"Многие поколения американцев прекрасно разбирались в планетарной системе коробки передач Ford Т и ничего не знали о планетарной солнечной системе". Джон Стейнбек, "Гроздья гнева".
Планетарная коробка передач Ford Т — полный шедевр автомобилестроения того времени. Две передние передачи и одна задняя. Вторая передняя передача годится на все случаи жизни, кроме трогания с места и движения на очень крутых подъемах — на этот случай приходилось пользоваться первой. Коробка требовала от водителя минимальных навыков. Управлялась она двумя педалями. Наступишь на одну — включится первая передача, отпустишь — вот тебе и вторая. Другая педаль включала задний ход.
Уже первое поколение американских автомобилистов относилось к переключению передач как к лишней изнурительной работе. До сих пор человек, умеющий пользоваться механической коробкой, считается в США чуть ли не суперводителем. Майк Тайсон купил себе Ferrari F40, но вскоре вернул его, сказав, что не в состоянии разобраться с таким количеством передач.
Мысль о плавной передаче крутящего момента без манипуляций с переключением привела конструкторов к весьма громоздким и медленным автоматическим коробкам. Их, кстати, очень любят те же американцы. Но в европейских конструкциях автомобилей "автомат" прижился только в качестве не самой лучшей альтернативы механической коробке. И все же альтернатива "механике" есть.
Речь идет о бесступенчатой клиноременной передаче, или, как ее сегодня называют, CVT (Continuiosly Variable Transmission). Конструкция подкупает простотой. Общая схема такова: крутящий момент передается с ведущего на ведомый шкив с помощью ремня особой формы. Каждый шкив состоит из двух конусных половинок, которые способны раздвигаться под действием центробежных сил. Причем обязательно половинки одного из шкивов раздвигаются ровно настолько, насколько сближаются половинки другого — иначе натяжение ремня ослабнет, и автомобиль вообще не тронется с места.
При этом передаточное число трансмиссии изменяется пропорционально оборотам двигателя: увеличиваются обороты — сдвигаются половинки ведущего шкива и раздвигаются ведомого. Ремень на ведущем шкиве переходит с большего радиуса на меньший — передаточное число уменьшается. При уменьшении оборотов все происходит с точностью до наоборот — передаточное число увеличивается.
Однако простота CVT кажущаяся. Еще не забыта неудача фирмы Volvo с наследием, доставшимся ей от голландской фирмы DAF — трансмиссией Variamatic, которую голландский инженер Ван Доорн (Van Doorn) изобрел для малолитражек DAF в 1958 году. У схемы был ряд серьезных недостатков. Основной — это растягивание клинового ремня. Он не способен передавать высокий крутящий момент, и в результате вариатор нельзя использовать с большими моторами — ремень попросту начинает проскальзывать. Да и износ ремня очень велик. А еще велики потери на трение, отчего страдает экономичность. Не годится! С таким вердиктом в середине 70-х годов весьма оригинальную трансмиссию списали со счетов.
Но времена меняются, и на сегодняшнем технологическом витке болезни CVT вполне излечимы. Желание исправить недостатки тем более велико, что бесступенчатая трансмиссия лишена большинства недостатков остальных типов коробок передач — механических и гидромеханических. Ужесточившиеся экологические требования подстегнули конструкторов к поиску оптимальных режимов работы двигателя. Современные CVT, управляемые компьютером, лучше других типов трансмиссий подошли для работы в двух выгоднейших режимах для движения — наибольшего крутящего момента для разгона и наименьшего потребления топлива. Результат не заставил себя ждать. На автосалонах появился ряд прототипов, на некоторых CVT работает с двигателями большого рабочего объема. В Formula 1 команда Williams гоняла 750-сильный болид с трансмиссией CVT. Идея Ван Доорна переживает ренессанс? Если бы так!
Обратимся к истории. Первый случай применения бесступенчатой передачи отмечен еще в 1895 году — некто Рудольф Эгг (Rudolf Egg) на собственной фирме Automobil fabrik Egg und Egli в Цюрихе выпускал легкие 4-местные автомобили с двигателем Бенца и бесступенчатой трансмиссией. Знакомые раздвижные конуса, кожаный клиновый ремень между ними... Потом, правда, об идее забыли надолго. Главное, чего недоставало клиноременным трансмиссиям, — это работоспособности.
