Автоматическая коробка передач (иногда сокращенно AT ) — это многоскоростная трансмиссия, используемая в автомобилях, которая не требует каких-либо действий со стороны водителя для переключения передних передач в нормальных условиях движения. Транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания , в отличие от электромобилей , требуют, чтобы двигатель работал в узком диапазоне скоростей вращения, а для привода колес в широком диапазоне скоростей требуется коробка передач с ручным или автоматическим управлением.
Наиболее распространенным типом АКПП является гидроавтомат, в котором используется планетарная (эпициклическая) передача , гидроуправления и гидротрансформатор . Другие типы автоматических трансмиссий включают бесступенчатую трансмиссию (CVT), автоматизированную механическую трансмиссию (AMT) и трансмиссию с двойным сцеплением (DCT).
«Коробку передач для безлошадной кареты» Sturtevant 1904 года часто считают первой настоящей автоматической коробкой передач. [1] [2] Первой серийной автоматической коробкой передач является четырехступенчатая гидравлическая автоматическая коробка передач General Motors Hydramatic , которая была представлена в 1939 году.
Автоматические коробки передач также встречаются в некоторых тяжелых коммерческих автомобилях, особенно в тех, которые подвергаются интенсивным остановкам и запускам, таких как автобусы и машины для сбора мусора .
Транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания, в отличие от электромобилей, требуют, чтобы двигатель работал в узком диапазоне скоростей вращения, а для привода колес в широком диапазоне скоростей требуется коробка передач с ручным или автоматическим управлением.
Во всем мире 43% новых автомобилей, выпущенных в 2015 году, имели механическую коробку передач, а к 2020 году эта цифра упадет до 37%. [3] Автоматические коробки передач уже давно распространены в Соединенных Штатах, но стали распространяться в Европе лишь намного позже. В Европе в 1997 году только 10–12% автомобилей имели автоматическую коробку передач. [4]
В 1957 году более 80% новых автомобилей в США имели автоматические коробки передач. [3] Автоматические коробки передач были стандартными для больших автомобилей по крайней мере с 1974 года. [5] К 2020 году только 2,4% новых автомобилей имели механическую коробку передач. [6] Исторически автоматические коробки передач были менее эффективны, но более низкие цены на топливо в США сделали это меньшей проблемой, чем в Европе. [7]
В Соединенном Королевстве с 2020 года большинство новых автомобилей имеют автоматические коробки передач. Некоторые производители, включая Mercedes и Volvo, больше не продают автомобили с механической коробкой передач. Растущая распространенность автоматических трансмиссий объясняется увеличением количества электрических и гибридных автомобилей, а также простотой их интеграции с системами безопасности, такими как автономное экстренное торможение . [8] [9]
КПД (выходная мощность в процентах от входной) обычных автоматических трансмиссий колеблется от 86 до 94%. Механические трансмиссии более экономичны, чем все автоматические трансмиссии, кроме новейших, из-за изначально низких паразитных потерь, обычно около 4%, а также из-за того, что они дешевле в изготовлении, легче, лучше работают и имеют более простую механическую конструкцию. Однако у механических коробок передач есть тот недостаток, что водителю приходится включать сцепление и переключать передачу всякий раз, когда это необходимо. Экономия топлива, конечно, ухудшается при снижении эффективности. [10] Реальные испытания, проведенные в 2022 году, показали, что при обычном вождении механическая коробка передач обеспечивает на 2–5 % большую экономию топлива, чем автоматическая, а у опытного водителя эта цифра увеличивается до 20 %. Некоторые лабораторные тесты показывают автоматику в лучшем свете благодаря тестам с использованием предписанной схемы переключения передач для ручных передач, которые не всегда оптимизированы с точки зрения экономии. Однако при длительных поездках по шоссе механическая коробка передач требует поддержания очень определенной крейсерской скорости для оптимизации экономичности, поэтому автоматическая коробка передач предпочтительнее. [11]
Наиболее распространенной конструкцией автоматических трансмиссий является гидроавтомат, в котором обычно используются планетарные передачи, приводимые в действие гидравликой. [12] [13] Трансмиссия соединена с двигателем через гидротрансформатор (или гидромуфту до 1960-х годов) вместо фрикционной муфты, используемой в большинстве механических трансмиссий . [14]
В гидравлической автоматической трансмиссии используются планетарные передачи вместо конструкции механической трансмиссии, в которой шестерни расположены вдоль входного, выходного и промежуточного валов. Для переключения передач гидроавтомат использует комбинацию внутренних фрикционов, фрикционных лент или тормозных пакетов. Эти устройства используются для блокировки определенных передач, тем самым устанавливая, какое передаточное число используется в данный момент. [15]
Пружинная муфта (устройство, похожее на храповой механизм, которое может вращаться на свободном ходу и передавать крутящий момент только в одном направлении) часто используется для обычного переключения передач. Преимущество зубчатой муфты заключается в том, что она устраняет необходимость определения времени одновременного выключения/включения сцепления на двух планетарных передачах, просто «принимая» на себя нагрузку трансмиссии при включении и автоматически отпуская, когда зубчатая муфта следующей передачи принимает на себя передачу крутящего момента.
