Что мы имеем в виду, когда говорим: «ручная» коробка передач? А когда речь идет об «автомате»? Да и вообще, зачем автомобилю многоступенчатая (и даже бесступенчатая) трансмиссия – ручная или автоматическая? Паровоз и «сохатый» благополучно обходятся безо всякой коробки передач.
Разумеется, так проще и удобней, но двигателю внутреннего сгорания на автомобильном шасси без трансмиссии с изменяемым передаточным числом не обойтись. Все дело в так называемых внешних скоростных характеристиках, а если проще – в кривой крутящего момента. Скажем, у паровой машины, газовой турбины или тягового электромотора кривая гиперболическая (рис. 1): наибольший крутящий момент – при 0 оборотов, когда вал двигателя остановлен под нагрузкой. А по мере уменьшения нагрузки и раскрутки вала момент спадает, так что мощность1 остается примерно на одном и том же уровне.
 |
| Рис. 1. Гиперболическая кривая крутящего момента паровой машины (газовой турбины, электромотора) по частоте вращения вала |
Идеальная скоростная характеристика: пошел автомобиль на подъем – сопротивление движению нарастает, скорость и обороты паровой машины падают, а крутящий момент соответственно повышается. Гиперболическая кривая крутящего момента как бы сопротивляется торможению – вплоть до полной остановки. А если остановить вал д.в.с.? Как известно, мотор просто «глохнет». У д.в.с. невыгодная кривая крутящего момента (рис. 2) – совсем не гиперболическая; отсюда его неэластичное поведение под нагрузкой.
 |
| Рис. 2. Кривая тяги двигателя внутреннего сгорания: со снижением частоты вращения вала (от оборотов максимального крутящего момента) она уменьшается. При падении оборотов ниже допустимых мотор и вовсе «глохнет» |
Катится автомобиль, допустим, с такой скоростью, когда его д.в.с. (бензиновый, газовый, дизельный – все равно) выдает наибольший крутящий момент. Когда сопротивление движению нарастает, обороты двигателя снижаются – и крутящий момент тоже уменьшается. Обороты падают еще сильнее – и т.д. Возникает неустойчивость, и если ничего не предпринять, мотор «заглохнет». Ведь при 0 оборотов у него и крутящий момент нулевой. Кривую крутящего момента д.в.с. нужно как-то трансформировать – хоть примерно до гиперболической. Вот почему между ним и главной передачей ставят трансмиссию с изменяемым (по ступеням или бесступенчато) передаточным числом. Допустим, коробка передач 5-ступенчатая; тогда кривая крутящего момента на выходном валу распадается на 5 кривых (рис. 3). При правильном подборе передаточных чисел кривые перекрывают друг друга, а их огибающая проходит примерно гиперболически; что и требовалось доказать.
 |
| Рис. 3. Ступенчатая коробка передач: несколько (невыигрышных) кривых крутящего момента налагаются одна на другую – и вместе дают приемлемую огибающую |
То есть, коль скоро у д.в.с. невыигрышная кривая крутящего момента, то его дополняют коробкой передач, и в паре они дают уже что-то вроде гиперболы. Сложно и все равно не так чисто, как например, у газовой турбины, но жить можно. Так и живем.
Остальное – технические подробности. Ручное управление – или автоматическое. Ступенчатая трансмиссия – или бесступенчатый вариатор. Передач только 3 – или же все 7. Планетарная коробка передач – или с неподвижными осями валов. С гидротрансформатором (гидромуфтой) – без. И всевозможные комбинации базовых конструктивных решений; фантастическое разнообразие инженерных исполнений. Чтобы не запутаться безнадежно, давайте помнить, что в любом случае дело сводится к трансформации кривой крутящего момента, подаваемого на ведущие колеса, до гиперболы. И посмотрим по основным вариантам, как они устроены, как действуют? Какие у тех и других конструкций преимущества, в чем их слабости?