И все же настал день, когда вариатор шагнул в большую жизнь — CVT под названием Variamatic была применена Ван Доорном в 1958 году на автомобиле DAF Daffodil. Между прочим, DAF был не чем иным, как Doorn's Automobielfabrieken N.V. — автомобильным заводом Ван Доорна. Двухтактный двигатель первого DAF объемом 660 см куб. развивал всего 22 л. с., но в свое время это был нормальный показатель для дешевой доступной машины — своеобразного голландского Volkswagen. DAF 55 Marathon, дальнейшее развитие этой машины, даже участвовала в ралли "Лондон--Сидней" в 1970 году. Объем двигателя (четырехтактный, производства Renault) вырос до 1108 см куб., а мощность — до 63 л. с.
Когда фирма DAF была куплена компанией Volvo, шведы сохранили модификацию Variamatic у своих моделей серии 300. Вот тут-то вариатор постигла неудача. Хорошо, что у Volvo в гамме были и "трехсотки" с обычной механической коробкой. На следующих моделях Volvo от Variamatic отказалась. Вновь затишье — на десятилетие.
Через десять лет фирма Ван Доорна предложила дальнейшее развитие своей идеи концерну FIAT, с помощью которого в середине 80-х и была создана система ECVT — трансмиссия с непрерывным изменением крутящего момента, но уже с электронным управлением. Вместо клинового ремня появился толкающий звеньевой из двух стальных направляющих лент, собранных из сердечников толщиной 0,1 мм. Ленты гибкие, но не растягиваются. Между лентами зажаты 268 пластинок трапециевидной формы. Пластинки упираются одна в другую и таким образом передают крутящий момент. Принцип домино! Основной трудностью в доводке данного привода был подбор материала для лент. Фирма Van Doorn держит в секрете состав стали для них. Сегодня использующие CVT автомобильные фирмы большинство элементов трансмиссии делают сами, но ремень получают-таки от Van Doorn. По некоторым сообщениям, гибкость и одинаковая нагруженность ленты по всей длине достигнута применением в ней редкоземельных и кремниевых соединений. Да и с пластинами не все просто. Они требуют кропотливой подборки, что определяет их разбивку на 10 групп. Как видим, уже на этом этапе конструкция перестает быть простой и дешевой, но это, может быть, и не главное.
Как работает ECVT? Как мы уже знаем, толкающий звеньевой ремень надет на два раздвижных шкива. Один из шкивов закреплен на ведущем, другой на ведомом вале. Раздвигаются шкивы под действием центробежной силы — половина каждого из них перемещается по валу относительно другой половины. Крутящий момент двигателя передается на ведущий вал через центральную шестерню планетарного механизма, связанную с коронной шестерней блоком сателлитов. Есть также два сцепления — переднего и заднего хода, они управляются гидравликой. Ведомый вал передает крутящий момент на дифференциал и через него на ведущие колеса. Передаточное отношение ECVT может меняться от 14,848:1 до 2,945:1, что на 27% шире диапазона у обычной 5-скоростной механической коробки передач.
Заведует работой всего узла гидравлическая система с электронным управлением. В нее входит микропроцессорный блок, маслонасос, селектор выбора передач, два центробежных датчика — на ведущем и ведомом валах — и датчик положения дроссельной заслонки.
Воспользуемся терминологией, применяемой для автоматических коробок передач. Кстати, на селекторе бесступенчатой трансмиссии вы обнаружите те же символы. В положении селектора передач "Р" (стояночное положение) коробка механически блокируется. В положении "N" (нейтральное) оба сцепления разомкнуты, крутящий момент двигателя не передается на ведущий шкив. Когда включено положение "D" (движение), давление, развиваемое маслонасосом, включает сцепление переднего хода, но не полностью, а частично, дабы не было резких рывков в начале движения. Заднее сцепление в это время выключено. С увеличением подачи топлива давление, создаваемое масляным насосом, растет, открывается клапан, и сцепление переднего хода включается полностью. Центробежные датчики информируют процессор о разности давления на ведущий и ведомый полушкивы, а процессор, в свою очередь, командует согласованным перемещением полушкивов. В положении "R" (задний ход) сцепление переднего хода выключено. Сателлиты планетарного механизма освобождаются и вращают центральную шестерню в обратном направлении. Сцепление заднего хода включается, подсоединяя коронную шестерню. Ведущий шкив начинает вращаться в обратную сторону, и ремень тоже изменяет направление движения. Еще существует положение "L" — для сложных дорожных условий, когда необходимо тормозить двигателем.
Как видите, в результате модернизации от простой и легкой конструкции Variomatic мало что осталось. По весу этот агрегат занял промежуточное положение между механической и гидромеханической коробками передач. Человек еще на один шаг приблизился к воплощению давней мечты о плавной передаче крутящего момента.
ДЕНИС ОРЛОВ, АЛЕКСАНДР ПИКУЛЕНКО