Автоматическая коробка переключения передач

БЮРО ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕДУКТОРОВ (Ленинград)

В начале 30-х годов в Ленинграде было создано Бюро Гидравлических Редукторов, разрабатывавшее гидродинамические передачи для различных машин. В 1935 г. оно разработало для ЗИЛа (тогда ЗИС автозавод им. И.В.Сталина) два варианта автомобильной гидропередачи (видимо, для автобуса на базе автомобиля ЗИС-5). В первом варианте (рис.1) был применен двухступенчатый четырехколесный гидротрансформатор типа Лисхольм-Смит (насос, первая ступень турбины, реактор, вторая ступень турбины). Во втором варианте (рис.2) использовался трехступенчатый шестиколесный гидротрансформатор Лисхольм-Смит (насос, первая ступень турбины, первый реактор, вторая ступень турбины, второй реактор, третья ступень турбины).
    Механическая часть обоих вариантов содержала одну передачу "вперед" и задний ход, т.е. предполагался разгон только на гидротрансформаторе, после чего следовало переключение на механическую прямую передачу.
    Через двухдисковое сцепление (см. рис.2) приводится насосное колесо ГДТ. На режиме гидротрансформатора крутящий момент передается с турбинного колеса на входной вал механической части ГМП и далее через зубчатую муфту (на рис.2 она выключена) на выходной вал ГМП. При достижении автобусом определенной скорости переводится влево шлицевая втулка с торцовыми зубьями, сидящая на входном валу механической части ГМП. Втулка входит в зацепление с зубьями на ступице насосного колеса - осуществляется переход на прямую механическую передачу. При этом насосное и турбинное колеса ГДТ начинают вращаться с числом оборотов двигателя. Одновременно расклиниваются муфты свободного хода, на которых сидят реакторы, и реакторы начинают свободно вращаться вместе с другими колесами ГДТ, что позволяет избежать потерь на перемешивание рабочей жидкости. Сведений о реализации этого проекта нет.

 АВТОЗАВОД ИМ. И.А.ЛИХАЧЕВА (ЗИЛ) (до 1956 г. - ЗИС)

Большую роль в ознакомлении автомобильной технической общественности с автоматическими коробками передач сыграла книга профессора кафедры "Гидравлические мащины" МВТУ им.Н.Э.Баумана В.Н.Прокофьева "Автомобильные гидропередачи" (Машгиз, 1947 г.). Понимая перспективность таких конструкций, один из руководителей ЗИЛа - главный технолог завода Ф.С.Демьянюк - попросил В.Н.Прокофьева прислать на ЗИЛ на преддипломную практику двух студентов МВТУ с тем, чтобы они сделали дипломные проекты по гидропередачам для автомобилей, выпускаемых заводом, и остались бы на заводе.
    Во исполнение этой договоренности летом 1948 г. на ЗИЛ пришли на преддипломную практику студенты МВТУ Д.Б.Брейгин и Ю.И.Чередниченко, которые фактически с этого времени стали работать на заводе по гидропередачам - сначала в бюро автобусов отдела Главного конструктора, а затем в созданном в марте 1949 г. бюро гидравлических агрегтов, для руководства которым был приглашен Е.М. Гоникберг, ранее работавший в технологическом отделе завода. Вскоре в бюро были переведены из других служб завода С.Ф.Румянцев, В.И.Соколовский и Е.З.Брен, которые вместе с Гоникбергом, Чередниченко и Брейгиным составили в первые годы основной костяк КБ гидравлических агрегатов.
    Работы по гидропередачам на заводе велись применительно ко всем типам выпускаемых заводом автомобилей - автобусам, легковым автомобилям, грузовым и специальным автомобилям.