Фрикционные ленты часто используются для переключения передач вручную (например, пониженного диапазона или заднего хода) и действуют по окружности планетарного барабана. Ленты не применяются при выборе диапазона привода/повышающей передачи, вместо этого крутящий момент передается пружинными муфтами.
Управление вышеупомянутыми фрикционными лентами и сцеплениями осуществляется с помощью жидкости для автоматических трансмиссий (ATF), давление в которой создается насосом, а затем направляется в соответствующие ленты/муфты для получения необходимого передаточного числа. [14] [15] ATF обеспечивает смазку, защиту от коррозии и гидравлическую среду для передачи мощности, необходимой для работы трансмиссии. ATF, изготовленная из нефти с различными добавками и добавками, является одной из немногих частей автоматической коробки передач, которая требует регулярного обслуживания по мере старения автомобиля.
Главный насос , создающий давление в ATF, обычно представляет собой шестеренный насос, установленный между гидротрансформатором и планетарной передачей. Вход главного насоса соединен с корпусом гидротрансформатора, который, в свою очередь, прикреплен болтами к гибкой пластине двигателя, поэтому насос обеспечивает давление при каждом работающем двигателе. Недостатком этой схемы является отсутствие давления масла для работы трансмиссии, когда двигатель не работает, поэтому невозможно запустить автомобиль с автоматической коробкой передач без заднего насоса (за исключением нескольких автоматических систем, построенных до 1970 года, который также включал задний насос для буксировки и запуска с толкателя). Давление ATF регулируется регулятором, соединенным с выходным валом, который изменяет давление в зависимости от скорости автомобиля.
Корпус клапана внутри трансмиссии отвечает за направление гидравлического давления на соответствующие ленты и сцепления. Он получает жидкость под давлением от главного насоса и состоит из нескольких подпружиненных клапанов, обратных шариков и сервопоршней . В старых автоматических трансмиссиях клапаны используют давление насоса и давление центробежного регулятора на выходной стороне (а также другие входные данные, такие как положение дроссельной заслонки или блокировку водителем более высоких передач) для управления выбором передаточного числа. Когда автомобиль и двигатель меняют скорость, разница между давлениями меняется, в результате чего открываются и закрываются разные наборы клапанов. В более поздних автоматических трансмиссиях клапаны управляются соленоидами . [15] Эти соленоиды управляются компьютером, при этом выбор передачи определяется специальным блоком управления коробкой передач (TCU), а иногда эта функция интегрирована в блок управления двигателем (ECU). В современных конструкциях центробежный регулятор заменен электронным датчиком скорости, который используется в качестве входных данных для TCU или ECU. Современные трансмиссии также учитывают величину нагрузки на двигатель в любой момент времени, которая определяется либо положением дроссельной заслонки , либо величиной вакуума во впускном коллекторе. [15]
Множество деталей, а также сложная конструкция гидроблока изначально сделали гидравлические автоматические трансмиссии намного более дорогими и трудоемкими в изготовлении и ремонте, чем механические трансмиссии; однако массовое производство и развитие с течением времени сократили этот разрыв в стоимости.
