2813.Планетарные передачи в автомобилестроении
..pdf8. РАЗНОВИДНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ
Современные планетарные коробки передач отличаются большим разнообразием. Обычно они классифицируются по различным признакам и в первую очередь по числу передач и особенностям компоновки. Это связано с тем, что число передач определяет кинематический диапазон коробки, от которого зависят эксплуатационные показатели: топливная экономичность и тягово-динамические характеристики автомобиля.
По сравнению с применявшимися ранее трехступенчатыми коробками передач четырехступенчатые позволили реализовать ряд важных преимуществ, способствующих улучшению топливной экономичности и динамических качеств автомобиля. Однако вопрос об их дальнейшем совершенствовании оставался открытым. Стремление к дальнейшему повышению динамических качеств автомобилей и их топливной экономичности уже в начале 90-х годов привело к созданию пятиступенчатых планетарных коробок передач.
Значительные работы в этом направлении были проведены фирмами ZF и Mercedes-Benz. В какой-то степени создание данных передач явилось ответом на появление шестиступенчатых коробок передач с ручным управлением. Фирма ZF разработала два варианта пятиступенчатых планетарных коробок передач. Первый вариант предусматривал развитие схемы ZF4HP18 (Ровенье). В кинематическую схему этой четырехступенчатой коробки передач был добавлен дополнительный планетарный ряд, который обеспечил получение еще одной понижающей передачи, при этом был реализован следующий ряд передаточных чисел: 3,67; 2,0; 1,44; 1,00; 0,74 и задний ход: –2,75 . Автоматическая коробка, выполненная по этой схеме, получила индекс ZF 5HP18. Для реализации указанных передаточных чисел на первой, второй и третьей передачах включен тормоз дополнительного планетарного ряда, останавливающий солнечную шестерню и реализующий понижающую передачу с передаточным числом 1,41. На четвертой и пятой передачах этот ряд блокируется. К недостаткам этой передачи можно отнести увеличение числа выключенных фрикционных элементов, которые могут создавать дополнительные потери.
Другой вариант более компактной пятиступенчатой коробки, разработанный фирмой ZF (по схеме Вильсона), получил индекс 5НР-24. В нем использованы три планетарных ряда, три муфты сцепления, три дисковых тормоза и муфта свободного хода. Указанная автоматическая передача устанавливается на автомобилях BMW, Audi и др.
161
8.1. Автоматическая коробка передач Mercedes-Benz 722.6
Представленные выше автоматические пятиступенчатые планетарные коробки передач способствовали улучшению тяговых и разгонных характеристик, а также топливной экономичности легковых автомобилей. Однако при этом пришлось ввести третий планетарный ряд, что увеличило длину коробки передач до 500–650 мм. Использовать такие коробки передач оказалось возможным только на автомобилях с задним приводом. Между тем в настоящее время на автомобилях малого и среднего класса в большинстве случаев применяется передний привод с поперечным расположением двигателя. Для размещения автоматических планетарных коробок на таких автомобилях их длина не должна превышать 350–400 мм. В связи с этим в конце 90-х годов активизировались работы по созданию пятиступенчатых планетарных коробок, которые имеют более компактную конструкцию и, в частности, уменьшенную длину.
Рис. 8.1. Пятиступенчатая планетарная коробка передач
В качестве примера такой конструкции можно привести пятиступенчатую планетарную коробку передач японской фирмы JATCO (модель JF506E) (рис. 8.1).
Пятиступенчатая АКП фирмы JATСO JF506E
В отличие от ранее приведенных конструкций пятиступенчатых коробок для заднеприводных автомобилей, планетарные коробки которых располагались в одну линию по оси коленчатого вала, пятиступенчатая коробка JATСO JF506E располагается в две линии, при этом на одной линии находятся гидротрансформатор и два планетарных ряда, а на другой – третий планетарный ряд.
162
Данная коробка передач может быть использована на автомобилях с передним приводом и поперечным расположением двигателя, который имеет рабочий объем до 3 л, n ≤7000 об/мин, при этом ее длина составляет около 370 мм.
