Без разрыва крутящего момента

Тенденция к созданию ав­томатических коробок пе­редач сохраняется и наби­рает силу. Наряду с повышением комфортабельности, автоматиче­ская коробка передач освобождает водителя от самого процес­са переключения и позволяет ему сконцентрировать все свое внимание на дороге, где условия движения становятся все более сложными.

Среди автоматических коро­бок передач различают два ти­па: механические коробки с ав­томатизированным переключе­нием передач, которые в свое время стали сенсацией, и гид­ромеханические трансмиссии. В первом случае водитель или автоматика выбирают момент переключения передачи, а элек­тродвигатели сервопривода про­изводят само действие, а также включение/выключение сцепле­ния. Поскольку в этих коробках передач, так же, как и в обыч­ных коробках с ручным пере­ключением, сцепление должно выключаться, то при каждом процессе переключения поток мощности к колесам прерывает­ся. По величине расхода топли­ва коробки передач с автомати­зированным переключением идентичны коробкам с ручным переключением.

Гидромеханические транс­миссии с гидротрансформато­ром обеспечивают оптималь­ный уровень комфорта, так как при переключении происходит лишь небольшое уменьшение тяги, но ее действие никогда не прерывается полностью. Однако их конструкция доста­точно сложна, а гидротранс­форматор работает с потерями энергии, что вызывает увели­чение расхода топлива.Существует возможность объе­динить достоинства обоих ти­пов коробок передач в одномустройстве. При помощи двух механизмов сцепления, кото­рые попеременно включаются и выключаются, можно сделать так, чтобы поток мощности при переключении передач не пре­рывался. Принцип действия та­кой коробки передач известен уже более 50 лет, но его внед­рение тормозилось отсутстви­ем надежно работающих эле­ментов управлений.

Коробка передач PorschePDK для гоночного спортивно­го автомобиля 962С (конец 1980-х годов) была первой практически используемой коробкой передач с двумя сцеп­лениями. Конечно, она была предназначена только для го­ночных автомобилей и при тогдашнем состоянии элек­тронной техники обладала не­достатками, которые не позво­лили использовать ее на обыч­ных автомобилях.

Концерн Volkswagen, с целью уменьшения осевых габаритных размеров своих силовых агрегатов, для динамичных автомобилей с мощными двигателями и многоступенчатыми КПП (как при продольном, но, особенно, при их поперечном расположении в мотоотсеке автомобиля), давно экспериментировал в создании трехвальных коробок передач. Чтобы уменьшить общую длину трансмиссии, концерн даже и обычные коробки с переключением вручную выпус­кает в виде так называемой трехвальной конструкции. Именно на базе подобной коробки передач и создавалась автоматизированная коробка передач DSG с двумя сцеплениями .

В настоящее время электро­ника, способная обеспечить ра­боту такой коробки, отработана. Вместе с датчиками (преобразо­вателями неэлектрических ве­личин в электрические) и испол­нительными элементами (пре­образователями электрических величин в механические) она размещается в блоке управле­ния, непосредственно скомпо­нованном на корпусе коробки передач. Для обозначения агре­гата применяется специальный термин —Mechatronic-Modul, который отражает тот факт, что в этом устройстве объединены как механические, так и элек­тронные элементы управления.

Так как фирма Porsche больше не возвращалась к совершен­ствованию таких коробок, эта конструкция была забыта при­мерно на пять лет, до тех пор, пока ею не решили заняться специалисты из концерна Volkswagen.

Они остановились на конст­рукции с двумя мокрыми мно­годисковыми сцеплениями и подключили к своей работе коллег с фирмы BorgWarner.

Эта компания в течение многих лет производила в значительных количествах гидромехани­ческие трансмиссии и облада­ла большим опытом в произ­водстве многодисковых сцеп­лений, работающих в масляной ванне. К тому же BorgWarner за десять лет до этого разрабо­тала свою автоматизирован­ную коробку передач с двумя сцеплениями и обладала гото­вым к использованию на авто­мобиле агрегатом-прототипом. Незадолго до 2002 года кон­церн Volkswagen представил свою собственную автоматичес­кую коробку передач с двумя сцеплениями. Она успешно ис­пользуется ныне на некоторых из выпускаемых концерном мо­делях.

На первом этапе ее устанавливали на спортивных авто­мобилях VolkswagenGolfR 32 и AudiTT, чтобы сделать их более привлекательными для потен­циальных клиентов. Но сейчас область при­менения новинки существенно расширилась. При соответствую­щем программном обеспечении электронной системы управле­ния этот тип коробок передач будет использоваться вместе с экономичными дизельными дви­гателями, обладающими большим крутящим моментом на многих автомобиля концерна VW, включая и автомобили Skoda.

То, что мокрые многодисковые сцепления, работающие в мас­ляной ванне, обладают таким же ресурсом, как и двигатель (250 000 км), давно известно по опыту эксплуатации гидро­механических трансмиссий, снабженных такими сцеплени­ями.

