З появою роботизованих коробок передач з двома зчепленнями почало здаватися, що час гідромеханічних АКПП закінчений. Простіші, дешеві й ефективні «роботи» повинні були витіснити класичний автомат. Але час минав, а автомати нікуди не зникали – навпаки, за останні роки вони стали набагато досконалішими.
Основа гідромеханічного автомата – це гідротрансформатор. Аналогічно зчепленню в механічній трансмісії, роль гідротрансформатора це передача крутного моменту від двигуна до коробки передач з можливістю просковзування, щоб автомобіль міг плавно рушити з місця. Однак на цьому схожість з фрикційним зчепленням закінчується. Всередині, гідротрансформатор влаштований зовсім інакше.
Принцип його роботи легко проілюструвати на такому прикладі. Уявімо два вентилятора, встановлені один навпроти одного. Якщо ми включаємо один з них, то створюваний ним повітряний потік призводить до руху і другий вентилятор. Ця ж ідея реалізована в гідротрансформаторі. У ньому є насосне колесо, що обертається двигуном і створює потік масла, і турбінне, пов’язане з валом коробки і сприймає тиск потоку. Різниця з вентиляторами лише в тому, що насосне колесо здійснює набір масла не зі зворотного боку, а з передньої центральної частини, тобто є відцентровим насосом. Відкинуте їм вперед по зовнішньому контуру масло потрапляє на лопатки турбінного колеса, перенаправляється до центру і повертається назад. Тобто циркуляція рідини відбувається фактично в замкнутому просторі між двох коліс, що дозволяє максимально їх зблизити, зменшивши розсіювання потоку і збільшивши ефективність передачі крутного моменту.
Але найцікавіші властивості гідротрансформатора пов’язані з наявністю третього колеса – реактора. Служить воно для впливу на потік, який повертається до насосного колеса і, відповідно, розташовується в середині гідротрансформатора. Закріплено воно нерухомо, а тому потік, що потрапляє на його лопатки створює спрямовану в зворотну сторону силу реакції, яка додатково підкручує турбінне колесо. Виходить, що гідротрансформатор збільшує крутний момент на виході. І чим більша різниця в швидкості обертання турбінного і насосного колеса, тим більша ця сила реакції потоку, і тим більше збільшується момент. В межі він може множитися в три рази.
Ці властивості гідротрансформатора: збільшувати крутний момент і допускати довге просковзування, взагалі кажучи, дозволяють і зовсім обійтися без коробки передач. Наприклад, BMW 750i 1986-го року спокійно рушав з третьої передачі і на ній же досягав 250 км / год! Але, звичайно, таке під силу лише обраним, та й то ціною погіршення динаміки і витрати палива. А всім іншим обійтися без механізму перемикання важкувато.
У гідромеханічних автоматах для зміни передавального числа використовуються планетарні передачі. Це принципово відрізняє їх від механічної трансмісії з паралельними валами. У чому ж переваги такої конструкції? З планетарної передачею простіше організувати автоматичну зміну швидкостей. Для цього потрібно лише замикати між собою окремі її шестерні. Набагато компактніша і сама передача. Теоретично ця збірка з усього лише п’яти шестерень дозволяє реалізувати п’ять швидкостей: 4 передніх і 1 задню. І хоча на практиці, внаслідок конструктивних обмежень, доводиться застосовувати більшу кількість планетарний рядів, проте, цей вузол все одно залишається дуже невеликим.
Як він працює? У планетарній передачі є три елементи: перший – центральна сонячна шестерня; другий – сателіти, що обертаються навколо неї; і третій –велике епіциклічне зубчасте колесо, яке охоплює сателіти. Відповідно, процес перемикання тут здійснюється встановленням жорсткого зв’язку між двома елементами з цієї трійки або їх блокуванням на корпус. Наприклад, жорстке з’єднання сонячної шестерні і осей сателітів дає пряму передачу і вся планетарна передача обертається як єдине ціле. Якщо ж загальмувати на корпус коробки осі сателітів, то сонячна і епіциклічна шестерні почнуть обертатися в різний бік – отримуємо задню передачу. І так далі.
Всі ці гальмування і блокування здійснюються за допомогою фрикційних і гальмівних стрічок, а керує ними складна гідросистема, що включає в себе безліч каналів, клапанів, гідроакумуляторів і, звичайно, насос, який створює тиск масла. Ця гідравліка спочатку і реалізовувала всю керуючу логіку, причому спираючись лише на два параметри: навантаження на двигун і швидкість автомобіля.