Для обеспечения сцепления и развязки двигателя в современной автоматической коробке передач вместо фрикциона, используемого в механической коробке передач, используется гидротрансформатор . [14] [16]
«Коробку передач для безлошадной повозки» Sturtevant 1904 года часто считают первой автоматической коробкой передач для автомобилей. [17] [18] Эта трансмиссия, разработанная в Бостоне в США, имела два передаточных числа переднего хода и грузики с приводом от двигателя, которые контролировали выбор передачи. [ нужна цитата ] При более высоких оборотах двигателя включалась высокая передача. Когда автомобиль замедлялся и частота вращения двигателя снижалась, коробка передач снова переключалась на пониженную передачу. Однако трансмиссия была склонна к внезапному выходу из строя из-за того, что трансмиссия не могла выдерживать нагрузки, возникающие при резком переключении передач.
Использование планетарных передач стало значительным шагом вперед на пути к современной автоматической коробке передач. Одной из первых трансмиссий, в которой использовалась эта конструкция, была механическая коробка передач, установленная на автомобиле Wilson-Pilcher 1901–1904 годов . [19] Эта трансмиссия была построена в Великобритании и использовала две эпициклические шестерни для обеспечения четырех передаточных чисел. Для старта с места использовалось ножное сцепление, выбор передач осуществлялся с помощью ручного рычага, использовались косозубые шестерни (для снижения шума), а шестерни имели конструкцию с постоянным зацеплением. Планетарная передача также использовалась в автомобиле Ford Model T 1908 года , который оснащался двухступенчатой механической коробкой передач (без косозубых шестерен).
Первый патент на автоматическую трансмиссию был выдан канадскому изобретателю Альфреду Хорнеру Манро из Регины в 1923 году . приложение. [21]
В 1923 году в США был утвержден патент, описывающий работу трансмиссии, в которой было исключено ручное переключение передач и ручное управление сцеплением. Этот патент был представлен Генри Р. Хоффманом из Чикаго и назывался « Автоматическое переключение передач и контроль скорости» . В патенте работа такой трансмиссии описывалась как «…имеющая ряд муфт, расположенных между валом двигателя и валом дифференциала, в которых муфты устроены так, чтобы избирательно включать и приводить в движение вал дифференциала в зависимости от скорости, с которой Вал дифференциала вращается». Однако прошло более десяти лет, прежде чем автоматические трансмиссии стали производиться в значительных количествах. Тем временем некоторые европейские и британские производители будут использовать коробки передач с преселектором - разновидность механической коробки передач, которая устраняет зависимость от навыков водителя для достижения плавного переключения передач.
Первая автоматическая коробка передач, использующая гидравлическую жидкость, была разработана в 1932 году двумя бразильскими инженерами Хосе Брасом Арарипе и Фернандо Лели Лемосом. [22] [2]
Эволюция в сторону массового производства автоматических трансмиссий продолжилась с появлением в 1933–1935 годах полуавтоматической трансмиссии REO Motor Car Company Self-Shifter [23] , которая автоматически переключалась между двумя передними передачами в режиме «Вперед» (или между двумя более короткими передаточными числами в режиме «Вперед»). режим «Аварийный низкий уровень»). Во время обычного вождения по-прежнему требовалось участие водителя, поскольку при трогании с места водитель должен был использовать педаль сцепления. [24] За этим в 1937 году последовала автоматическая безопасная коробка передач Oldsmobile . Аналогично REO Self-Shifter , автоматическая безопасная трансмиссия автоматически переключалась между двумя передаточными числами, доступными в «низком» и «высоком» диапазонах, а для трогания с места требовалась педаль сцепления. В нем использовалась планетарная передача. [25] [26] [27] Chrysler Fluid Drive , представленный в 1939 году, был дополнительным дополнением к механическим трансмиссиям, в котором была добавлена гидромуфта (аналог гидротрансформатора, но без увеличения крутящего момента), чтобы избежать необходимости управлять ручным сцеплением. [28] [29]
General Motors Hydra-Matic стала первой автоматической коробкой передач массового производства после ее появления в 1939 году (модель 1940 года). Доступная в качестве опции для таких автомобилей, как Oldsmobile Series 60 и Cadillac Sixty Special , система Hydra-Matic сочетала гидромуфту с тремя планетарными передачами с гидравлическим управлением для обеспечения четырех скоростей переднего хода и заднего хода. Трансмиссия была чувствительна к положению дроссельной заслонки двигателя и скорости движения, обеспечивая полностью автоматическое переключение вверх и вниз, которое менялось в зависимости от условий эксплуатации. Особенности Hydra-Matic включали широкий диапазон передаточных чисел (обеспечивающий как хорошее ускорение на первой передаче, так и плавное движение на низких оборотах двигателя на высшей передаче), а также гидромуфту, передающую только часть крутящего момента двигателя на двух верхних передачах (увеличение расхода топлива). экономия на этих передачах, аналогичная гидротрансформатору с блокировкой ). Использование Hydra-Matic распространилось на другие бренды General Motors, а затем, начиная с 1948 года, на других производителей, включая Hudson , Lincoln , Kaiser , Nash , Holden (Австралия), а также Rolls-Royce и Bentley , лицензирующие производство в Великобритании и обеспечивающие трансмиссию. Jensen Motors , Armstrong Siddeley и другим производителям Великобритании. [30] Во время Второй мировой войны Hydra-Matic использовался в некоторых военных машинах.