Первые опыты с коробками передач с автоматизирован­ным переключением показали, что сцепления у таких коробок нагружаются заметно меньше, чем у коробок с ручным пере­ключением. Тем самым устра­няется существенное препятст­вие для того, чтобы в дальнейшем подобные коробки пере­дач с сухими сцеплениями вы­пускались серийно. В коробках передач с двумя сцеплениями, выпускаемых кон­церном Volkswagen, могут исполь­зоваться отдельные группы шес­терен от прежних механических коробок с ручным переключени­ем, но сама конструкция нового агрегата совсем другая. Так как в такой конструкции использует­ся кинематическая схема с двумя первичными и двумя вторичными валами, то должны быть предпри­няты особые усилия, чтобы раз­местить все детали в ограничен­ном пространстве (рис.2.7).

Рис.2.7. Трансмиссия DSG, построеная на базе известной шестиступенчатойтрехвальной коробки концерна VW

Это реализуется путем ис­пользования пустотелого вала: сцепление 1 (старт с места, 1, 3 и 5-я передачи) передает крутящий момент от двигателя через центральный вал на шес­терни соответствующих пере­дач; сцепление 2 (2, 4 и 6-я пе­редачи) — через соосный с центральным валом пустотелый вал на шестерни своих передач. Кулачковые муфты со специ­ально выполненными блокиру­ющими кольцами синхрониза­торов передают крутящий мо­мент на вторичный вал.

Этот агрегат, как было сказано выше, со­стоит из двух сцеплений, двух коробок передач, работающих независим мо друг от друга, объединенных в одном картере, и общего вторичного вала. С целью экономии места оба сцепления сделаны встроенными одно в другое, так что имеется большее и меньшее сцепление. Большее сцепление работаете пере­дачами 1,3 и 5 и задним ходом, и, таким образом, при трогании с места работает именно оно. Меньшее сцепление работает с передачами 2,4 и 6 (в 6-ступенчатой коробке передач).  

Коробка имеет разделенный первичный вал. При этом передачи 1, 3 и 5 сидят на обычном валу, а второй вал, выполненный пустотелым, работает с четными передача­ми. Пустотелый вал надет на первую часть цельного вала; Включение/выключение сцеплений, так же как и переключение Пе­редач для коробок с сухими сцеплениями, происходит при помощи небольших электродвигателей, а с мокрыми — при помощи электрогидравлических исполнительных механизмов.

В зависимости от условий трогания с места и ускорения существуют два режима работы коробки пере­дач; после запуска двигателя води­тель ставит рычаг, либо в положе­ние D (Drive), либо в положение S (Sport). Оба сцепления выключены, гидравлический, механизм пере­ключения включает 1-ю передачу и одновременно и 2-ю передачу. При подаче газа сцепле­ние 1 включается параллельно увеличением оборотов, а насколько это быстро происходит, зависит от того, насколько быстро водитель нажимает на педаль газа.

Как только наступает время переключения передачи — как всегда, этот момент зависит от числа оборотов двигателя и положения педа­ли газа, — сцепление 1 выключается, в то время как сцепление-2: включается, и происходит быстрое включение второй передачи. Оба процесса синхронизированы таким образом, что подача к ведущим колесам крутящего момента не прерывается. Как только сцепление полностью выключается, немедленно включается 3-я передача.

Возможность переводить следующую передачу в так называемый «ждущий» режим обеспечивает очень быстрое выполнение переключений. А если требует ситуация на дороге, то возможен и обратный порядок рабо­ты, то есть при внезапном снижении ско­рости (торможении) в «ждущий» режим переводится вместо высшей низшая пе­редача, и, таким образом, в зависимости от ожидаемого маневра в готовности на­ходится именно та передача, которая требуется. Система, разработанная концерном Volkswagen, позволяет даже «проскакивание» передач. Например, если при интенсив­ном торможении необходимо пе­реключиться сразу с 6-й передачи на 2-ю, то в качестве вспомогательной: на короткое время включается 5-я передача, чтобы на другом сцеплении произошло переключение с 6-й передачи на 2-ю. Весь этот процесс длится около 0,9 секунды.

Процессы переключения пере­дач и включения/выключения сцепления выполняются автоматически исполнительными механизмами с гидравличес­ким приводом. Это требует полного контроля и точно опре­деленного режима этих про­цессов в точно определенные промежутки времени. Ошибочные переключения (два сцеп­ления выключены, включены две передачи на одном валу) недопустимы, так как они могут вызвать недопустимые нару­шения работы всей коробки передач, вплоть до ее полом­ки. Поэтому водителю в любой ситуации требуется правиль­ное, быстрое и безошибочное переключение передач.

Основным элементом, позволившим реализовать идею рассмотренного процесса переключения ступеней коробки передач, является фрикционный элемент, который был назван, как «два сцепления». На самом деле «два сцепления» представляют собой два концентрических пакета фрикционов, погруженных в общую масляную ванну (рис.2.8). Специальное масло (разновидность ATF Dexron) подлежит замене через 60000 км, а ресурс фрикционов рассчитан на весь срок службы автомобиля.