С неподвижными осями
Самую обыкновенную 4-5-ступенчатую коробку передач2 называют то механической, то ручной, хотя суть дела совсем в другом. Главное, что оси ее валов неподвижны – в отличие от планетарных передач, где сателлиты обращаются вокруг солнечной шестерни. Такие коробки строят либо 2-, либо 3-вальными, а передач насчитывается аж до 7 (скажем, в Формуле 1).
Проще всего 2-вальные конструкции (рис. 4): первичный вал связан с коленчатым валом двигателя, от вторичного крутящий момент идет на главную пару. Мощность в такой коробке всегда передается через пару шестерен – ведущую и ведомую; в зависимости от того, какая пара работает, включена та или иная передача. Заметим, что передаточные числа здесь как больше 1, так и меньше («ускоряющие» передачи), а вот так называемой «прямой» нет.
 |
| Рис. 4. Современная 2-вальная 5-ступенчатая коробка передач (Renault Modus) |
«Прямая» передача организуется в 3-вальной коробке передач (рис. 5), за такую возможность их и ценят. Здесь уже 3 вала: первичный, промежуточный и вторичный; конструкция сложнее, чем у 2-вальной, но отличается кое-какими преимуществами. На «прямой» первичный и вторичный валы связаны непосредственно, и крутящий момент передается сквозь коробку, минуя шестеренные пары. Передаточное число на «прямой», естественно, 1; но дело не в абстрактной «единице», а во вполне реальных выгодах. Во-первых, на «прямой» передаче в шестеренных парах не теряется мощность (3-4%). Во-вторых, шестерни не изнашиваются – и не шумят; комфорт. По существу, 3-вальная коробка передач на «прямой» не работает, отключена; передаточное число главной пары стараются подбирать так, чтобы автомобиль ездил, по возможности, на «прямой».
 |
| Рис. 5. Классическая 3-вальная коробка с «прямой» передачей («Волга» ГАЗ-21) |
Трехвальные коробки передач удачно вписываются в «классическую» компоновку: двигатель спереди – ведущие задние. В старые добрые времена высокоэластичная волговская «четверка» ГАЗ-21Д с 3-ступенчатой 3-вальной коробкой передач позволяла ездить практически всюду на «прямой», и лишь иногда приходилось включать «понижающую» (как называли 2-ю передачу). На «единичке» и вовсе только трогались с места, да еще раскачивали машину взад-вперед, чтобы выбраться из грязной рытвины. Особенно отличались водители такси, которые раскатывали «в натяг», почти не переключаясь. Удобно, экономично – и никакого «автомата» не нужно.
А 2-вальные коробки удачно компонуются в блоке с главной передачей, и их время пришло, когда стали в массовом порядке выпускать сначала заднемоторные автомобили («горбатый» и «ушастый»), а затем – переднеприводные. Тут уже «прямой» нет, и пара шестерен воет всегда – громче или тише (в зависимости от качества изготовления и сборки).
И в 2-, и в 3-вальной конструкции переключение передач проще всего организовать перемещением той или иной из шестерен вдоль вала – до зацепления ее с парой. Так когда-то и делали, да и сейчас еще «задний ход» включается перемещением шестерни. Грубая работа; под нагрузкой шестерни входят в зацепление с трудом. Поэтому все коробки передач с неподвижными осями валов давно уже строят исключительно с шестернями постоянного зацепления. Пары шестерен не двигаются вдоль оси и всегда в зацеплении, но свободно вращаются на валах. Нейтраль; чтобы включить ту или иную из передач, по валам передвигаются (на 2-3 мм) специальные муфты – кулачковые и др. Муфта замыкает шестерню на валу, и передача включается. Для облегчения включения муфты оснащают так называемыми синхронизаторами (рис. 6), которые предварительно согласуют угловые скорости валов – за счет трения в конусах.
 |
| Рис. 6. Муфта включения передач с синхронизаторами |
Переключение передач под нагрузкой в таких коробках затруднено, поэтому предварительно выжимается сцепление. Шестерни на мгновение освобождаются от нагрузки, и синхронизаторы делают свое дело. Стандартная процедура на «два притопа – три прихлопа». Водитель-спортсмен высокой квалификации переключается «вверх» за доли секунды (без сброса «газа»). Но хоть и не надолго, поток мощности от двигателя к ведущим колесам все-таки разрывается; для обычного вождения такой разрыв не имеет значения, а вот на гоночной трассе устранить его уже весьма заманчиво.
