Трансмиссия

Работа трансмиссии заключается в том, чтобы забрать силу (более точно - крутящий момент) от двигателя и передать ее ведущим колесам. Если рассуждать таким образом, то все очень просто. Однако инженерные подходы различны и их много и станет еще больше, поскольку большинство автомобилей имеют привод на передние колеса, зад неприводные применяют независимую заднюю подвеску, а привод на 4 колеса представляет наибольший интерес.
Для случайного наблюдателя трансмиссия любого обычного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания состоит из коробки передач и «чего-то еше».
«Что-то еще» слишком часто считается как само собой разумеющееся, но прежде всего давайте рассмотрим, зачем нам вообще нужна коробка, полная шестерен с различными передаточными числами. Проблема заключается в том, что двигатель внутреннего сгорания обеспечивает слишком маленький крутящий момент, особенно на низких оборотах. Любой автомобиль, который трогается с места, требует определенной величины крутящего момента, особенно если он движется вверх, с присоединенным сзади прицепом, который является критерием, применяемым наиболее часто, когда выбирается передаточное число низшей передачи. Такое передаточное число дает возможность коленчатому валу вращаться с большими оборотами, даже когда автомобиль движется очень медленно: он изменяет обороты двигателя так, что выходной вал из коробки передач вращается (обычно) с оборотами, составляющими четвертую часть оборотов входящего вала. Переход от неподвижного состояния к движению требует использования некоторых устройств для соединения вала двигателя с коробкой передач; это может быть механическое или автоматическое сцепление, или гидромуфта. Все это мы рассмотрим позже. Как только выбрана определенная система, она дает возможность двигателю работать, когда автомобиль стоит на месте, и тем или другим способом она может «проскальзывать», чтобы заполнить этот ужасный разрыв между неподвижностью и движением, и, кроме того, обычно имеет некоторые устройства для гашения ударов и вибраций при неожиданном включении привода.
Как только сцепление полностью включено, автомобиль готов к разгону, но только до тех пор, пока двигатель не достигнет своих максимальных оборотов. В типичном семейном автомобиле это обычно происходит около 50 км/ч - и что потом? Конечно, вы переключаетесь на следующую передачу, которая даст возможность автомобилю разогнаться до более высокой скорости (но на которой было бы более трудно тронуться с места). Эта вторая передача может разогнать вас примерно до 100 км/ч; но даже если вам нравится ездить при этой скорости, вы, конечно, не захотите, чтобы двигатель все время работал на максимальных оборотах. Поэтому включается третья, более высокая передача — и более высокая — четвертая, а в наши дни почти всегда пятая, если не шестая. Так же, как первая передача обычно выбирается из соображений возможности трогания автомобиля с прицепом на подъеме, также высшая передача — 4, 5 или 6 — в основном, выбирается из соображений обеспечения максимальной скорости автомобиля на плоской горизонтальной дороге при оборотах двигателя, соответствующих максимальной мощности.
Однако это не обязательно. Некоторые немецкие производители используют немного более низкие, чем «идеальные» высшие, передачи, так что, если бы вы ехали, утопив педаль в пол (что теоретически остается возможным на немецких авто-банах), обороты вашего двигателя были бы немного выше, чем обороты максимальной мощности. Затем, когда появился бы небольшой подъем, небольшое снижение скорости автомобиля вернуло бы обороты двигателя к пику мощности, и вы могли бы двигаться, не переходя на более низкую передачу. Как другая крайность, если бы мы были больше заинтересованы в топливной экономичности (а также в спокойной езде), высшая передача могла бы иметь большее передаточное число, чтобы коленчатый вал вращался очень медленно — где-то между пиком крутящего момента и пиком мощности, — даже когда автомобиль движется при максимальной скорости. Чтобы сделать это, высшая передача должна быть «повышающей», которая дословно означает, что выходной вал коробки передач вращается быстрее, чем вал двигателя. Это, естественно, уменьшает потребление топлива и шум двигателя, но это также приводит к тому, что даже маленький подъем дороги означает быструю потерю скорости автомобиля и становится необходимым перейти на более низкую передачу. Большое количество автомобилей 80-х с 5-ступенчатой механической коробкой передач имели более высокую максимальную скорость на 4-й передаче, а не на 5-й.
Сегодня, за исключением Германии, почти везде установлены ограничения скорости. Все реже высшая передача делается повышающей из соображений экономии и бесшумности. В действительности важно число передач и то, как они распределяются (со временем мы поговорим о разных коробках передач: механических или автоматических). Чем больше передач, тем меньше различие между передаточными числами двух «смежных». Большой промежуток между двумя передачами может сделать вождение дискомфортным. Например, если вы совершаете обгон на определенной передаче и чувствуете на середине пути необходимость перехода на более высокую передачу, это не очень хорошо, не говоря уже о рекомендуемой практике, но иногда это случается, вы можете выяснить, что ускорение сильно уменьшилось на более высокой передаче и вы должны переосмыслить всю ситуацию. А если вы захотите перейти на более низкую передачу, может быть, подъезжая к повороту или развилке, большой промежуток может заставить двигатель взреветь, и вы ощутите сильное торможение двигателем, большее, чем вы хотели на самом деле.
Когда водители стали более требовательными, а мощность автомобилей выросла, тенденция к большему числу передач стала непреклонной. В 40-е годы механическая коробка передач среднего легкового автомобиля имела три передачи для движения вперед.