ЗИЛ - работы по автобусным ГМП

В конце Великой Отечественной войны и в первые послевоенные годы в СССР осуществлялся перевод промышленности, работавшей на военные нужды, на выпуск мирной продукции. Прорабатывались различные варианты. Расчеты показали, в частности, что если принять стоимость автомобиля при производстве его на автомобильном заводе за 1, то стоимость этого автомобиля составит 2,5 при производстве на авиационном заводе и 1,8 при производстве на предприятии артиллерийского ведомства.
    Производство автобусов после войны возобновилось на ЗИЛе, который стал выпускать автобус ЗИС-154 с двигателем ЯАЗ-204 и электропередачей (автомобильный двигатель вращал генератор постоянного тока, вырабатываемый ток использовался для вращения колес автобуса тяговым электродвигателем).
    Автобус ЗИС-154 с тяжелой и дорогой электрической трансмиссией не мог стать необходимым стране массовым автобусом. Такую роль мог выполнить только автобус, в котором широко применялись бы узлы и детали массового грузового автомобиля. Таким автобусом стал автобус ЗИЛ-155. Гидромеханическую передачу для него (рис.3) спроектировали в 1951 г.
    Следует обратить внимание на принципиальную разницу в схеме передачи мощности в конструкциях по рис.2 и рис.3. В ГМП по рис.2 имеется одно двухдисковое сцепление и переключение с ГДТ на прямую передачу осуществляется зубчатой муфтой. В ГМП по рис.3 имеется два однодисковых сцепления и переключение с ГДТ на прямую передачу осуществляется переходом с одного сцепления на другое. Муфта свободного хода, предотвращающая вращение колес ГДТ после перехода на прямую передачу, расположена в середине механической части ГМП. Такая конструкция проще и надежнее конструкции с расположением на муфтах свободного хода реакторов ГДТ.
    В процессе отработки конструкции были спроектированы и испытаны ГМП с ГДТ двух размеров - с максимальными диаметрами рабочей полости 325 и 370 мм. В результате дорожных испытаний предпочтенние было отдано диаметру 370 мм.
    В ходе испытаний в механическую часть ГМП кроме прямой передачи была введена дополнительная понижающая передача. Она включалась вручную только перед прохождением особо трудных участков местности.
     После основательных испытаний первых образцов была построена опытная партия из 6 автобусов ЗИЛ-155 с ГМП. Эти автобусы проходили опытную эксплуатацию в различных городах на различных маршрутах, в различных климатических зонах. Пробеги достигали 50...70 тысяч км. Были уже все основания для рекомендации ГМП в производство, но неожиданно на уровне руководства страны было принято губительное для советского автобусостроения решение, что автобусы для всех стран социалистического лагеря будет делать Венгрия. После этого решения (1959 г.?) производство автобусов на ЗИЛе было прекращено. Прекратились, естественно, и работы по ГМП для автобусов.
     В последние годы перед снятием с ЗИЛа производства автобусов возникали проекты вариантов автобусов с задним поперечным расположением двигателя. Это сулило автобусам большие компоновочные преимущества (низкая высота пола и т.д.).
     Для такого варианта автобуса была разработана, построена и испытана специальная ГМП (рис.4). Работы по этой ГМП также были прекращены в связи с прекращением производства автобусов.
     В начале 60-х годов ЗИЛ создал 17-местный автобус ЗИЛ-118К с двигателем ЗИЛ-130 и приспособленной для работы с этим двигателем ГМП легкового автомобиля ЗИЛ. Многолетняя практика эксплуатации этих автобусов показала полную возможность работы ГМП легкового автомобиля ЗИЛ с двигателем, имеющим существенно меньшие максимальные обороты (3200 1/мин вместо 4600).
     Выпуск за много лет нескольких десятков автобусов ЗИЛ-118К нельзя считать возрождением производства автобусов на ЗИЛе. В настоящее время, однако, можно говорить о целесообразности продолжения работ по автобусной тематике путем оборудования модификациями ГМП действующего производства 16...22-местных автобусов серии 3250, которые начал выпускать завод. Дизельный двигатель Д-245.12 этих автобусов имеет максимальные обороты 2400 об/мин.
     Расчеты Ю.И.Чередниченко показывают, что в этом случае ГМП типа ЗИЛ-4105 удовлетворительно совмещается с характеристикой двигателя Д-245.12. В ГМП должны быть сдвинуты режимы переключения передач и внесены изменения для обеспечения работы без вакуум-корректора. Показатели динамики варианта с ГМП будут практически такими же, как для варианта с механической коробкой передач ЗИЛ-130.