Шестиступенчатая АКП ZF-6HP-26/32
В качестве дальнейшего шага в области развития автоматических коробок передач следует рассматривать создание шестиступенчатой автоматической коробки передач ZF-6HP-26/6HP-32, которая разработана фирмой ZF.
Разрез АКП 6НР-26. Кинематическая схема, примененная в этой автоматической коробке, включает планетарную передачу Ровенье, при этом перед основным планетарным рядом установлен еще один планетарный ряд. Совместно они образуют планетарную передачу Лепелетье (Lepelletier). Указанная передача включает три сцепления и три тормоза, при этом реализуется шесть передач переднего хода, а также передача заднего хода. По такой же схеме выполнена АКП AisinWarner.
Применение представленной шестиступенчатой планетарной коробки передач позволяет улучшить топливную экономичность автомобиля в результате работы двигателя на более экономичных режимах благодаря расширению кинематического диапазона. Одновременно можно ожидать снижения дисковых потерь во вращающихся отключенных сцеплениях, так как их число уменьшено по сравнению с пятиступенчатыми передачами. По данным производителя коробки, снижение расхода топлива составляет до 5–7 % по сравнению с ранее применявшейся автоматической коробкой пе-
редач ZF-5HP-24.
Одновременно, также благодаря расширению диапазона и повышению плотности ряда по сравнению с пятиступенчатой передачей, достигается улучшение разгонных качеств автомобиля на 1–5 %.
Кроме того, благодаря рациональной схеме данного редуктора и удачным конструкторским решениям удалось уменьшить число фрикционных элементов, используемых для управления этой коробкой передач. По данным ZF, по сравнению с пятиступенчатыми автоматическими коробками новая коробка передач легче на 30 кг и примерно на 50 мм короче. В настоящее время данная коробка передач используется на автомобилях BMW серии 735i и 745i и автомобилях Audi. Однако, учитывая серьезные преимущества новой автоматической коробки передач, можно ожидать значительного расширения области ее применения.
163
По этой же схеме выполнены две АКП фирмы AisinWarner – для заднеприводных и полноприводных, а также переднеприводных автомобилей.
Разрез АКП AisinWarner. Первая устанавливается на автомобилях Volkswagen (Tuareg и т.д.), вторая получила массовое применение на авто-
мобилях Volkswagen, Ford, Volvo и т.д.
Семиступенчатая автоматическая коробка фирмы Mercedes
Семиступенчатая автоматическая коробка фирмы (рис. 8.2) была разработана в 2004 году применительно к автомобилям высшего класса с двигателями до 5–6 л и предназначалась взамен ранее созданной пятиступенчатой коробки (версия 7.22.6), которая была описана выше. Конструкция этой новой коробки включает три планетарных ряда, один из которых сложный и содержит сцепленные сателлиты и две коронные шестерни. При незначительном увеличении габаритов оказалось возможным расширить кинематический диапазон и одновременно уплотнить ряд передаточных чисел. При этом коробка передач имеет четыре понижающих передачи, прямую передачу и две повышающих. По имеющимся данным, это позволило улучшить разгонные качества по сравнению с автомобилями, на которых устанавливается пятиступенчатая автоматическая коробка 722 в диапазоне 60–120 км/ч, а также улучшить топливную экономичность на 4–5 %. Последнее, по-видимому, связано с применением двух повышающих передач. Кроме того, при этом достигается некоторое снижение шума двигателя за счет увеличения времени его работы в зоне оптимальных оборотов.
Рис. 8.2. Семиступенчатая автоматическая коробка передач фирмы Merсedes
Вместе с тем можно предположить, что дальнейшее увеличение числа передач более 6–7 на легковых автомобилях нецелесообразно. Так, при 6–7 передачах достигается требуемый кинематический диапазон, а дальнейшее
164
увеличение плотности ряда может ухудшить работу автоматической системы управления ввиду возникновения цикличности, при которой происходит частое переключение передач «вверх-вниз» даже при незначительном изменении сопротивления движению. Кроме того, при этом имеет место усложнение конструкции.