Без разрыва
Ведь в принципе и 2-, и 3-вальные коробки передач способны работать и без разрыва потока мощности. Такие конструкции известны полвека; и еще в 80-е годы хондовские легковушки оснащались гидромеханическими «автоматами» не с дорогостоящими планетарными рядами, а с простой 2-вальной коробкой передач. Передачи включались не муфтами-синхронизаторами, а «мокрыми» многодисковыми сцеплениями (работающими в масле). У каждой шестеренной пары – свое сцепление (рис. 7); когда оно «зажато», шестерня соединена с валом и передача включена. Сцепление «разжато» – передача выключена.
 |
| Рис. 7. Гидромеханическая трансмиссия (I половина 50-х) с 3-вальной 2-ступенчатой коробкой. Передачи включаются каждая своим «мокрым» сцеплением |
Просто и эффективно, допустима унификация с базовой «ручной» коробкой передач. И разрыва мощности при переключении нет: одно сцепление «размыкается», а другое мягко «замыкается» – в тот же самый момент. Легкая пробуксовка двух сцеплений – и одна передача сменяется другой.
Как видите, грани стираются; «ручные» 2- и 3-вальные коробки передач легко автоматизируются – дело только в работоспособной схеме. И теперь широко распространены, так сказать, «роботизированные» коробки передач с неподвижными осями валов. Базовую конструкцию дооснащают, во-первых, сервоприводом сцепления, а во-вторых, сервомеханизмами переключения (рис. 8). Всей механикой управляет цифровой процессор, который по существу имитирует действия водителя. Выжал сцепление – сбросил «газ» – переключил передачу – отпустил сцепление – добавил «газ». Электроника нынче и не с такими операциями справляется; при переключении «вниз» способна и «перегазовку» исполнить…
 |
| Рис. 8. «Роботизированная» 2-вальная 5-ступенчатая коробка передач Citroen Sensodrive |
И все же квалифицированный водитель переключается быстрее и чище, чем «робот». Просто потому, что схема с разрывом потока мощности неудобна для автоматизации; вот прежняя хондовская коробка… Или совершенно новая конструкция 2-вальной 6-ступенчатой коробки передач DSG с 2-я сцеплениями, какая уже предлагается покупателям моделей Audi и Volkswagen (см. «Doppel-чудо», «Турбо», 2003, №1). В сущности, тот же принцип, что и у Honda в 80–х, но «мокрых» сцеплений не 4, и не 6, а только 2; рационально. Ведь переключение всегда происходит с одной передачи на другую, а не на две одновременно. То есть, 2-х сцеплений достаточно, – если рассортировать передачи на одно и другое. В трансмиссии DSG (рис. 9) к одному сцеплению привязаны четные передачи, а к другому – нечетные. Обычно мы переключаемся либо с четной на нечетную, либо наоборот, так что все в порядке. Но вот перейти, скажем, с «двойки» прямо на «четверку» не получится, поскольку они обе сидят на одном сцеплении.
 |
| Рис. 9. Два «мокрых» многодисковых сцепления (в одном пакете) в 2-вальной 6–ступенчатой коробке передач DSG |
Впрочем, ограничение не болезненное; зато передачи у VW Golf с трансмиссией DSG переключаются безо всякого разрыва потока мощности – лучше, чем у Ferrari F2004, 7–кратного чемпиона мира по автогонкам! С такой коробкой передач каждый из нас сможет разогнаться с места до … быстрее, чем профи. А ведь, в сущности, – 2-вальная конструкция с неподвижными осями валов. Представьте, как в новом году вы выходите на старт новосибирских drag-заездов с трансмиссией DSG…
Окончание следует.