Автоматическая коробка передач (иногда сокращенно AT ) — многоскоростная трансмиссия , используемая в автомобилях, которая не требует вмешательства водителя для переключения передач при нормальных условиях вождения. Транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания , в отличие от электромобилей , требуют, чтобы двигатель работал в узком диапазоне скоростей вращения, требуя коробку передач , управляемую вручную или автоматически, для приведения в движение колес в широком диапазоне скоростей.
Наиболее распространенным типом автоматической трансмиссии является гидравлическая автоматическая, которая использует планетарную (эпициклическую) передачу , гидравлическое управление и гидротрансформатор . Другие типы автоматических трансмиссий включают бесступенчатые трансмиссии (CVT), автоматизированные механические трансмиссии (AMT) и трансмиссии с двойным сцеплением (DCT).
«Коробка передач безлошадного экипажа» Стертеванта 1904 года часто считается первой настоящей автоматической трансмиссией. [1] [2] [ проверка не удалась ] Первой серийно выпускаемой автоматической трансмиссией является четырехступенчатая гидравлическая автоматическая коробка передач General Motors Hydramatic , представленная в 1939 году.
Автоматические коробки передач также устанавливаются на некоторые тяжелые коммерческие транспортные средства, особенно те, которые подвергаются интенсивной эксплуатации с частыми остановками и стартом, например, автобусы и мусоровозы .
Транспортным средствам с двигателями внутреннего сгорания, в отличие от электромобилей, требуется, чтобы двигатель работал в узком диапазоне скоростей вращения, а коробка передач, управляемая вручную или автоматически, приводила колеса в движение в широком диапазоне скоростей.
В глобальном масштабе 43% новых автомобилей, произведенных в 2015 году, имели механическую коробку передач, а к 2020 году эта цифра упала до 37%. [3] Автоматические коробки передач уже давно распространены в Соединенных Штатах, но стали распространены в Европе гораздо позже. В Европе в 1997 году только 10–12% автомобилей имели автоматическую коробку передач. [4]
В 1957 году более 80% новых автомобилей в Соединенных Штатах имели автоматические коробки передач. [3] Автоматические коробки передач стали стандартными для больших автомобилей по крайней мере с 1974 года. [5] К 2020 году только 2,4% новых автомобилей имели механические коробки передач. [6] Исторически автоматические коробки передач были менее эффективными, но более низкие цены на топливо в США сделали это меньшей проблемой, чем в Европе. [7]
В Соединенном Королевстве большинство новых автомобилей имеют автоматические коробки передач с 2020 года. Несколько производителей, включая Mercedes и Volvo, больше не продают автомобили с механическими коробками передач. Растущая распространенность автоматических коробок передач объясняется увеличением числа электрических и гибридных автомобилей, а также простотой их интеграции с системами безопасности, такими как автономное экстренное торможение . [8] [9]
Эффективность, выходная мощность в процентах от входной мощности, обычных автоматических трансмиссий колеблется от 86 до 94%. Механические трансмиссии более экономичны, чем все, кроме новейших автоматических трансмиссий, из-за их изначально низких паразитных потерь, как правило, около 4%, а также из-за того, что они дешевле в производстве, легче, лучше работают и имеют более простую механическую конструкцию. Однако у механических трансмиссий есть недостаток, заключающийся в том, что водителю требуется управлять сцеплением и переключать передачи, когда это необходимо. Экономия топлива , конечно, ухудшается с более низкой эффективностью. [10] Реальные испытания, проведенные в 2022 году, показали, что при типичном вождении механические трансмиссии достигают на 2–5% лучшей экономии топлива, чем автоматические, и увеличиваются до 20% с опытным водителем. Некоторые лабораторные испытания показывают автоматические коробки передач в лучшем свете из-за испытаний с использованием предписанной схемы переключения передач для механических коробок передач, не всегда оптимизированной для экономии. Однако в длительных поездках по шоссе механические трансмиссии требуют поддержания очень определенной крейсерской скорости для оптимизации экономии, что делает автоматические коробки передач предпочтительными. [11]