В целом представленный материал показывает, как изменились кинематические схемы и конструкции автоматических коробок передач за последнее время, что в конечном результате позволило улучшить эксплуатационные качества автомобилей и, в первую очередь, их разгонные качества и топливную экономичность.
8.2. Автоматическая коробка передач Toyota
Планетарная коробка передач содержит три планетарных ряда (рис. 8.3), три блокировочных муфты, четыре тормоза и три муфты свободного хода. Мощность от двигателя через гидротрансформатор передается на входной вал планетарной коробки передач. Переключение передач осуществляется включением комбинации двух элементов управления, в результате чего изменяется частота вращения выходного вала (см. рис. 8.3).
Рис. 8.3. Планетарная коробка передач: 1 – водило повышающего планетарного ряда; 2 – эпицикл повышающего планетарного ряда; 3 – промежуточный вал; 4 – эпицикл заднего планетарного ряда; 5 – солнечные шестерни переднего и заднего планетарного рядов; 6 – сателлиты
Блокировочная муфта повышающего планетарного ряда С0 соединяет водило и солнечное колесо повышающего ряда (см. ряда 8.3).
Тормоз повышающего ряда В0 останавливает солнечное колесо повышающего ряда.
165
Муфта 1 свободного хода повышающего ряда F1 при включенном тормозе второй передачи запрещает вращение против часовой стрелки солнечных шестерен переднего и заднего планетарных рядов.
Муфта переднего хода С1 соединяет входной вал и эпицикл переднего планетарного ряда.
Тормоз второй передачи В2 останавливает наружное кольцо муфты свободного хода 1, таким образом запрещая вращение солнечных шестерен переднего и заднего планетарных рядов против часовой стрелки.
Тормоз первый передачи и заднего хода В3 останавливает водило заднего планетарного ряда.
Муфта свободного хода 2 F2 запрещает вращение водила заднего планетарного ряда против часовой стрелки.
Муфта прямой передачи С2 соединяет входной вал и солнечные шестерни переднего и заднего планетарных рядов.
8.3. Автоматическая коробка предач Ford Focus
Автоматическая коробка передач с обозначением 4F27E Ford, в разработке которой принимала участие фирма Mazda, устанавливается с двигателем 1,6 л Zetec-SE. Она имеет электронное управление и функцию блокировки гидротрансформатора. Имеющиеся в коробке передач два планетарных ряда создают различные варианты передаточных отношений
(рис. 8.4).
Рис. 8.4. Автоматическая коробка передач Ford Focus
Срок службы современных коробок передач (рис. 8.5) соответствует сроку службы автомобиля.
166
Рис. 8.5. Автоматическая коробка передач 4F27E: 1 – ленточный тормоз; 2 – планетарный механизм; 3, 4, 12 и 13 – многодисковые фрикционы; 5 – масляный насос; 6 – гидротрансформатор; 7 – входной вал; 8 – промежуточная шестерня; 9 – дифференциал;
10 – шестерня; 11 – муфта свободного хода
Автоматическая коробка PowerShift Ford
Все более ужесточающиеся нормы потребления топлива заставляют автопроизводителей искать любые способы уменьшения расхода топлива. Американская компания Ford ведет несколько разработок в этом направлении – гибридные автомобили, электромобили, а также все то, что может значительно повлиять на расход топлива.
167
К числу последних относится новая коробка передач с двойным сцеплением под названием PowerShift. Яркий пример использования такого подхода – Ford Mustang 2011, версии V6 и V8 GT будут оснащаться МКПП или АКПП на шесть передач. Двигатель Mustang будет расходовать 7,5 л/100 км по шоссе – это рекордный показатель для машины с бензиновым двигателем мощностью более 300 л.с. В автоматической версии Ford Fiesta, который появится в 2012 году, расход топлива будет на уровне 5,8 л/100 км при движении по автостраде.
Эффективная работа коробки передач от Ford основана на принципах механической КПП, следовательно, исключаются ненужные детали вроде планетарных передач, гидротрансформатора и насоса – все то, без чего традиционная АКПП не может обходиться. Два сцепления, находящихся в картере с сухой системой смазки, ответственны за разные передачи: одно сцепление работает с четными передачами, второе – с нечетными. Механизм (рис. 8.6) обеспечивает хорошую плавность и своевременность переключений, соответственно, уменьшая расход топлива.