З поширенням електроніки в кінці 80-их років автомат став точніше оцінювати умови руху. Наприклад, він вже не буде навантажувати занадто ранніми перемиканнями ще непрогрітий двигун, а при зміні передач врахує температуру власного масла, тобто зробить поправку на його в’язкість. Це особливо важливо для забезпечення плавності перемикання. Справа в тому, що уникнути провалів тяги дозволяє так зване перекриття передач: включення наступної швидкості, ще до виключення поточної передачі. Такий процес вимагає точності: занадто мале перекриття веде до провалу тяги, а надто велике і зовсім різко загальмує автомобіль. Зрозуміло, електроніка тут дозволяє набагато акуратніше витримувати необхідні моменти перемикань. Збільшує вона і ресурс трансмісії, коректуючи роботу в залежності від ступеня зносу. Але головне – вона допомагає поліпшити економічність.
Гідромеханічний автомат далеко не найефективніший спосіб передачі крутного моменту. Основні втрати в ньому пов’язані з гідротрансформатором. Навіть в сталому режимі руху насосне та турбінне колесо прослизають відносно один одного. Витрачується енергія і на утримування фрикціонів і гальмівних стрічок, маслений насос підтримує тиск в десятки атмосфер. В результаті ККД автомата не перевищує 85%, в той час як ККД механічної коробки близький до 98%.
Щоб поліпшити цей показник почали використовувати блокування гідротрансформатора. На підвищеній передачі, при досягненні певної швидкості, вбудований фрикціон, схожий на звичайне зчеплення, жорстко пов’язує турбінне і насосне колесо. До речі, цей момент легко відстежити по тахометрі – обороти мотора злегка падають, ніби включилася ще одна передача. У такому режимі ККД вже піднімається до 94%.
З розвитком електронного управління, блокування гідротрансформатора стало проводитися на всіх передачах. При цьому, правда, іноді страждає плавність перемикань. Як показує досвід, багато сучасних автоматів поступаються в цьому плані старим моделям. Особливо це помітно на 6-ступеневих моделях ZF. На їх графіку поздовжнього прискорення чітко видно, як за одним провалом тяги в момент перемикання слідує другий ривок, викликаний вже блокуванням гідротрансформатора.
Деякі пішли ще далі. Інженери Mercedes і зовсім відмовилися від гідротрансформатора. Замість нього вони стали застосовувати зчеплення. Правда, не сухе, як в механічних трансмісіях, а мокре, яке витримує більш тривалу пробуксовку. Замикається воно в момент старту, і, відповідно, всі перемикання передач відбуваються при наявності жорсткого зв’язку коробки з двигуном. Це істотно порушує вимоги до синхронізації процесів включення-виключення швидкостей, але ККД зростає до 97%, тобто порівнюється з показниками роботизованих механічних коробок. Постійне жорстке з’єднання з валом мотора означає і більш лінійні відгуки на педаль газу, що користується попитом в потужних спортивних моделях AMG.
Остання ж тенденція, яку вже не можна не помітити це зростання числа передач. В середині минулого десятиліття, коли з’явилися 7-швидкісні «роботи» з двома зчепленнями, гідромеханічний автомат явно відставав. Але потім швидко пішли семи-, восьми швидкісні, на підході вже і 10-швидкісні коробки. Зрозуміло, ці складні агрегати вже не відрізняються надійністю і ресурсом. Деталі доводиться сильно зменшувати в розмірах, але зате по економічності і розгінній динаміці вони виграють у механічної трансмісії. Поступаючись останнім в ККД, багатошвидкісні автомати дозволяють точніше утримувати мотор в оптимальному діапазоні оборотів, що і визначає, в кінцевому рахунку, динамічні властивості автомобіля.
Таким чином, у сучасного автомата практично немає слабких місць. Зберігши свої головні якості: плавність перемикань і здатність тривалий час працювати в режимі пробуксовування при русі на малих швидкостях, він став набагато ефективнішим. Правда, поки всі ці досягнення доступні лише на дорогих автомобілях. Складні, багатоступінчасті автомати, зрозуміло, і коштують чимало, а тому сегмент недорогих моделей все-таки поступово переходить на роботизовані коробки. Але це лише локальна поразка. В майбутньому гідромеханічних коробок сумніватися не доводиться.