Наиболее распространенной конструкцией автоматических трансмиссий является гидравлическая автоматическая коробка передач, которая обычно использует планетарные передачи, работающие с использованием гидравлики. [12] [13] Трансмиссия соединена с двигателем через гидротрансформатор (или гидромуфту до 1960-х годов) вместо фрикционной муфты , используемой в большинстве механических трансмиссий . [14]
Гидравлическая автоматическая трансмиссия использует планетарные передачи вместо конструкции механической трансмиссии с шестернями, выстроенными вдоль входного, выходного и промежуточного валов. Для переключения передач гидравлическая автоматика использует комбинацию внутренних муфт, фрикционных лент или тормозных пакетов. Эти устройства используются для блокировки определенных передач, таким образом устанавливая, какое передаточное отношение используется в данный момент времени. [15]
Муфта свободного хода (устройство типа храповика, которое может свободно вращаться и передавать крутящий момент только в одном направлении) часто используется для обычных переключений передач. Преимущество муфты свободного хода заключается в том, что она устраняет чувствительность синхронизации одновременного выключения/включения сцепления на двух планетарных передачах, просто «принимая» на себя нагрузку трансмиссии при срабатывании и автоматически выключаясь, когда муфта свободного хода следующей передачи принимает на себя передачу крутящего момента.
Фрикционные ленты часто используются для передач, выбираемых вручную (например, пониженный диапазон или задний ход), и работают на окружности планетарного барабана. Ленты не применяются, когда выбран диапазон привода/повышающей передачи, вместо этого крутящий момент передается обгонными муфтами.
Вышеупомянутые фрикционные ленты и сцепления управляются с помощью автоматической трансмиссионной жидкости (ATF), которая нагнетается насосом и затем направляется в соответствующие ленты/муфты для получения требуемого передаточного числа. [14] [15] ATF обеспечивает смазку, защиту от коррозии и гидравлическую среду для передачи мощности, необходимой для работы трансмиссии. Изготовленная из нефти с различными очистками и присадками, ATF является одной из немногих частей автоматической трансмиссии, которая требует планового обслуживания по мере старения автомобиля.
Основной насос , который нагнетает давление в ATF, обычно представляет собой шестеренчатый насос, установленный между гидротрансформатором и планетарным редуктором. Вход для основного насоса соединен с корпусом гидротрансформатора, который, в свою очередь, прикручен к гибкой пластине двигателя, поэтому насос обеспечивает давление всякий раз, когда двигатель работает. Недостатком такой конструкции является отсутствие давления масла для работы трансмиссии, когда двигатель не работает, поэтому невозможно запустить двигатель с толкача , если у автомобиля есть автоматическая коробка передач без заднего насоса (за исключением нескольких автоматических коробок передач, выпущенных до 1970 года, которые также включали задний насос для буксировки и запуска с толкача). 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 к соответствующим лентам и сцеплениям. 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 от центробежного регулятора на выходной стороне (а также другие входные данные, такие как положение дроссельной заслонки или блокировка водителем более высоких передач) для управления выбранным передаточным отношением. По мере изменения скорости транспортного средства и двигателя разница между давлениями изменяется, заставляя открываться и закрываться различные наборы клапанов. В более поздних автоматических трансмиссиях клапаны управляются соленоидами . [ 15] Эти соленоиды управляются компьютером, при этом выбор передачи определяется специальным блоком управления трансмиссией (TCU), или иногда эта функция интегрирована в блок управления двигателем (ECU). Современные конструкции заменили центробежный регулятор электронным датчиком скорости, который используется в качестве входного сигнала 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]
Из-за большого количества деталей и сложной конструкции корпуса клапана гидравлические автоматические трансмиссии изначально были намного более дорогими и трудоемкими в изготовлении и ремонте, чем механические трансмиссии. Однако массовое производство и разработки с течением времени сократили этот разрыв в стоимости.