ЗИЛ - работы по ГМП легковых автомобилей

Первые работы по ГМП для легковых автомобилей ЗИЛ начались в 1949 г. Тогда была спроектирована экспериментальная ГМП Э111 автомобиля ЗИС-110. Передача состояла из одноступенчатого пятиколесного ГДТ и двухступенчатой планетарной коробки передач с гидравлическим управлением. Основной передачей в коробке передач была прямая, понижающая передача предназначалась только для особо тяжелых условий движения и включалась вручную (могла включаться на ходу).
     Прототипом для ГМП Э111 послужила ГМП "Дайнафлоу" автомобиля Бюик 70 Родмастер, выпуск которого начался в США в 1947 г. Гидропередача "Дайнафлоу" служила только литературным прототипом - образца на заводе не было, сведения брались из технических журналов.
     В 1950 г. был изготовлен и испытан на автомобиле гидротрансформатор (с литыми колесами). Позже был получен автомобиль Бюик с ГМП и были скорректированы чертежи. Однако, работы по этой ГМП развития не получили в связи с появлением ГМП с автоматическим переключением передач.
     В 1953-54 гг. в связи с предстоящим началом производства легковых автомобилей ЗИЛ-111 за прототип ГМП была взята ГМП подходящего ЗИЛу по классу легкового автомобиля Крайслер выпуска 1953 г. (модель С-59 "Кроун Империал"). ГМП ЗИЛ-111 была спроектирована весьма близкой к прототипу (точного заимствования не было), несмотря на ощутимую разницу в параметрах автомобилей Крайслер и ЗИЛ (в первую очередь по весу). Основные функциональные узлы ГМП ЗИЛ-111: ГДТ, двухступенчатая планетарная коробка передач, гидравлическая система управления (рис.5 и 6).
     Конфигурация лопастной системы, определяющая характеристику ГДТ, была взята точно по ГДТ Крайслер, но размер ГДТ был изменен (при полном сохранении типа лопастной системы) с учетом того, что крутящий момент двигателя ЗИЛ-111 предполагался примерно на 15% большим, чем у двигателя Крайслер (максимальный размер рабочей полости был принят 328 мм вместо 318 мм). Характеристики ГДТ ЗИЛ и Крайслер оказались практически одинаковыми (максимальный коэффициент трансформации К=2,45 и максимальный КПД на режиме гидротрансформатора 0,88).
     Проектировали ГМП ЗИЛ-111 Д.Б. Брейгин, Ю.И.Чередниченко и Е.З. Брен под руководством Е.М.Гоникберга. Дальнейшие работы по ГМП легковых автомобилей ЗИЛ велись под руководством Д.Б.Брейгина, с 19.. г. к этим работам активно подключился Ю.И.Уткин, который затем с 19.. г. возглавлял конструкторские работы вплоть до своего ухода с завода в 19.. г.
     В дальнейшем конструкция ГДТ была упрощена и улучшена. При сохранении прежних преобразующей и нагрузочно-кинематической характеристик далось применить один реактор вместо двух (при этом колеса насоса и турбины остались без изменений). ГДТ, получивший номер 114-1709010, был сделан цельносварным, что уменьшило его размеры, вес и момент инерции деталей, связанных с двигателем (рис.7 и 8). Уменьшение момента инерции положительно сказывается на динамике разгона автомобиля и на улучшении плавности переключений передач.
     При переходе с двухступенчатой ГМП на трехступенчатую, сопровождавшемся увеличением мощности двигателя, было признано целесообразным иметь вариант с уменьшенным с 2,45 до 2,0 максимальным коэффициентом трансформации. Такой ГДТ 114-1709010Д был создан за счет изменения конфигурации лопаток насосного колеса и реактора. Его максимальный КПД при этом увеличился на 1...2 %. Он является сейчас штатным оборудованием автомобиля ЗИЛ-41047 (в продольном разрезе этот ГДТ не отличается от ГДТ ЗИЛ-114 (рис.8).
     Механическая часть ГМП ЗИЛ-111 имела передаточные числа 1,72; 1,00; З.Х.-2,39. Управление ГМП осуществлялось тросом с помощью кнопок на панели управления.
     ГМП ЗИЛ-111 была штатным оборудованием легковых автомобилей ЗИЛ-111 с самого начала их производства в 1957 г. В процессе доводочных испытаний и в процессе производства этой ГМП до последних дней ее выпуска в апреле 1975 г. было реализовано много мероприятий по повышению надежности ГМП, увеличению долговечности, улучшению качества переключений передач. Было разработано и внедрено новое масло для ГМП (масло А - доныне применяемое).
     Вместе с тем, при эксплуатации выявились некоторые недостатки двухступенчатой ГМП, которые не могли быть устранены совершенствованием конструкции ГМП и технологии ее изготовления. К числу их относятся:

Первые два недостатка могут быть устранены изменением схемы планетарного механизма. Для третьего необходимо увеличение передаточного числа первой передачи. Для четвертого - наличие передачи, передаточное число которой ближе к передаточному числу последней передачи (прямая). Поэтому завод остановился на схеме трехступенчатой ГМП с передаточными числами 2,02; 1,42; 1,00; З.Х.-1,42. Планетарный механизм был выполнен по оригинальной схеме, защищенной авторским свидетельством. В результате ГМП ЗИЛ стала патентно-чистой.
     Значение передаточного числа заднего хода оказалось невысоким вынужденно - это неизбежная особенность принятой схемы планетарного механизма.
     Работы по этой трехступенчатой ГМП ЗИЛ-114Д начались в 1966 г. Было построено несколько партий опытных ГМП, проведены интенсивные испытания, в том числе дорожные с пробегами до 100 тыс.км.
     Выпуск ГМП ЗИЛ-114Д начался в апреле 1975 г. Механическая часть ГМП содержала два планетарных механизма, три сцепления, два ленточных тормоза, муфту свободного хода.
     При переходе завода от автомобиля ЗИЛ-114 к автомобилю ЗИЛ-115 (4104), имеющему более мощный двигатель и несколько большую массу, ГМП 4104 была модернизирована. В нее был внесен ряд изменений, в том числе:

ЗИЛ - работы по ГМП грузовых автомобилей

    ЗИЛ не производил грузовых автомобилей общего назначения с ГМП, однако опытные работы в этом направлении велись. В первую очередь необходимо отметить ГМП ЗИЛ-153 для автомобиля повышенной проходимости, выполненную по схеме WSK (ГДТ - сцепление - коробка передач, переключаемая вручную). Формально такая конструкция (рис.10 - конструкторы В.И.Соколовский и П.С.Фомин) не может считаться, как уже отмечалось, автоматической коробкой передач из-за отсутствия автоматических переходов передач, но является шагом к ним. В конструкции рис.10 заслуживает внимания узел блокировкм ГДТ, позволяющий на определенных режимах жестко связывать турбинное колесо ГДТ с насосным колесом и обеспечивать этим работу ГМП в режиме механической коробки передач.
    При испытаниях автомобиль повышенной проходимости с ГМП ЗИЛ-153 произвел хорошее впечатление, но было признано целесообразным ориентироваться в дальнейшем на трансмиссии с автоматическим переключением передач. Такие ГМП были спроектированы, построены и испытаны. Испытывались конструкции с параллельным расположением валов в механической части (ГМП ЗИЛ-7Э131 и ЗИЛ-7Э131А) и конструкции с механической частью планетарного типа. На рис.11 приведена трехступенчатая вальная ГМП ЗИЛ-7Э131А (конструкторы В.И.Соколовский и П.С.Фомин), на рис.12 - четырехступенчатая планетарная ГМП ЗИЛ-8Э131 (конструктор Д.Б.Брейгин).
     Дальнейшего распространения эти работы не получили.
     ЗИЛ на протяжении многих лет периодически имел контакты с фирмой Аллисон (США) - крупным и давним производителем ГМП для гражданских и военных автомобилей. В течение примерно 12 лет проводились сравнительные испытания двух тягачей ЗИЛ-130 В1 - один с ГМП, другой со стандартной механической трансмиссией. Выявлено положительное влияние ГМП на долговечность узлов автомобиля. Результаты приведены в предыдущей информации N 1 "Преимущества автомобилей с гидромеханическими передачами". Фирма Аллисон сочла проведенные испытания уникальными и попросила ЗИЛ передать ей ГМП, прошедшую при испытаниях 870 тысяч км, для музея фирмы.