Первой автоматической коробкой передач, в которой использовался гидротрансформатор (вместо гидромуфты), была Buick Dynaflow , представленная в 1948 модельном году. При обычном вождении Dynaflow использовал только высшую передачу, полагаясь на увеличение крутящего момента гидротрансформатора на более низких скоростях. За Dynaflow последовал Packard Ultramatic в середине 1949 года и Chevrolet Powerglide 1950 модельного года. Каждая из этих трансмиссий имела только две скорости движения вперед, причем для дополнительного увеличения крутящего момента использовался преобразователь. В начале 1950-х годов компания BorgWarner разработала серию трехступенчатых гидротрансформаторных автоматов для таких производителей автомобилей, как American Motors, Ford и Studebaker. Компания Chrysler опоздала с разработкой своей собственной настоящей автоматической коробки передач, представив двухскоростной гидротрансформатор PowerFlite в 1953 году и трехступенчатый TorqueFlite в 1956 году. Последний был первым, кто использовал составную планетарную передачу Simpson.
В 1956 году компания General Motors Hydra-Matic (в которой все еще использовалась гидромуфта) была модернизирована с использованием двух гидромуфт для обеспечения более плавного переключения передач. Эта трансмиссия получила название Controlled Coupling Hydra-Matic , или трансмиссия Jetaway. Оригинальный Hydra-Matic оставался в производстве до середины 1960-х годов в GM, а лицензированная автоматическая коробка передач Rolls-Royce использовалась до 1978 года на Rolls -Royce Phantom VI . В 1964 году General Motors выпустила новую трансмиссию Turbo Hydramatic — трехступенчатую коробку передач, в которой использовался гидротрансформатор. Turbo Hydramatic был одним из первых, кто имел базовый выбор передач ( парковка , задний ход , нейтраль , привод , пониженная передача ), которые стали стандартным выбором передач, используемым в течение нескольких десятилетий.
К концу 1960-х годов большая часть двухступенчатых и четырехступенчатых трансмиссий с жидкостной муфтой исчезла в пользу трехступенчатых агрегатов с гидротрансформаторами. Также примерно в это же время из жидкости автоматической коробки передач был удален китовый жир . [31] В 1980-х годах автоматические трансмиссии с четырьмя передаточными числами становились все более распространенными, [32] и многие из них были оснащены гидротрансформаторами с блокировкой, чтобы улучшить экономию топлива.
Для управления трансмиссией стала чаще использоваться электроника , заменившая механические методы управления, такие как подпружиненные клапаны в корпусе клапана. В большинстве систем используются соленоиды , которые управляются либо блоком управления двигателем , либо отдельным блоком управления коробкой передач . Это позволяет более точно контролировать точки переключения, качество переключения, сокращать время переключения и осуществлять ручное управление.
