Как работает автоматическая коробка передач

Классический автомат решает две задачи, которые в машине с механикой решает водитель ногой и рукой: он позволяет стоять на месте с работающим двигателем и сам меняет передаточное число по ситуации. Обе задачи в нём решены через масло. Вместо сцепления между двигателем и коробкой стоит гидротрансформатор, где вращение передаётся потоком жидкости, а внутри коробки то же масло под давлением зажимает нужные пакеты дисков, набирая из планетарных рядов ту или иную передачу. Педали сцепления нет, потому что разъединять нечего: жёсткой связи там изначально не было.

Как тронуться с места без сцепления

Представьте два вентилятора, поставленных друг напротив друга. Включите один - второй начнёт вращаться потоком воздуха. Гидротрансформатор устроен так же, только вместо воздуха масло, а вместо лопастей колёса с изогнутыми лопатками, и всё это в герметичном бублике.

Насосное колесо жёстко связано с коленчатым валом и вращается всегда, когда двигатель работает. Оно отбрасывает масло от центра к периферии, и поток бьёт в лопатки турбинного колеса, сидящего на первичном валу коробки. Турбина получает момент и стремится провернуться.

На холостом ходу поток слабый: масла двигается мало, момента хватает лишь на лёгкое подталкивание, поэтому машина на тормозе спокойно стоит, а отпущенная - медленно ползёт вперёд. Прибавили газ, насосное колесо ускорилось, поток стал мощнее, и машина тронулась. Никакого разъединения не произошло, изменилась только интенсивность потока. Отсюда же и главное отличие в ощущениях: между педалью и колёсами всегда есть слой жидкости, который сглаживает всё, включая ошибки водителя.

Реактор: почему автомат умножает момент на старте

Если бы в бублике были только два колеса, это была бы просто гидромуфта, которая передаёт момент один к одному и всегда с потерями. Настоящий гидротрансформатор содержит третье колесо между ними - реактор.

Масло, отдав энергию турбине, разворачивается и идёт обратно к насосу, причём навстречу его вращению, то есть мешает ему. Реактор перехватывает этот обратный поток и разворачивает его так, чтобы он подталкивал насосное колесо, а не тормозил. Часть энергии возвращается в круг, и момент на турбине оказывается больше, чем на входе - при трогании обычно примерно вдвое.

Сам реактор при этом стоит на обгонной муфте, то есть может вращаться только в одну сторону. Пока разница скоростей велика, он заблокирован и работает. Когда турбина разогналась почти до скорости насоса, направление обратного потока меняется, реактор расклинивается и начинает свободно вращаться вместе со всем остальным, а трансформатор превращается в обычную муфту с коэффициентом около единицы. Механизм сам понимает, когда его усиление больше не нужно.

Блокировка: зачем жёстко соединять то, что разъединяли

У гидравлической передачи есть врождённый недостаток - проскальзывание. Турбина всегда отстаёт от насоса, и эта разница уходит в нагрев масла. На малой скорости это плата за плавность, а на трассе - чистый убыток: топливо тратится на подогрев жидкости.

Поэтому внутри бублика ставят фрикционную муфту блокировки. Когда скорости колёс почти сравнялись и нагрузка ровная, электроника её замыкает, и турбина оказывается соединена с насосом напрямую, металл к металлу. Проскальзывание исчезает, расход падает, машина начинает вести себя как с механикой.

Часто блокировку включают не полностью, а с контролируемым микропроскальзыванием: так гасятся крутильные колебания двигателя и не появляется вибрация. Ощущается это как ещё одно, едва заметное переключение уже после того, как коробка перешла на верхнюю передачу, и многие принимают его за лишнюю передачу.

Планетарный ряд вместо привычных пар шестерён

Дальше поток попадает в саму коробку, и там нет ни привычных пар шестерён, ни кареток, которые их двигают. Есть планетарные ряды.