ЗИЛ - работы по ГМП для специальных грузовых автомобилей

В 60-ые годы ЗИЛ совместно с Брянским автомобильным заводом выпускал автомобили ЗИЛ-135, оборудованные ГМП конструкции и производства ЗИЛ. Эти автомобили использовались как шасси для ракетной техники и как поиско- эвакуационные устройства для космических аппаратов. Много лет они были на вооружении Советской Армии.
     Внедрение новой для того времени трансмиссии на автомобиле столь ответственного назначения стало возможно благодаря технической смелости Главного конструктора СКБ ЗИЛ В.А.Грачева. ГМП ЗИЛ-135 - шестиступенчатая (конструкторы В.И.Соколовский и С.Ф.Румянцев). Конструктивно она выполнена в виде трехстпенчатой автоматической коробки передач и сочетающегося с ней двухступенчатого демультипликатора (рис.13). ГДТ в ГМП выполнен на базе ГДТ ЗИЛ-111 с увеличенным до 2,7 максимальным коэффициентом транформации (конструктор А.Н.Нарбут).
    Передаточные числа коробки передач: 2,55; 1,47; 1,00; З.Х. -2,26. Передаточные числа демультипликатора: 2,73; 1,00. Чередниченко Харитонов Леонов Лаврентьев Соболев Анохин Схема управления ГМП ЗИЛ-135 приведена на рис.14. За годы производства автомобиля ЗИЛ-135 было выпущено около 300 ГМП.
    ЗИЛ - система испытаний и доводки автомобильных ГМП до требуемых функциональных показателей и показателей надежности
     Опыта работ по автомобильным ГМП в 1949 г. на ЗИЛе (и в стране) не было. Создание КБ и выпуск технической документации на ГМП было только началом работ. Требовалось создание системы испытаний и доводки ГМП до требуемых функциональных показателей и показателей надежности. Требовалось определить структуру и логическую организацию необходимых работ, разработать методы испытаний и доводки, создать испытательное оборудование, дать сведения для технологических проработок.
     Такая система разрабатывалась одновременно с организацией производства ГМП и совершенствовалась в ходе производства. Описание системы испытаний и доводки ГМП - в отдельной информации.

ГОРЬКОВСКИЙ АВТОЗАВОД (ГАЗ)

    Начало работам по гидравлическим передачам на ГАЗе было положено оборудованием механической коробки передач автомобиля ЗИМ гидравлической муфтой. Такой комплект никак не может считаться автоматической коробкой передач, но он послужил наглядным примером преимуществ, доставляемых введением в трансмиссию гидравлического элемента, и послужил толчком к работам по автоматическим трансмиссиям - гидромеханическим передачам. Такими передачами стали оборудоваться автомобили ГАЗ-13 "Чайка". Применялись они и на некоторых модификациях автомобилей "Волга".
     За прототип ГМП (конструктор Б.Н.Попов) была взята трехступенчатая ГМП, применявшаяся на автомобилях корпорации "Форд".
     Активный диаметр ГДТ (рис.15) равен 340 мм, максимальный коэффициент трансформации К0=2,4.
    Передаточные числа планетарной коробки передач: первая передача - 2,84; вторая - 1,68; третья - 1,00; задний ход - 1,75. Продольный и поперечный разрезы механической части ГМП приведены на рис.16. Выпуск автомобилей "Чайка" начался в 19.. г. и прекращен в 19.. г.