Первой пятиступенчатой автоматической коробкой передач стала трансмиссия ZF 5HP18 , дебютировавшая в 1991 году на различных моделях BMW . Первой шестиступенчатой автоматической коробкой передач стала коробка передач ZF 6HP26 , дебютировавшая в 2002 году на BMW 7 серии (E65) . Первым семиступенчатым автоматом стала трансмиссия Mercedes-Benz 7G-Tronic , дебютировавшая годом позже. В 2007 году первой восьмиступенчатой коробкой передач, поступившей в производство, стала трансмиссия Toyota AA80E . Первыми девяти- и десятиступенчатыми трансмиссиями были трансмиссия ZF 9HP 2013 года и Toyota Direct Shift-10A 2017 года (используемая в Lexus LC ) соответственно.
Селектор передач – это вход, с помощью которого водитель выбирает режим работы автоматической коробки передач. [33] Традиционно селектор передач расположен между двумя передними сиденьями или на рулевой колонке, однако с 1980-х годов также время от времени использовались электронные поворотные переключатели и кнопки, а также кнопки, которые использовались в 1950-х и 1960-х годах. от Rambler (автомобиль) , Edsel и, самое известное, от Chrysler . В некоторых автомобилях использовался рычаг на приборной панели, например, в автомобилях Chrysler Corporation 1955 года и, в частности, в Corvair.
В большинстве автомобилей используется схема селектора передач «P–R–N–D–L», которая состоит из следующих положений: [34]
Некоторые автоматические трансмиссии, особенно General Motors , с 1940 по 1964 год использовали компоновку с реверсом в качестве нижнего положения (например, P-N-D-L-R). [36] [ проверка не удалась ] Однако такая компоновка рисковала водителем случайно переключиться на задний ход во время движения автомобиля вперед (особенно при использовании торможения двигателем ). [ нужна цитата ]
Многие трансмиссии также включают положения, позволяющие ограничить выбор передачи только низшими передачами и включить моторный тормоз . Эти положения часто обозначаются буквами «L» (низкая передача), «S» (вторая передача) или номером высшей передачи, используемой в этом положении (например, 3, 2 или 1). Если эти положения задействованы в тот момент, когда это может привести к чрезмерной частоте вращения двигателя, многие современные трансмиссии игнорируют положение селектора и остаются на более высокой передаче.
В порядке убывания высшей доступной передачи:
Многие современные трансмиссии включают режимы, позволяющие регулировать логику переключения передач в зависимости от мощности или экономии топлива . В режимах «Спорт» (также называемых «Мощность» или «Производительность») переключение передач происходит на более высоких оборотах двигателя, что обеспечивает более высокое ускорение. В режимах «Экономичный» (также называемый «Эко» или «Комфорт») переключение передач происходит на более низких оборотах двигателя, чтобы снизить расход топлива.
.jpg/1280px-Paddle_Shifter_-_2013_BMW_X5_xdrive_35i_(9709131265).jpg)
С 1990-х годов системы, позволяющие вручную запрашивать конкретную передачу или повышать/понижать передачу, стали более распространенными. Эти механические трансмиссии предлагают водителю больший контроль над выбором передачи, чем традиционные режимы, ограничивающие трансмиссию низшими передачами.
Использование ручных функций обычно осуществляется либо с помощью подрулевых переключателей, расположенных рядом с рулевой колонкой, либо с помощью кнопок «+» и «-» на селекторе передач. Некоторые автомобили предлагают водителям оба метода запроса ручного выбора передачи.
Бесступенчатая трансмиссия (CVT) может плавно переключаться в непрерывном (бесконечном) диапазоне передаточных чисел по сравнению с другими автоматическими трансмиссиями, которые обеспечивают ограниченное количество передаточных чисел с фиксированными шагами. Гибкость вариатора с подходящим управлением может позволить двигателю работать с постоянной угловой скоростью, в то время как транспортное средство движется с переменной скоростью.
Вариаторы используются в автомобилях , тракторах , UTV , мотороллерах , снегоходах и землеройной технике .
В наиболее распространенном типе вариатора используются два шкива, соединенные ремнем или цепью , однако применяются и несколько других конструкций.