Рис.2.8. Конструкция двойного сцепления трансмиссии DSG концерна VW

Автоматизированная короб­ка передач с двумя сцеплениями снабжена таким же полно­ценным гидравлическим уп­равлением, как и гидромеханические трансмиссии. Масля­ный насос обеспечивает необ­ходимую величину давления масла (до 20 бар) и необходи­мый расход 15—90 л/мин. А масляный радиатор эффек­тивно отводит тепло, выделяю­щееся в процессе работы ко­робки. Система сконструирова­на таким образом, что она спо­собна отвести (например, при старте с пробуксовкой сцепления, ра­ботающего в масляной ванне) мощность тепловых потерь до величины 70 кВт (95 л.с.).

Эта величина составляет более трети максимальной мощности двигателя и вполне достаточна для экстремальной ситуации, например, при повторном старте с прицепом на подъеме. Полностью синтетическое спе­циальное масло используется не только для гидравлического привода и охлаждения, но и для смазки зубьев, подшипни­ков, синхронизаторов, а также обеспечивает эффективное притирание дисков сцепления друг к другу.

При изготовлении коробки точность подгонки деталей для гидравлики системы управле­ния должна быть не менее 3 микрон. Пять управляющих и пять переключающих клапанов, и множество гидравлических заслонок получают команды от электронной системы управле­ния и осуществляют включе­ние/выключение сцеплений и переключение передач.

С другими электронными си­стемами управления автомо­били (управляющими двигате­лем, контролирующими ско­рость, работу рулевого управления и тормозов) система уп­равления коробкой передач связана через шину передачи данных. Электронная схема должна надежно работать в ин­тервале температур от -40°С до +140°С.

На автомобилях концерна Volkswagen новая автоматизи­рованная коробка передач DSG с двумя сцеплениями мо­жет эффективно выполнять ряд функций. Переклю­чать передачи в режиме «D» — мягко и почти незаметно, осу­ществлять плавный старт с ме­ста, по которому эту коробку могут превзойти разве что са­мые лучшие гидромеханичес­кие трансмиссии, и обеспечить полное отсутствие прерывания мощностного потока при сни­жении шума. Именно шум при включении/выключении сцеп­лений критиковался в конструкциях прежних коробок пе­редач подобного рода.

Если водитель пожелает эф­фективно использовать высо­кие эксплуатационные показа­тели обеих указанных моделей, то коробка передач DSG будет ему в этом надежным помощ­ником. Водителю предоставля­ется выбор: мгновенно проис­ходящие автоматические переключения или точно работаю­щая клавишная система пере­ключения под рулевым коле­сом. Сами же переключения выполняются за время от 0,03 до 0.04 секунды.

При переключении на низ­шие передачи число оборотов двигателя при помощи режима «промежуточный газ» автома­тически увеличивается до нуж­ного уровня. А сигналы, посту­пающие от электроники АБС при помощи системы диффе­ренциального измерения числа оборотов, обеспечивают, чтобы при прохождении поворотов не происходило бы переключения передач.

Водитель должен обеспечивать своевременное переключение на высшие пе­редачи, иначе произойдет сра­батывание ограничителя числа оборотов. При ошибочной ко­манде на переключение на низшую передачу система авто­матически воспрепятствует вы­ходу на недопустимо высокое число оборотов.

Преимущества автоматизи­рованных коробок передач и традиционных гидротрансфор­маторов открывают для новых коробок передач DSG с двумя сцеплениями широкие пер­спективы для распространения на рынке. Чрезвычайно широ­кие возможности изменения режимов переключения позво­ляют использовать их как для «экстремальных» спортивных автомобилей, так и для обыч­ных машин, у которых эконо­мичность является одним из важнейших показателей.

Коробка передач, выполненная по такой схемеиспользуется на авто­мобилях VolkswagenGolfR 32 и AudiTT 3.2. Агрегат весит 90 кг и рассчитан на передачу крутящего момента до 350 Нм. Сбоку на корпусе расположен блок «мехатроники» — компьютер и электромагнитные клапана, управляющие прецизионной гидравликой (зазоры — три микрона!). Сверху — масляный фильтр и теплообменник, который может поддерживать рабочую температуру до 140°С.

Вопросы по теме лекции:

1. Компоненты автоматической системы управления механической коробки передач (на примере системы управления «НАМИ»).

2. Конструкция системы SensoDrive управления механической коробки передач, оснащенной двумя электромеханическими исполнительными элементами.

3. Конструкция автоматизированная механической коробки Durashift EST, оснащенной сервоприводами.

4. Механические трансмиссии с переключением передач без разрыва крутящего момента. Преимущества по сравнению с гидромеханическими трансмиссиями.

5. Конструкция трансмиссии DSG.

ЛЕКЦИЯ 3.Тема:Автоматические гидромеханические коробки передач (ГМП)