Ключовият посредник: миналото и бъдещето на автомобилните трансмисии
Трансмисиите са стари колкото автомобилите, а в наши дни те са едни от най-високотехнологичните устройства, в задвижваните от двигатели с вътрешно горене и хибридни системи машини. Това е една поредица за историята на автомобилните трансмисии и развитието им до най-авангардното в момента.
1993 година. По време на тестовете преди състезанието на пистата Силвърстоун тестовият пилот на Williams Дейвид Култард прави поредните изпитания с новия Williams FW 15C. На мокрия асфалт болидът разхвърля пръски навсякъде, но въпреки това всички могат да чуят странния монотонен високооборотен звук на десетцилиндровия двигател. Очевидно е че Франк Уилямс използва някакъв различен вид трансмисия. За всички просветени е ясно, че това няма какво друго да бъде освен безстепенна вариаторна предавателна кутия, конструирана така, че да съответства на нуждите на двигател от Формула 1. По-късно става ясно, че тя е разработвана с вездесъщите в тази област специалисти на фирмата Van Doorn Transmissie. Двете фирми съзаклятници са инвестира огромен инженерен и финансов потенциал в този проект за последните четири години, за да стигнат до напълно функционален прототип, който може да пренапише правилата за динамика във царицата на спортовете. На едно видео в You Tube днес може да се видят тестовете на този модел, а самият Култард твърди че е очарован от работата и – особено в завой където няма нужда да губи време в превключване на по-ниска предавка – грижа за всичко има електрониката. За съжаление на всички работили по проекта, плодовете на труда са им отнети. Законотворците бързо забраняват използването на подобни трансмисии във Формулата, вероятно заради „нечестното предимство“. Правилникът е променен и клиноремните вариаторни или CVT трансмисии остават в историята единствено с тази своя кратка проява. Случаят е затворен, а Williams трябва да се завърне към полуавтоматичните предавателни кутии, които и до днес са стандарт във Формула 1 и които на свой ред стават революция в края на 80-те години. Междувпрочем, още през 1965 година с трансмисията Variomatic DAF прави опити за навлизане в пистовите моторни спортове, но по това време механизмът е толкова масивен, че и без намесата на субективни фактори е обречен на неуспех. Но, това е една друга история.
Много иновации в съвременното автомобилостроене са плод на стари идеи, родени в главите на извънредно надарени и прозорливи хора. Поради механичния си характер скоростните кутии са един от най-ярките примери за това как те се реализират, когато им дойде времето. В наши дни съчетанието от авангардни материали и производствени процеси и електронно управление създадоха възможност за реализацията на невероятно ефективни решения във всички форми на трансмисии. Тенденцията за намаляване на разхода, от една страна, и спецификите на даунсайзинг моторите (като нужда от бързо преодоляване на турбодупката), от друга, създават необходимост от конструиране на автоматични трансмисии с по-голям диапазон на предавателните числа и, съответно с повече степени. Тяхна по-достъпна алтернатива са CVT трансмисиите при по-малките автомобили, често използвани от японските автомобилостроители – основни играчи в тази сфера за Jatco и Aisin, който е основен доставчик на Toyota, както и Honda, която сама произвежда тези трансмисии за своите модели. Популярни в близкото минало бяха автоматизираните механични предавателни кутии като Easytrоnic на Opel (също за малки автомобили). Специфични са механизмите за паралелните хибридни системи, а като част от стремежа за намаляване на емисиите, електрификацията на задвижването, с изключение на някои mild хибридни системи, всъщност се случва до голяма степен в трансмисиите.
В Williams FW15C инженерите на Франк Уилямс изпитват CVT трансмисия, а тестовият пилот Дейвид Култард е очарован от работата и. За съжаление на всички от фирмата, техническите съдии забраняват тази технология.
Пионерите в авангардните технологии
Към настоящият момент човечеството все още не е измислило по-ефективен способ за директно предаване на механична енергия (разбира се изключваме хидравличните механизми и хибридите електрически системи) от тези с ремъци, вериги и зъбни колела. Разбира се вариациите по темата са безброй, а вникването в същността им може би най-добре може да се подпомогне с изброяването на най-забележителните разработки в тази област през годините.