В 50-х и 60-х годах происходил постепенный переход к 4-х ступенчатым механическим коробкам передач (большинство автоматических оставалось 3-х ступенчатыми). К 1980 году мы находились на пути перехода к 5-ступенчатым механическим и 4-х ступенчатым автоматическим, а к 2000 году 6-сту-пенчатые механические и 5-ступенчатые автоматические становятся общепринятыми. Дорогу всегда прокладывали «спортивные автомобили», частично из-за того, что их водители видели в переключении передач обеспечение лучшей работы, как части удовольствия от вождения, и частично из-за того, что двигатели их автомобилей развивали высокий крутящий момент на высоких оборотах, и они вынуждены были более часто переключаться на низшие передачи, что более или менее оправдано во многих ситуациях.
На протяжении всей истории автомобилей существовало стремление сделать вождение легким, насколько возможно. С механической коробкой передач старт с места всегда был вызовом, а процесс переключения передач был еще хуже, если водитель не имел естественного «чувства» и не имел представления, что происходит внутри коробки передач. Со временем были найдены ответы в конструкциях сцепления и коробки передач. Тем временем появились автоматические трансмиссии, которые не требовали от водителя других действий, кроме как выбрать положение «D» перед тем, как тронуться. К началу 40-х годов был найден определенный ответ этому вызову. По крайней мере, он оставался категорическим в течение половины столетия, но сейчас подвергается сомнению новыми и более хитроумными системами.
В трансмиссии остается «что-то еще». В течение первой половины XX века трансмиссия, за некоторыми исключениями, была продольной. Закрепленная спереди коробка передач соединялась карданной передачей с главной передачей, расположенной в середине балки заднего моста, с ведущими колесами с каждой стороны. Карданная передача имела не менее одного карданного шарнира и специальное устройство для небольшого изменения длины, чтобы компенсировать перемещение заднего моста относительно коробки передач. Главная передача выполняет две функции. Во-первых, она дополнительно изменяет передаточное число трансмиссии, обычно в отношении 4:1 — без которого, передаточное отношение первой передачи составляло бы примерно 16:1.
Во-вторых, она включает в себя дифференциал, который нужен для того, чтобы колеса могли вращаться с разными скоростями и внутреннее с наружным колесом не мешали друг другу на поворотах. Жесткая труба заднего моста содержит внутри себя полуоси одинаковой длины, которые соединяют дифференциал и ступицы задних ведущих колес. Такой была компоновка, которую предложил изобретатель господин Панар в 1890 году и которую можно было узнать в огромном большинстве автомобилей шестьюдесятью годами позже.
Наиболее существенные перемены, пионером которых был Citroen в 30-е годы, а затем невероятный успех Mini, появившегося в начале 1958 года, произошли с переходом от привода задних колес к приводу передних колес. Если передние колеса ведущие, то двигатель может устанавливаться как продольно, так и поперечно с коробкой передач, которая объединяет в себе также главную передачу с цилиндрическими шестернями и дифференциал. В автомобиле Mini коробка передач размещалась внутри масляного поддона, поперечно расположенного двигателя с цилиндрической главной передачей, расположенной за двигателем. Почти все последующие автомобили с поперечным расположением двигателя имели коробку передач, расположенную на одной оси с коленчатым валом. Такая конструкция намного проще во всех отношениях, но приводит к тому, что двигатель в сборе с коробкой становится существенно шире, а это может создать проблемы с его установкой. Компоновка с продольным расположением двигателя и коробки передач была не столь вызывающей, тем более что конструкции таких силовых узлов были сконструированы для целого поколения послевоенных заднемоторных автомобилей, включая VW Beetle, Renault 4CV/Dauphine и другие. С другой стороны, такая компоновка не имела тех преимуществ в компактности, которые имели компоновки с поперечным расположением двигателя. Кроме того, конструкторы стояли перед тяжелым выбором: устанавливать двигатель перед передней осью, делая перегруженной переднюю часть автомобиля и ухудшая аэродинамику автомобиля, или за осью с коробкой передач, размещенной спереди. Во втором случае двигатель практически «жил» на переднем сиденье, как на всех больших Citroen вплоть до DC.
Какая бы из этих компоновок ни была выбрана, при переднем приводе не требуются карданные валы. Это означает, что должен быть выбран какой-то другой способ передачи крутящего момента на передние колеса, который позволит им перемещаться вертикально, относительно двигателя и коробки передач. В действительности это требуется скорее при использовании независимой подвески вместо балки моста, когда приводные валы передают крутящий момент от дифференциала к передним колесам. При этом приводные валы должны иметь возможность немного изменять свою длину. В маленьких автомобилях с задним расположением двигателя 50-х годов и с независимой подвеской задних колес вопрос довольно просто решался применением различных вариантов качающихся полуосей . Но применить качающиеся полуоси с обычными карданными шарнирами в переднем приводе, когда колеса должны поворачиваться, невозможно, и нужно использовать что-то более хитроумное, например шарниры равных угловых скоростей (ШРУС).
Что мы имеем в итоге? Фактически имеется две стандартных компоновки — передний привод с поперечным расположением двигателя, привод на задние колеса с продольно расположенным двигателем и плюс к этим двум, особый случай, привод на все колеса . Это привело к тому, что за последние 20 лет или около того конструкторы сконцентрировались на том, чтобы усовершенствовать эти компоновки без слишком большого беспокойства об альтернативах, но также о том, чтобы использовать совершенные технологии не только для простой работы трансмиссии, но и для управления трансмиссией Это будет последним большим шагом в этом направлении, перед тем как на смену придет электрическая тяга и заставит переписать существующие правила и сделает все более простым.