Для обеспечения сцепления и разъединения двигателя современная автоматическая трансмиссия использует гидротрансформатор вместо фрикционной муфты, используемой в механической трансмиссии. [14] [16]
«Коробка передач безлошадного экипажа» Стертеванта 1904 года часто считается первой автоматической трансмиссией для автомобилей. [17] [18] При более высоких оборотах двигателя включалась повышенная передача. По мере замедления автомобиля и снижения оборотов двигателя коробка передач переключалась обратно на пониженную передачу. Однако трансмиссия была склонна к внезапным отказам из-за того, что она не могла выдерживать усилия от резких переключений передач.
Принятие планетарных передач стало значительным шагом вперед на пути к современной автоматической трансмиссии. Одной из первых трансмиссий, использовавших эту конструкцию, была механическая коробка передач, установленная на автомобиле Wilson-Pilcher 1901–1904 годов . [19] Эта трансмиссия была построена в Соединенном Королевстве и использовала две планетарные передачи для обеспечения четырех передаточных чисел. Для трогания с места использовалось ножное сцепление, переключение передач осуществлялось с помощью ручного рычага, использовались косозубые передачи (для снижения шума), а передачи имели конструкцию постоянного зацепления. Планетарная передача также использовалась в Ford Model T 1908 года , который был оснащен двухступенчатой механической коробкой передач (без косозубых передач).
Ранний патент на автоматическую трансмиссию был выдан канадскому изобретателю Альфреду Хорнеру Манро из Реджайны в 1923 году. [20] Будучи инженером по паровой технике, Манро спроектировал свое устройство для использования сжатого воздуха, а не гидравлической жидкости , поэтому ему не хватало мощности, и оно так и не нашло коммерческого применения. [21]
В 1923 году в Соединенных Штатах был одобрен патент, описывающий работу трансмиссии, в которой ручное переключение передач и ручное управление сцеплением были устранены. Этот патент был подан Генри Р. Хоффманом из Чикаго и назывался: Автоматическое переключение передач и управление скоростью . В патенте описывалась работа такой трансмиссии как «...имеющая ряд сцеплений, расположенных между валом двигателя и валом дифференциала, и в которой сцепления расположены так, чтобы избирательно зацеплять и приводить в движение вал дифференциала в зависимости от скорости вращения вала дифференциала». Однако прошло более десятилетия, прежде чем автоматические трансмиссии стали производиться в значительных количествах. Тем временем, несколько европейских и британских производителей использовали коробки передач с преселектором , форму механической трансмиссии, которая устраняла зависимость от навыков водителя для достижения плавного переключения передач.
Первая автоматическая трансмиссия, использующая гидравлическую жидкость, была разработана в 1932 году двумя бразильскими инженерами, Хосе Бразом Арарипе и Фернандо Лехли Лемосом. [22] [2]
Эволюция в сторону серийных автоматических трансмиссий продолжилась с полуавтоматической трансмиссией REO Motor Car Company Self-Shifter 1933–1935 годов, [23] которая автоматически переключалась между двумя передними передачами в режиме «Вперед» (или между двумя более короткими передаточными числами в режиме «Аварийный низкий»). Участие водителя по-прежнему требовалось во время обычного вождения, поскольку для трогания с места требовалось использование педали сцепления. [24] За ней в 1937 году последовала Oldsmobile Automatic Safety Transmission . Похожая по работе на REO Self-Shifter , автоматическая безопасная трансмиссия автоматически переключалась между двумя передаточными числами, доступными в диапазонах «Низкий» и «Высокий», а для трогания с места требовалась педаль сцепления. Она использовала планетарную передачу. [25] [26] [27] Chrysler Fluid Drive , представленный в 1939 году, был дополнительным дополнением к механическим коробкам передач, в которые была добавлена гидромуфта (похожая на гидротрансформатор, но без увеличения крутящего момента), чтобы избежать необходимости управлять ручным сцеплением. [28] [29]