Понятието shift-by-wire или електронна недиректна връзка на контролния механизъм с предавателната кутия съвсем не последен крясък, защото още през 1916 година фирмата Pullman от щата Пенсилвания създава предавателна кутия, превключваща предавките по електрически път. Използвайки същия принцип на работа в усъвършенстван вид двайсет години по-късно тя е монтирана в авангардния Cord 812 – един от най-футуристичните и забележителни автомобили не само през 1936 година когато е създаден. Достатъчно показателен факт е, че на една корица на книга за постижения в индустриалния дизайн може да бъде открит именно този Cord. Трансмисията му предава въртящ момент от двигателя към предния мост(!), а превключването на скоростите става с направо филигранен за тогавашните представи лост на кормилната колона, който задейства специални електрически превключватели, чрез които се задействат сложна система от електромагнитни устройства с вакуумни диафрагми зацепващи зъбните колела. Конструкторите на Cord успяват да съчетаят успешно всичко това и то функционира перфектно не само на теория, но и на практика. Настройката на синхрона между превключването на предавките и действието на съединителя е истински кошмар и според свидетелства от това време е можело да прати механик в лудницата. Cord обаче е бил луксозен автомобил и собствениците и не са могли да си позволят лежерното отношение на много съвременни производители към прецизността на този процес – на практика повечето от автоматизираните (често наричани и роботизирани или полуавтоматични) скоростни кутии, използвани доскоро превключваха с характерно забавяне, а често и с тласъци.
Cord 812 е нещо като Citroen DS 19 на 30-те години. Още тогава авангардният автомобил осигурява на водача електрическо задействане на превключването на предавките с автоматичен съединител – много преди изобретяването на автоматичната трансмисия.
Никой не твърди че този синхрон е значително по-лека задача при по-простите, широко разпространени и днес механични предавателни механизми, защото въпросът „Защо въобще се налага използването на подобно устройство?“ е фундаментален по своята същност. Причината, която налага това затруднително мероприятие, но и отваряща ниша за бизнес за милиарди, произтича от самото естество на работата на двигателя с вътрешно горене. За разлика от парната машина например, където налягането на парата, подавана в цилиндрите може да се променя относително лесно, а натискът и може да варира при потегляне и нормален работен режим или пък от електродвигателя, при който силното задвижващо магнитно поле съществува и при нулеви обороти (всъщност то е най-високо тогава), двигателят с вътрешно горене има характеристика, при която максималната мощност се постига при обороти, близки до максималните, а максималният въртящ момент – в един сравнително неголям спектър от обороти, при който се извършват най-оптимални горивни процеси. Трябва да отбележим също че в реалния живот двигателят рядко се използва по кривата на максималния въртящ момент (респективно по развитието на кривата на максималната мощност). Много подробно всичко това е обяснено в статията „Кривата на максималното удоволствие“ в секцията „Анатомията на автомобила“ https://dizzyriders.bg/post/14028/krivata-na-maksimalnoto-udovolstvie.
Прави зъби, несинхронизирани предавки. В началото не века автомобилните състезатели са били истински мъже.
Автомобилът с ДВГ не може без предавателна кутия
За съжаление въртящият момент при ниски обороти е минимален и ако трансмисията е директно свързана, дори с наличието на съединител, който отцепва и осигурява потеглянето автомобилът в никакъв случай няма да може да извършва действия като потегляне, ускоряване и движение с широк диапазон от скорости. Ето един прост пример за това – ако двигателят предава оборотите си 1:1, а размерът на гумите е 195/55 R 15 (засега се абстрахираме от наличието на главно предаване), то теоретично автомобилът би следвало да се движи със скорост от 320 км/ч при едва 3000 завъртания на коляновия вал в минута. Разбира се автомобилите притежават директни или близки до тях предавки и дори понижаващи, а и главното предаване също влиза в уравнението и трябва да бъде взето предвид. Ако обаче продължим първоначалната логика на разсъждения, за придвижването с нормална скорост от 60 км/ч в града, на двигателя ще са му нужни едва 560 об./мин. Разбира се не съществува мотор, който е способен да направи подобен шпагат. Има още една подробност – тъй като чисто физически мощността е право пропорционална на произведението от оборотите и въртящия момент (формулата можете да откриете в гореспоменатата статия), а ускорението на едно физическо тяло зависи от приложената върху него сила, разбирай в случая мощност, то е логично, че за по-бързо ускоряване ще са нужни по-високи обороти и по-голямо натоварване (тоест въртящ момент).