Рис. 8.6. Коробка передач с двойным сцеплением
Ппредставители Ford утверждают, что PowerShift будет устанавливаться не только на мускул-кары вроде Mustang, но и на доступные автомобили, такие как Fiesta и Focus. К 2013 году компания рассчитывает перевести производство на экономичную шестиступенчатую коробку передач.
Эффективная шестиступенчатая автоматическая коробка PowerShift Ford (рис. 8.7) снижает расход топлива до 10 %, помогая Ford Fiesta и Ford Focus получить 17 км/л (5,9 л/100 км). PowerShift, доступная в моделях Ford Fiesta и Ford Focus, является одной из самых современных трансмиссий для
168
малолитражек и компактных автомобилей. Коробки передач с двойным сцеплением, как PowerShift, родились на гоночном треке и нашли свое применение в ультрадорогих экзотичных автомобилях.
Рис. 8.7. Автоматическая коробка передач PowerShift
В отличие от обычных гидравлических автоматических коробок передач, которые используют неэкономичные гидротрансформаторы, коробки с мокрыми сцеплениями и насосами, новая автоматическая PowerShift с двойным сцеплением состоит из двух коробок передач (в одном корпусе), работающих параллельно. Каждая имеет свой собственный независимый блок сцепления, управляемый компьютером и быстродействующими электромеханическими приводами, обеспечивающими переключение передач.
Одно сцепление работает с нечетными передачами (1, 3 и 5), в то время как другое – с четными передачами (2, 4 и 6) и задней передачей. PowerShift является автоматической коробкой, поскольку переключение передач координируется компьютером. Управляя включением и выключением муфты, он обеспечивает плавную передачу крутящего момента на колеса, даже при переключении передач. Передовые функции Ford PowerShift включают в себя:
–Устранение провалов в передаче крутящего момента: запатентованные инновации разработок Ford, которые исключают небольшие задержки, ощущаемые водителями, во время ускорения при включении более высокой передачи. PowerShift посылает гладкий, непрерывный поток крутящего момента на колеса для равномерного ускорения.
–Помощь при трогании на подъеме (Hill Start Assist): если датчики обнаруживают Ford Fiesta или Ford Focus, находящиеся на подъеме от 5° или более, Hill Start Assist автоматически предотвращает скатывание автомоби-
169
ля назад в тот момент, когда водитель перемещает свою ногу с тормоза на акселератор. Компьютер PowerShift контролирует давление в тормозной системе и обороты двигателя, удерживая автомобиль на месте.
–Нейтральное положение коробки передач: эта функция помогает улучшить экономию топлива за счет устранения дополнительной нагрузки на двигатель традиционных гидравлических передач, когда автомобиль стоит на месте.
–Снижение веса: PowerShift весит на 13,6 кг меньше, чем четырехступенчатая автоматическая коробка передач на Ford Focus 2011 года. Меньший вес позволяет улучшить топливную экономичность.
8.4. Автоматическая коробка предач BMW
Шестиступенчатые коробки передач (рис. 8.8) стали производить недавно. Далее появился семиступенчатый мерседесовский 7G-Tronic, затем японская компания Aisin начала выпускать автоматические коробки передач с восемью ступенями для автомобилей Lexus. В то же время немецкая компания ZF Friedrichshafen AG производит восьмиступенчатые АКПП для BMW, а теперь речь идет о девяти передачах – причем для машин с поперечным расположением силового агрегата.
Рис. 8.8. Шестиступенчатые коробки передач BMW
О создании девятиступенчатой АКПП для автомобилей классической компоновки объявила и фирма Mercedes-Benz, но поперечная компоновка диктует особые требования к компактности трансмиссии. Новая коробка передач рассчитана на момент до 400 Нм, силовой диапазон, т.е. отношение чисел высшей и низшей передач, составит около 6,4. Как и обычно, на «входе» стоит гидротрансформатор, а за переключение передачи отвечают
170