General Motors Hydra-Matic стала первой серийно выпускаемой автоматической трансмиссией после ее появления в 1939 году (модельный год 1940). Доступная в качестве опции в таких автомобилях, как Oldsmobile Series 60 и Cadillac Sixty Special , Hydra-Matic сочетала в себе гидромуфту с тремя гидравлически управляемыми планетарными передачами для получения четырех скоростей вперед и заднего хода. Трансмиссия была чувствительна к положению дроссельной заслонки двигателя и скорости движения, производя полностью автоматическое переключение передач вверх и вниз, которое варьировалось в зависимости от условий эксплуатации. Особенности Hydra-Matic включали широкий диапазон передаточных чисел (обеспечивающий как хорошее ускорение на первой передаче, так и крейсерскую скорость на низких оборотах двигателя на высшей передаче) и гидромуфту, обрабатывающую только часть крутящего момента двигателя на двух верхних передачах (увеличивая экономию топлива на этих передачах, аналогично блокируемому гидротрансформатору). Использование Hydra-Matic распространилось на другие бренды General Motors, а затем и на других производителей, начиная с 1948 года, включая Hudson , Lincoln , Kaiser , Nash , Holden (Австралия), а также Rolls-Royce и Bentley, лицензировавших производство в Великобритании и поставлявших трансмиссию Jensen Motors , Armstrong Siddeley и другим британским производителям. [30] Во время Второй мировой войны Hydra-Matic использовалась в некоторых военных транспортных средствах.
Первой автоматической трансмиссией, использующей гидротрансформатор (вместо гидромуфты), была Buick Dynaflow , представленная в 1948 модельном году. При обычном вождении Dynaflow использовала только высшую передачу, полагаясь на умножение крутящего момента гидротрансформатора на более низких скоростях. За Dynaflow последовали Packard Ultramatic в середине 1949 года и Chevrolet Powerglide в 1950 модельном году. Каждая из этих трансмиссий имела только две скорости переднего хода, полагаясь на гидротрансформатор для дополнительного умножения крутящего момента. В начале 1950-х годов BorgWarner разработала серию трехскоростных автоматических трансмиссий с гидротрансформатором для таких автопроизводителей, как American Motors, Ford и Studebaker. Chrysler опоздал с разработкой собственной настоящей автоматической трансмиссии, представив двухскоростной гидротрансформатор PowerFlite в 1953 году и трехскоростной TorqueFlite в 1956 году. Последняя была первой, в которой использовалась составная планетарная передача Simpson.
В 1956 году General Motors Hydra-Matic (в которой по-прежнему использовалась гидромуфта) была переработана на основе использования двух гидромуфт для обеспечения более плавного переключения передач. Эта трансмиссия называлась Controlled Coupling Hydra-Matic или трансмиссия «Jetaway». Оригинальная Hydra-Matic оставалась в производстве до середины 1960-х годов в GM, а лицензированная автоматическая трансмиссия Rolls-Royce продержалась до 1978 года на Rolls-Royce Phantom VI . В 1964 году General Motors выпустила новую трансмиссию, Turbo Hydramatic , трехступенчатую трансмиссию, которая использовала гидротрансформатор. Turbo Hydramatic была одной из первых, которая имела базовые варианты выбора передач ( парковка , задний ход , нейтраль , движение , пониженная передача ), которые стали стандартным выбором передач, используемым в течение нескольких десятилетий.
К концу 1960-х годов большинство двух- и четырехступенчатых трансмиссий с гидромуфтой исчезли в пользу трехскоростных агрегатов с гидротрансформаторами. Также примерно в это же время из жидкости для автоматической трансмиссии 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 блокируемыми гидротрансформаторами для улучшения экономии топлива.