Звучи сложно, но ето какво означава това на практика: всеки шофьор, дори и този който нищо не разбира от техника, знае, че за да изпревари един автомобил бързо трябва да превключи с една или дори две предавки „надолу“. Така именно, с помощта на предавателната кутия той моментално осигурява по-високи обори и следователно по-висока мощност за целта, при същата степен на натискане на педала. Именно това е и задачата на скоростната кутия – съобразявайки се с особеностите на двигателя с вътрешно горене да осигури работата му в адекватен за него режим и в случай че не се търси максималната мощност – във възможно най-оптимален и икономичен. Движението на първа предавка със 100 км/ч ще е доста неикономично, а на подходящата за магистрала шеста, потеглянето е невъзможно. Не случайно икономичното шофиране изисква ранно превключване и работа на двигателя с възможна най-високо натоварване (тоест движение малко под кривата на максималния въртящ момент). Специалистите използват за целта термин наречен „нисък специфичен разход на енергия“, който се намира в средните оборотни диапазони и близко до максималното натоварване. Тогава дроселовата клапа на бензиновите мотори е по-широко отворена и намалява помпените загуби, увеличава се налягането в цилиндрите и по този начин се подобрява качеството на химическите реакции. По-ниските обороти снижават пък триенето и остава повече време за пълноценно пълнене. Състезателните автомобили функционират при високи оборотни режими и имат голям брой предавки (осем във Формула 1), които позволяват ниски падове на оборотите при превключване и ограничаване на преминаването към зони със значително по-ниска мощност. Когато става дума за конвенционални автомобили при шофиране в града се препоръчва максимално ранно преминаване на по-висока предавка – в подкрепа на казаното по-горе.
Всъщност може и без класическа предавателна кутия, но…
Интересен е случаят с хибридните системи и по специално, с комбинираните като тази на Toyota Prius. Този автомобил няма трансмисия в нито един от споменатите видове. Това е възможно, защото гореспоменатите недостатъци се компенсират с помощта на електрическа система. Това, което замества механичната, автоматична или DSG трансмисия е така нареченият Power Split Device, планетарен механизъм, обединяващ двигателя с вътрешно горене и две електрически машини. Механизмът позволява част от механичната енергия на ДВГ да се предава директно по механичен път, а част да се трансформира в електрическа (с помощта на едната машина в ролята на генератор) и отново в механична (с помощта на другата машина в ролята на електродвигател). Гениалността на това творение на Toyota (чиято първоначална идея е на американската фирма TRW от 60-те години) е да осигури голям въртящ момент при потегляне, с което се избягва необходимостта от много ниски предавки. Освен това така се осигурява възможност двигателят да работи именно в ефективните режими на максимално натоварване, като по възможност се имитира висока предавка при което винаги като буфер влиза в работа електрическата система.
При необходимост от ускорение и симулиране на ниска предавка, оборотите на двигателя се увеличават с помощта на контрола на генератора и съответно на неговите обороти, чрез сложните система за електронно и силово управление на тока. При симулация на високи предавки се налага дори двете машини да си разменят ролите, за да се ограничат оборотите на двигателя. В този момент системата преминава в режим на „циркулация на мощност“ и ефективността и значително се намалява – с което се обяснява и рязкото показване на разхода на гориво на този тип хибридни автомобили при висока скорост. Така тази технология на практика е един компромис, удобен за градско придвижване, защото очевидно електрическата система не може изцяло да компенсира отсъствието на класическа предавателна кутия. За да решат този проблем, инженерите на Honda използва просто, но хитроумно решение при своята комбинирана хибридна система, която е конкурент на тази на Toyota – добавят една механична предавка съответстваща на шеста скорост, която се включва вместо хибридния механизъм при високи скорости.
При хибридната система на Toyota отсъстват всякакви форми на класически трансмисии. Те са заменени с устройство, което съчетава въртящия момент на ДВГ с две електрически машини, а преобразуването следва коренно различен процес. В този смисъл системата е революционна.
