въртящия момент, който е изключително сложно устройство, но принципът му на работа не се отличава от този на първите подобни конструкции. На практика той се състои от помпа, свързана с маховика на двигателя, турбина, свързана с предавателните механизми, и междинен елемент наречен статор. Динамиката на флуидите в това устройство е извънредно сложна, но казано по-просто, маслото в него се насочва от помпата по нейната периферия, извършва кръгово движение по подобие на горната част на цифрата 8, само че в триизмерен вариант, при който пресичащите и се линии са изместени една спрямо друга. Специфичната форма на лопатките на турбината като знак за скоба всъщност е изключително прецизно изчислена кривина, която поема по оптимален начин силата на потока, който от своя страна рязко сменя посоката си. В резултата от това се увеличава въртящият момент. За съжаление, след като посоката се смени, потокът вече има негативно влияние, защото се насочва обратно срещу лопатките на помпата.

Тук именно на помощ идва статорът, чиято роля е да обърне посоката на потока, и именно този елемент превръща устройството в преобразувател на въртящия момент. Той е конструиран така, че има блокиращ механизъм, който при този натиск го задържа неподвижен. Вследствие на всичко споменато, при потегляне увеличаването на въртящия момент е най-голямо. Въпреки че потокът се насочва назад с определена скорост, с постепенното увеличаване на периферната скорост на турбината в обратна на него посока неговата резултантна скорост е в посоката на турбината. За да разберете това, си представете, че се возите в трамвая със скорост от 50 км/ч и хвърлите назад топка със скорост 30 км/ч. За вас тя се движи назад, но всъщност посоката й на движение е напред със скорост от 20 км/ч. В този случай масленият поток преминава зад лопатките на статора, блокировката му се изключва и той започва да се върти свободно, като при достигане на 90 процента от скоростта на помпата вихровият поток се превръща в радиален и увеличаването на въртящия момент се прекратява. По този начин автомобилът потегля и ускорява, но това винаги е свързано със загуби – дори при модерните агрегати. В съвременните трансмисии малко след потеглянето преобразувателят се изключва, или по-точно се блокира действието му с помощта на т.нар. lock-up съединител, като по този начин се повишава общата ефективност на трансмисията. Във версиите за хибридни модели, каквато има ZF 8HP, на негово място се поставя електромотор, който добавя въртящ момент, а при някои решения като SpeedShift на AMG, преобразувателят е заменен с набор от ламелни съединители. И още нещо – за да се оптимизира динамиката на масления поток, в някои случаи лопатките на статора са с изменящ се ъгъл на атака, с което се променя въртящият момент в зависимост от ситуацията.

В днешното си четвърто поколение ZF 8HP е в три разновидности по отношение въртящ момент, има вариант с 48V електромотор и преобразувател на въртящия момент, само с електрически мотор (без преобразувател) и електрически мотор на изходящия вал. Във версиите с мощен електрически мотор охлаждането на силовата електроника с IGBT (транзистори) става с помощта на климатичната система, а отделната система от две помпи (от ДВГ и електрическа при движение само на електричество) са обединени в общ модул с електрически мотор.

Набор от планетарни механизми

Както споменахме в предишната част, планетарният механизъм е избран като най-подходяща зъбна предавка поради способността му да осъществява различни предавателни числа без зацепващи се зъбни колела или синхронизатори. Механизмът представлява зъбен венец (корона) с вътрешни зъби, слънчево зъбно колело и обтъркалващи го и зацепени с венеца на короната планетарни колела, които са свързани с общо водило. При блокиране на някой от елементите (корона, водило или слънчево колело) между останалите два се предава въртящ момент, като предавателното отношение зависи от конструкцията.

Блокиращите елементи могат да бъдат съединители или лентови спирачки, а задействането им става чрез хидравлични активиращи елементи по механичен път при старите трансмисии и с помощта на електронно управление при новите. Още първите автоматични трансмисии, като Hydra-Matic на GM или Torque-Flite на Chrysler, не използват обикновен планетарен механизъм, а съставни конструкции от типа Simpson. Последният е кръстен на името на създателя си, американския инженер Хауърд Симпсън, и включва две напълно еднакви планетарни (епициклични) предавки, при които някое от звената на втората е свързано с първата (например водилото със слънчевото колело). В този случай блокиращите елементи са два многодискови съединителя, две спирачни ленти и един еднопосочен съединител, осигуряващ директно предаване на въртящ момент. Отделно към предавателната кутия може да се добави трети механизъм, осигуряващ така наречената овърдрайв предавка. В редица по-модерни конструкции се използва по-сложни от обикновения планетарен механизъм устройства като Ravigneaux (на името на създателя му Пол Равиньо) който се комбинира с един и два стандартни механизъма, за да се увеличи броят на предавките на пет. Той включва обща корона и комбинация от два различни типа сателити и слънчеви колела, между които се осъществяват още по-сложни потоци на мощността. Първата 6-степенна автоматична трансмисия на ZF, представена през 2002 година, използва механизъм Lepelletier (наречен на създателя си Пиер Льопелетие) благодарение на който тя имаше по-малко компоненти, по-ниско тегло и обем. Интелигентността в съвременните решения се състои най-вече във възможността (благодарение на компютърните анализи) за интегриране на по-компактни блокиращи механизми, валове и зъбни колела, осигуряващи взаимодействие на повече елементи и оттам – постигане на по-голям брой предавки.

Текст: Георги Колев