Электроника стала чаще использоваться для управления трансмиссией, заменив механические методы управления, такие как подпружиненные клапаны в корпусе клапана. Большинство систем используют соленоиды , которые управляются либо блоком управления двигателем , либо отдельным блоком управления трансмиссией . Это позволяет более точно контролировать точки переключения, качество переключения, сокращать время переключения и ручное управление.
Первой пятиступенчатой автоматической коробкой передач была трансмиссия ZF 5HP18 , дебютировавшая в 1991 году на различных моделях BMW . Первой шестиступенчатой автоматической коробкой передач была трансмиссия ZF 6HP26 , дебютировавшая в 2002 году в BMW 7 серии (E65) . Первой семиступенчатой автоматической коробкой передач была трансмиссия Mercedes-Benz 7G-Tronic , дебютировавшая годом позже. В 2007 году первой восьмиступенчатой трансмиссией, поступившей в производство, стала трансмиссия Toyota AA80E . Первыми девятиступенчатой и десятиступенчатой 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 располагается между двумя передними сиденьями или на рулевой колонке, однако с 1980-х годов также иногда используются электронные поворотные циферблаты и кнопки, а также кнопки, которые использовались в 1950-х и 1960-х годах компаниями Rambler (автомобиль) , Edsel и, что наиболее известно, Chrysler . Несколько автомобилей использовали рычаг на панели приборов, например, автомобили Chrysler Corporation 1955 года и, в частности, Corvair.
В большинстве автомобилей используется схема «P–R–N–D–L» для селектора передач, которая состоит из следующих положений: [34]
Некоторые автоматические трансмиссии, особенно производства General Motors с 1940 по 1964 год, использовали компоновку с реверсом в нижнем положении (например, N–D–L–R или P–N–D–L–R). [36] [ проверка не пройдена ]
Многие трансмиссии также включают положения, ограничивающие выбор передач низшими передачами и включающие моторный тормоз . Эти положения часто обозначаются как «L» (низшая передача), «S» (вторая передача) или номером самой высокой передачи, используемой в этом положении (например, 3, 2 или 1). Если эти положения включаются в то время, когда это может привести к чрезмерной скорости двигателя, многие современные трансмиссии игнорируют положение селектора и остаются на более высокой передаче.
В порядке убывания самой высокой доступной передачи:
Многие современные трансмиссии включают режимы для настройки логики переключения передач в зависимости от мощности или экономии топлива . Режимы «Sport» (также называемые «Power» или «Performance») заставляют переключение передач происходить на более высоких оборотах двигателя, что обеспечивает более высокое ускорение. Режимы «Economy» (также называемые «Eco» или «Comfort») заставляют переключение передач происходить на более низких оборотах двигателя, что снижает расход топлива.
.jpg/1280px-Paddle_Shifter_-_2013_BMW_X5_xdrive_35i_(9709131265).jpg)
Начиная с 1990-х годов системы ручного запроса определенной передачи или переключения на повышенную/пониженную передачу стали более распространенными. Эти ручные трансмиссии предлагают водителю больший контроль над выбором передач, чем традиционные режимы, ограничивающие трансмиссию более низкими передачами.
Использование функций ручного переключения передач обычно осуществляется либо с помощью лепестков, расположенных рядом с рулевой колонкой, либо с помощью кнопок "+" и "-" на селекторе передач. Некоторые автомобили предлагают водителям оба способа запроса ручного выбора передач.
Бесступенчатая трансмиссия ( CVT) может плавно изменяться через непрерывный (бесконечный) диапазон передаточных чисел по сравнению с другими автоматическими трансмиссиями, которые обеспечивают ограниченное количество передаточных чисел в фиксированных шагах. Гибкость CVT с подходящим управлением может позволить двигателю работать с постоянной угловой скоростью, в то время как транспортное средство движется с различными скоростями.
Вариаторы используются в автомобилях , тракторах , вездеходах , мотороллерах , снегоходах и землеройной технике .