Трансмиссия с двойным сцеплением (DCT, иногда называемая трансмиссией с двойным сцеплением или трансмиссией с двойным сцеплением ) использует два отдельных сцепления для нечетных и четных наборов передач . [37] Конструкция часто аналогична двум отдельным механическим коробкам передач с соответствующими сцеплениями, содержащимися в одном корпусе и работающими как один блок. [38] [39] В большинстве легковых и грузовых автомобилей DCT функционирует как автоматическая коробка передач, не требуя вмешательства водителя для переключения передач.
Первым DCT, запущенным в производство, была автоматическая коробка передач Easidrive , установленная на автомобиле среднего размера Hillman Minx 1961 года. За этим последовали различные восточноевропейские тракторы в 1970-х годах (с ручным управлением с помощью одной педали сцепления), а затем гоночный автомобиль Porsche 962 C в 1985 году. Первый DCT современной эпохи был использован в Volkswagen Golf R32 2003 года . С конца 2000-х годов DCT получают все большее распространение и вытесняют гидравлические автоматические трансмиссии в различных моделях автомобилей.
Автоматизированная механическая коробка передач (АМТ) , иногда называемая механической коробкой передач без сцепления , представляет собой тип многоступенчатой автомобильной трансмиссии , которая во многом основана на механической конструкции обычной механической коробки передач и автоматизирует систему сцепления, переключение передач, или и то, и другое одновременно, что требует частичного участия или участия водителя или вообще не требует его участия. [10] [40] [41] [42]
Более ранние версии этих трансмиссий, которые являются полуавтоматическими в работе, такие как Autostick , автоматически управляют только системой сцепления и используют различные формы приведения в действие (обычно через привод или сервопривод ) для автоматизации сцепления, но все же требуют участия водителя и полный контроль для ручного переключения передач вручную. Современные версии этих систем, которые работают полностью автоматически, такие как Selespeed и Easytronic , не требуют участия водителя при переключении передач или работе сцепления. Полуавтоматические версии требуют лишь частичного вмешательства водителя (т. е. водитель должен переключать передачи вручную), в то время как полностью автоматические версии вообще не требуют ручного вмешательства водителя ( TCU или ECU автоматически управляет как системой сцепления, так и переключением передач).
Современные автоматизированные механические трансмиссии (АМТ) берут свое начало в старых механических трансмиссиях без сцепления, которые начали появляться на автомобилях массового производства в начале 1930-х и 1940-х годов, до появления гидравлических автоматических трансмиссий. Эти системы были разработаны для уменьшения количества использования сцепления или рычага переключения передач, необходимого водителю. [43] Эти устройства были предназначены для уменьшения сложности эксплуатации обычных несинхронизированных механических коробок передач («аварийных коробок передач»), которые обычно использовались в то время, особенно при движении с остановкой и стартом. Ранний образец этой трансмиссии был представлен на Hudson Commodore в 1942 году и назывался Drive-Master . Этот агрегат представлял собой раннюю полуавтоматическую коробку передач , основанную на конструкции обычной механической коробки передач, в которой использовалась вакуумная система сцепления с сервоуправлением и тремя различными режимами переключения передач одним нажатием кнопки; ручное переключение передач и ручное управление сцеплением (полностью ручное), ручное переключение с автоматическим управлением сцеплением (полуавтоматическое) и автоматическое переключение передач с автоматическим управлением сцеплением (полностью автоматическое). [44] [45] [46] Еще один ранний пример этой системы трансмиссии был представлен в Citroën DS 1955 года , который использовал 4-ступенчатую коробку передач BVH . В этой полуавтоматической трансмиссии использовалось автоматизированное сцепление, приводившееся в действие при помощи гидравлики . В выборе передачи также использовалась гидравлика , однако передаточное число должно выбираться водителем вручную. В США эту систему прозвали Citro-Matic.
Первые современные AMT были представлены BMW и Ferrari в 1997 году с трансмиссиями SMG и F1 соответственно. [47] [48] [49] В обеих системах использовались гидравлические приводы и электрические соленоиды , а также специальный блок управления трансмиссией (TCU) для сцепления и переключения передач, а также подрулевые лепестковые переключатели, если водитель хотел переключать передачи вручную.
Современные полностью автоматические коробки передач AMT, такие как Selespeed и Easytronic , в настоящее время в значительной степени вытеснены и заменены все более распространенной конструкцией коробки передач с двойным сцеплением .