При новата хибридна система на Nissan предаването на мощност става изцяло по електрически път, с помощта на серийни хибридна система. Недостатъците на тези системи при високи скорости обаче са достатъчно убедителни, за да покажат необходимостта от скоростна кутия. Разбира се, по възможност с повече предавки – въпросът е че при механичните просто няма да е комфортно за водача (а и цената се увеличава) когато те са голям брой. Засега 7-степенни решения на механични трансмисии като тези на Porsche (базирана обаче на DSG) и на Chevrolet Corvette си остават по-скоро рядкост. Two Mode хибридната система на GM/Mercedes/BMW имаше четири допълнителни фиксирани предавки, производно на нея бе решението на Plug-in хибрида Chevrolet Bolt/Opel Ampera. Самата Toyota освен че промени конфигурацията на компонентите в новите си хибридни системи предлага за някои модели и така наречените Milti-Stage Hybrid системи, на практика добавяйки към основното хибридно задвижване една четиристепенна автоматична трансмисия с четири фиксирани предавки.
Всичко започва с вериги и ремъци
И така – различните условия изискват точно определени стойности на необходимата мощност като функция на обороти и въртящ момент. А в уравнението касаещо необходимостта от ефективна работа на мотора и намаляване на разхода на гориво, освен модерните технологии при двигателите трансмисията има все по-важна задача.
Естествено първият възникващ проблем е потеглянето – при първите моторни коли най-използваната форма на предавателна кутия е било заимстваното от велосипеда верижно задвижване или пък ремъчна трансмисия, действаща върху ремъчни шайби с различен диаметър. При ремъчната предавка на практика не съществували неприятни изненади. Тя не само не шумяла толкова колкото верижните си посестрими, но при нея било невъзможно и чупенето на зъби, познато от примитивните зъбни механизми, които шофьорите по онова време наричали „предавателна салата“. Още от началото на века били правени опити и с така нареченото „задвижване с триещи се колела“, при което няма нито съединител, нито зъбни механизми и които използваха Nissan и Mazda в своите тороидални скоростни кутии (за които ще стане дума по-късно). Алтернативите на зъбните колела обаче също имали доста и то сериозни недостатъци – ремъците не издържали на продължителните натоварвания и нарастващи обороти и бързо се разхлабвали и късали, а „накладките“ на триещите се колела били подложени на твърде бързо износване. Така или иначе, скоро след зората на автомобилостроенето, предавките със зъбни колела се наложили и останали като единствена на този етап възможност за предаване на въртящия момент за доста продължителен период от време.
Раждането на механичната трансмисия
Още Леонардо да Винчи проектирал и изработвал зъбни колела за своите механизми, но направата на здрави, достатъчно прецизни и износоустойчиви зъбни колела станала възможна чак около 1880 година, благодарение на наличието на подходящи металургични технологии за създаване на висококачествени стомани и изработване на металообработващи машини със сравнително висока точност на работа. Загубите от триене в зъбните предавки били сведени до едва 2 процента! Именно това бил моментът, в който те станали незаменими като елемент на предавателната кутия, но останал проблемът с обединяването и подредбата им в общ механизъм. Пример за пионерно решение е Daimler Phoenix от 1897 година, при който различните по големина зъбни колела били „събрани“ в истинска според днешните разбирания предавателна кутия, която освен четирите скорости има и заден ход. Две години по-късно Packard станал първата фирма, използвала известното и до днес позициониране на скоростния лост в краищата на буквата „Н“.
Daimler Phoenix от 1897 година е пионерно решение при което различните предавки (в случая четири) са събрани в общ корпус под формата на предавателна кутия.
През следващите десетилетия предавките не станали повече, но механизмите продължавали да се усъвършенстват в името на по-лесната работа. Карл Бенц, който въоръжил първите си серийни автомобили с планетарен редуктор, успял да доживее и появата на първите скоростни кутии със синхронизатори, създадени от Cadillac и La Salle през 1929 година. Две години по-късно синхронизатори вече използвали и Mercedes, Mathis, Maybach и Horch, а след още една и Vauxhall, Ford (пред това за Model T била използван прост планетален механизъм) и Rolls Royce. С една подробност – всички те имали несинхронизирана първа предавка, която създавала сериозни ядове на водачите и изисквала специални умения. Първата изцяло синхронизирана предавателна кутия била използвана от английския Alvis Speed Twenty през октомври 1933 година и била създадена от прочутата германска фирма, която и до днес носи името си „Фабрика за зъбни колела“ ZF, която често ще споменаваме в нашия разказ. Чак в средата на 30-те години монтирането на синхронизатори започнало и при другите марки, но в по-евтините автомобили и в камионите шофьорите продължавали да се борят неистово със скоростния лост, за да преместят и зацепят плъзгащите се върху шлици зъбни колела. Всъщност решаването на проблема с неудобствата от подобен характер са били търсени и много по-рано с различни предавателни конструкции имащи за цел също постоянното зацепване на зъбните двойки и връзката им с вала – в периода от 1899 до 1910 година De Dion Bouton разработил интересна трансмисия, в която зъбните колела били постоянно зацепени, а включването им към вторичния вал ставало с помощта на малки съединители. Подобна разработка имал и Panhard-Levasseur, но при тяхната разработка постоянно зацепените зъбни колела се свързвали твърдо към вала с щифтове.