Наиболее распространенный тип вариатора использует два шкива, соединенных ремнем или цепью , однако используются и другие конструкции.
Трансмиссия с двойным сцеплением (DCT, иногда называемая трансмиссией с двумя сцеплениями или трансмиссией с двумя сцеплениями ) использует два отдельных сцепления для нечетных и четных наборов передач . [37] Конструкция часто похожа на две отдельные механические коробки передач , в которых соответствующие сцепления находятся в одном корпусе и работают как единое целое. [38] [39] В большинстве автомобилей и грузовиков DCT функционирует как автоматическая коробка передач, не требуя вмешательства водителя для переключения передач.
Первой DCT, поступившей в производство, была автоматическая трансмиссия Easidrive, представленная на среднеразмерном автомобиле Hillman Minx 1961 года. За ней последовали различные восточноевропейские тракторы в 1970-х годах (использующие ручное управление с помощью одной педали сцепления), затем гоночный автомобиль Porsche 962 C в 1985 году. Первая DCT современной эпохи была использована в Volkswagen Golf R32 2003 года . С конца 2000-х годов DCT стали все более распространенными и вытеснили гидравлические автоматические трансмиссии в различных моделях автомобилей.
Автоматизированная механическая коробка передач (АМТ) , иногда называемая безмуфтовой механической коробкой передач , представляет собой тип многоскоростной автомобильной трансмиссии , которая во многом основана на механической конструкции обычной механической коробки передач и автоматизирует либо систему сцепления, либо переключение передач, либо и то, и другое одновременно, требуя частичного или нулевого участия водителя. [10] [40] [41] [42]
Более ранние версии этих трансмиссий, которые работают полуавтоматически , такие как Autostick , автоматически управляют только системой сцепления — и используют различные формы приведения в действие (обычно через привод или сервопривод ) для автоматизации сцепления, но по-прежнему требуют участия водителя и полного контроля 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 только частичного участия водителя (т. е. водитель должен переключать передачи вручную), в то время как полностью автоматические версии не требуют ручного участия водителя вообще ( TCU или ECU управляет как системой сцепления, так и переключением передач автоматически).
Современные автоматизированные механические трансмиссии (АМТ) берут свое начало в старых бессцепных механических трансмиссиях, 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 переключения передач, необходимого водителю. [43] Эти устройства были предназначены для уменьшения сложности эксплуатации обычных несинхронизированных механических трансмиссий («аварийных коробок передач»), которые широко использовались в то время, особенно при вождении с частыми остановками. Ранний пример этой трансмиссии был представлен в Hudson Commodore в 1942 году под названием Drive-Master . Это устройство было ранней полуавтоматической трансмиссией , основанной на конструкции обычной механической трансмиссии, которая использовала вакуумную систему сцепления с сервоуправлением , с тремя различными режимами переключения передач, одним нажатием кнопки: ручное переключение и ручное управление сцеплением (полностью ручное), ручное переключение с автоматизированным управлением сцеплением (полуавтоматическое) и автоматическое переключение 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 трансмиссию BVH . Эта полуавтоматическая трансмиссия использовала автоматизированное сцепление, которое приводилось в действие с помощью гидравлики . Выбор передач также использовал гидравлику , однако передаточное отношение должно было выбираться водителем вручную. Эта система получила прозвище Citro-Matic в США .
Первые современные AMT были представлены BMW и Ferrari в 1997 году с их трансмиссиями SMG и F1 соответственно. [47] [48] [49] Обе системы использовали гидравлические приводы и электрические соленоиды , а также специальный блок управления трансмиссией (TCU) для сцепления и переключения передач, а также подрулевые переключатели, если водитель хотел переключить передачу вручную.
Современные полностью автоматические трансмиссии AMT, такие как Selespeed и Easytronic , в настоящее время в значительной степени вытеснены и заменены все более распространенной конструкцией трансмиссии с двойным сцеплением .