Один такой ряд - это три элемента, объединённые в одном узле. В центре солнечная шестерня. Вокруг неё несколько сателлитов, которые с ней зацеплены и сидят на общей рамке - водиле. Снаружи всё это охватывает коронная шестерня с внутренними зубьями, в которую сателлиты зацеплены с другой стороны. Всё в зацеплении постоянно, ничего никуда не двигается.

Работает это так: зафиксируйте один из трёх элементов, подайте вращение на второй, снимайте с третьего. Разные комбинации того, что держим, что вращаем и откуда снимаем, дают разные передаточные числа, а в одной из них выход вращается в обратную сторону - это и есть задний ход. Если же зажать два элемента вместе, ряд поворачивается целиком как единая деталь, и передача получается прямой.

Отсюда главное преимущество схемы: чтобы сменить передачу, ничего не нужно расцеплять и вводить в зацепление заново. Достаточно отпустить один элемент и придержать другой. Именно поэтому автомат переключается без разрыва потока мощности - тяга на колёсах не пропадает полностью ни на мгновение.

Как из нескольких рядов получаются шесть и восемь передач

Один ряд даёт немного вариантов, поэтому в коробке их ставят несколько и связывают между собой: выход одного становится входом другого, некоторые элементы соединены наглухо.

Держат и соединяют элементы два типа устройств. Тормоз останавливает элемент относительно корпуса коробки, муфта соединяет два вращающихся элемента между собой. Каждая передача - это своя комбинация включённых тормозов и муфт, и в современных коробках на одной передаче обычно замкнуто несколько из них, а при переключении меняется только один или два. Так из трёх-четырёх планетарных рядов набирают шесть, восемь и больше ступеней.

Само переключение - это перекрытие: один пакет отпускают, другой зажимают, и делать это надо согласованно с точностью до сотых долей секунды. Отпустишь рано - обороты двигателя подскочат вхолостую, зажмёшь рано - оба пакета будут держать разные передачи одновременно, и коробка получит удар. Качество автомата во многом и есть качество этого перекрытия.

Фрикционы: пакет дисков, который сжимает масло

Тормоза и муфты внутри устроены одинаково - это пакеты дисков, вставленных через один. Одни диски стальные и связаны с одной деталью, другие покрыты фрикционным материалом и связаны с другой. В свободном состоянии они проворачиваются друг относительно друга, залитые маслом.

Чтобы включить пакет, за ним поднимают давление, и кольцевой поршень сжимает диски. Передаваемый момент зависит от силы прижатия и от суммарной площади трения, поэтому дисков в пакете делают несколько: так нужный момент достигается при разумном давлении и приемлемом размере узла.

Плавность включения задаётся не резким скачком давления, а его нарастанием по заданному профилю: сначала быстрый подвод поршня до касания, потом плавное усилие. Управление этим профилем и отличает мягкую коробку от дёрганой. Изношенные диски начинают проскальзывать, обороты при разгоне растут быстрее скорости, продукты износа уходят в масло, и коробка деградирует по нарастающей.

Гидроблок: механический мозг, ставший электрическим

Кто решает, что пора переключаться, и куда подать давление? Гидроблок - плита с фрезерованными каналами и десятками золотников, что-то вроде печатной платы для жидкости.

В старых коробках это была полностью механическая логика. К гидроблоку подводили два сигнала давлением: от центробежного регулятора на выходном валу, где давление росло со скоростью машины, и от привода дроссельной заслонки, где давление отражало положение педали. Золотники сравнивали эти два давления между собой и, когда одно пересиливало другое, перекладывались и направляли масло в другой пакет. Коробка переключалась сама, без единого провода.

В современных коробках сравнением занимается блок управления. Он читает датчики оборотов входного и выходного валов, температуру масла, положение педали, режим селектора, а нередко и данные от двигателя и тормозов. Решение он исполняет через соленоиды - электромагнитные клапаны на том же гидроблоке, которые управляют давлением в каждом контуре. Механика осталась той же, изменилось то, кто ей командует.