ЛЬВОВСКИЙ АВТОБУСНЫЙ ЗАВОД - НАМИ (ЛАЗ - НАМИ)

    С 1963 г. Львовскийй автобусный завод (ЛАЗ) начал выпускать спроектированную этим заводом совместно с НАМИ гидромеханическую передачу ЛАЗ-НАМИ-035. Эта ГМП была рассчитана для работы с карбюраторным двигателем мощностью 150-200 л.с. и крутящим моментом 40-50 кГм. С этой ГМП были выпущены десятки тысяч автобусов ЛиАЗ-677.
     В ГМП (схема на рис.17) применен удачно спроектированный в НАМИ (С.М.Трусов) ГДТ, послуживший прототипом для многих ГДТ в других ГМП. В ГМП ЛАЗ-НАМИ-035 использовался ГДТ с максимальным коэффициентом трансформации К0=3.2.
     ГМП ЛАЗ-НАМИ-035 - двухступенчатая. Передаточное число первой передачи - 1,79; второй передачи - 1,00; заднего хода - 1,71. ГДТ может блокироваться. Конструкция ГМП показана на рис.18.
     Конструкция ГМП ЛАЗ-НАМИ-035 послужила базой для ряда модификаций ГМП, в том числе для автобусов с дизельными двигателями.
     Имеется и вариант трехступенчатой ГМП.
    Впервые в практике отечественного автостроения отечественная конструкция послужила прототипом для зарубежной ГМП.

НАМИ совместно с научно-исследовательским институтом автомобилей УВМВ (ЧССР) и заводом "Прага" (ЧССР) разработали гидромеханическую передачу НАМИ-"Прага" 2М-70 для городских автобусов большой вместимости, снабженных дизельным двигателем мощностью 180-200 л.с. при 2100 1/мин с крутящим моментом 70-80 кГм. Эта ГМП (рис.19 и 20) выпускалась заводом "Прага" с 1967 г.

 БЕЛОРУССКИЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ЗАВОДЫ

    В Белоруссии автомобили с ГМП выпускают Минский автомобильный завод (МАЗ), Белорусский автомобильный завод (БелАЗ) и Могилевский автомобильный завод (МоАЗ). Наиболее известны первые два завода. ГМП МАЗ-530 для автомобиля-самосвала особо большой грузоподъемности (до 45 тонн) рассчитана для работы с двигателем мощностью 450 л.с. с максимальным крутящим моментом 200 кГм. В ГМП имеется повышающий редуктор, позволяющий сдвинуть характеристику двигателя по оборотам для лучшего совмещения ее с характеристикой ГДТ. Активный диаметр круга циркуляции ГДТ равен 466 мм, максимальный коэффициент транформации К0=4. ГМП МАЗ-530 (рис.21) имеет три передачи переднего хода (3,36; 1,83; 1,00) и две передачи заднего хода (2,60 и 1,40).
    ГМП БелАЗ-540 (рис.22) также предназначена для автомобилей самосвалов большой грузоподъемности. Она имеет ускоряющий редуктор, ГДТ с активным диаметром круга циркуляции 466 мм и максимальным коэффициентом трансформации К0=3,6 и редуктор с тремя передачами вперед (передаточные числа 2,6; 1,43; 0,7) и одну передачу заднего хода (передаточное число 1,6).

КАЗАНСКОЕ МОТОРОСТРОИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОН ОБЪЕДИНЕНИЕ (АО КМПО)

    В последнее время делается попытка организовать производство ГМП для городских автобусов в АО КМПО по лицензии фирмы VOITH.
     За основу принята освоенная этой фирмой система DIWA. Особенностью этой системы является разветвление потока мощности на две части - одна идет через механическую часть трансмиссии, другая - через гидравлическую.
     Трогание с места осуществляется только через гиравлическую часть, а по мере набирания скорости гидравлическая доля постоянно уменьшается и увеличивается доля механической части.
     Осуществляется это с помощью расположения ГДТ между двумя планетарными редукторами (рис.23). В первом редукторе поток мощности разделяется, во втором - объединяется.
     Имеются варианты трех- и четырехступенчатых ГМП для двигателей мощностью 185-245 квт с крутящими моментами 90-130 кГм.