Конструкторите, разбира се, не спирали да размишляват за това как да улеснят шофьорите и да предпазят автомобилите от ненужни повреди. През 1914 година инженерите на Cadillac решили, че биха могли да използват мощта на огромните си двигатели и да оборудват автомобилите с променливо главно предаване, което може де се превключва електрически и давало възможност предавателното съотношение да бъде променяно от 4,04: на 2,5:1. Подобна скоростна предавка ползвал и Rolls-Royce.
Многообразие от идеи в първите десетилетия на XX век
20-те и 30-те години са време на невероятни изобретения, които са част от неизменното натрупване на знания през годините. През 1931 година френската фирма Cotal, например, създала механична предавателна кутия с електромагнитно превключване, управлявана чрез малко лостче на волана, което от своя страна пък било комбинирано с малък, поставен на пода лост за превключване на празен ход. Споменаваме последната особеност, защото тя осигурява възможност колата да има точно толкова предавки за движение напред, колкото и назад – четири. Интерес към изобретението на Cotal по това време проявили престижни марки като Delage, Delahaye, Salmson и Voisin. Свен споменатото причудливо и забравено днес „предимство“ на многото задни предавки обаче, тази невероятна скоростна кутия притежава и способността да „комуникира“ с автоматичния превключвател Fleschel, който променя предавката при пад на оборотите в резултат на натоварването на двигателя и всъщност се явява един от първите опити за автоматизиране на процеса.
Схема на двигател и трансмисия на VW Костенурка – разположени отзад и задвижващи задния мост.
По-голямата част от автомобилите през 40-те и 50-те години имали по три предавки, защото двигателите не достигали повече от 4000 об./мин. С нарастване на оборотите и кривите на въртящия момент и мощността, трите предавки вече не покривали оборотния диапазон. Резултатът бил нехармонично движение с характерно „глъхнене“ на дадена предавка при изкачване и излишното форсиране при преминаване на по-ниска. Логичното решение на проблема бил в масово преминаване към четиристепенни механизми през 60-те години, а появата на първите петстепенни скоростни кутии през 70-те години станало значимо събитие за производителите, които с гордост отбелязвали наличието на такава трансмисия, редом с моделната индикация върху автомобила. Наскоро един притежател на класически Opel Commodore ми сподели, че когато е купил автомобила, той бил с 3 предавки и харчел по 20 л/100 км средно. Когато заменил скоростната кутия с четиристепенна, разходът станал 15 л/100 км, а след като най-накрая се сдобил с петстепенна, последният се снижил до 10 л. Самият аз съм шофирал товарен Zuk с три предавки и – вярвайте ми – шофирането по магистрала със скорост от 100 км/ч м час беше съпроводено с настина неприятен шум и огромен разход на гориво.
Днес практически няма леки коли с по-малко от пет предавки, а шестстепенните са правило от компактните модели нагоре. Идеята на шестата в повечето случаи е силното намаляване на оборотите при високи скорости, а в някои случаи в които тя не е толкова дълга, води до намаляване на падовете на оборотите при превключване. Особено положително отражение многостепенните трансмисии имат при дизеловите двигатели, чийто агрегати притежават висок въртящ момент, но значително свит работен диапазон поради принципното естество на работа на дизела. Това е още по-силно изразено при камионите с техните големи двигатели, още по-тесен оборотен диапазон и голям брой предавки в името на ефективността.
Текст: Георги Колев
(следва еволюцията и технологиите при автоматичните трансмисии)