Это дало главное: коробка получила карты переключений и адаптацию. При спокойной езде она переходит наверх рано, экономя топливо, при резком нажатии сбрасывает ступени вниз, а при педали в пол включает принудительное понижение. Она умеет не переключаться в повороте, придерживать передачу на спуске для торможения двигателем и подстраивать давление под износ дисков, чтобы толчки не росли с пробегом. Отсюда же и известное «автомат думает»: между решением и его исполнением проходит время на нарастание давления в пакете.

Насос и масло: почему автомат нельзя буксировать как попало

Всё давление в коробке создаёт один насос, и приводится он от двигателя, а не от колёс. Пока двигатель работает, давление есть. Заглушили - масло не подаётся вообще.

Из этого следует правило, которое многих удивляет: у машины с заглушённым двигателем детали внутри коробки вращаются от колёс, а смазка и охлаждение отсутствуют. Поэтому у каждой модели свои ограничения на буксировку по скорости и расстоянию, а самый безопасный вариант - эвакуатор с полной погрузкой или подвешенными ведущими колёсами. По той же причине автомат нельзя завести с толкача: без давления в коробке связи между колёсами и двигателем просто не возникнет.

Само масло здесь не просто смазка, а рабочее тело сразу в четырёх ролях: оно передаёт вращение в гидротрансформаторе, служит рабочей жидкостью гидравлики, смазывает шестерни и подшипники и уносит тепло. Отсюда его чувствительность к перегреву: горячее масло теряет вязкость, давление падает, фрикционы начинают проскальзывать, проскальзывание греет масло ещё сильнее. Круг замыкается, и коробка выходит из строя быстро. Поэтому её масло охлаждают отдельным теплообменником, а на тяжёлые условия ставят дополнительный радиатор.

Селектор и режим парковки

Рычаг в салоне давно не тянет ничего механически напрямую, а чаще передаёт положение датчиком. Но одно положение всё же остаётся механическим - парковка. В нём подпружиненная собачка входит в зубчатый венец на выходном валу и удерживает его физически, а не давлением.

Отсюда практическое следствие. Если поставить машину на уклоне только в парковку, весь вес удерживается этим маленьким зацеплением, и снять рычаг потом бывает трудно: собачка зажата нагрузкой. Правильный порядок - остановиться, удержать тормозом, затянуть стояночный тормоз, и только потом включить парковку. Тогда вес держит стояночный тормоз, а собачка страхует.

Чем автомат отличается от робота и вариатора

Автоматов встречается несколько типов, и путаница между ними обычная.

Классический гидромеханический автомат - это как раз то, что описано выше: гидротрансформатор плюс планетарные ряды. Он мягок на старте, терпим к нагрузке и проще всех переносит пробки, но сложен внутри и не самый лёгкий.

Робот - это обычная механическая коробка, у которой сцепление и переключение передач переложили на приводы. У версии с двумя сцеплениями чётные и нечётные передачи разведены на два вала: пока едем на одной, следующая уже подобрана, и переключение сводится к перехвату сцеплений, поэтому оно очень быстрое. Зато на старте и в плотном потоке работает настоящее фрикционное сцепление со всеми вытекающими.

Вариатор вообще не имеет ступеней. В нём два раздвижных конусных шкива и ремень или цепь между ними: сдвигая половинки шкивов, механизм плавно меняет рабочие диаметры, а с ними и передаточное число. Он умеет держать двигатель ровно на выгодных оборотах, но тяжёлые нагрузки и резкие старты для него сложнее.

Общее у всех троих то же, ради чего вообще нужна коробка: двигатель внутреннего сгорания выдаёт полезную тягу лишь в узком диапазоне оборотов, и его надо согласовывать со скоростью автомобиля. Разница только в том, каким способом это согласование выполняется.