Сцепление. Новое – хорошо забытое старое?

На заре автомобилизма, пока шел поиск оптимальных технических решений, применялись самые разные конструкции сцепления. Первые машины были оснащены ленточным сцеплением, в котором металлическая лента контактировала с металлическим барабаном при помощи различных рычагов. Затем появились конусные сцепления – дальний предок нынешних сухих однодисковых сцеплений. Здесь впервые включение сцепления производилось с помощью пружин, а маховик был ведущим элементом узла, его внутренняя поверхность имела коническую форму, соответствующую поверхности ведомого диска. Также в такой схеме впервые использовались фрикционные накладки. Однако по ряду причин данная конструкция не получила широкого распространения. Во-первых, из-за сложности конструкции, во-вторых, из-за большего момента инерции ведомого диска, что затрудняло быстрое переключение передач.

На смену конусному сцеплению пришли многодисковые конструкции. Причем использовались как сухие сцепления, так и мокрые, работающие в масляной ванне. В наше время такие решения уже на новом технологическом уровне реализованы в роботизированных коробках передач. Примечательно, что уже тогда стало понятно, что ресурс мокрых сцеплений в несколько раз выше и они способны передавать больший крутящий момент, чем сухие сцепления. Поэтому на тяжелых грузовиках и военной технике многодисковые мокрые сцепления использовались довольно долго. Однако для массовых автомобилей тех лет многодисковые конструкции были слишком сложны. К тому же они обладали еще одним недостатком: в то время еще не было синтетических масел, а минеральные загустевали при понижении температуры, что приводило к повышению усилия при переключении передач.

В итоге оптимальным решением стало однодисковое сухое сцепление, состоящее из маховика, кожуха, нажимного диска, ведомого диска, выжимного подшипника, муфты выключения подшипника. Включение сцепления в такой конструкции происходит при помощи пружин, в сцеплении современных легковых автомобилей, как правило, используются диафрагменные пружины.

Однодисковое сухое сцепление без существенных изменений в конструкции до сих пор применяется на большинстве современных автомобилей, как легковых, так и грузовых. Такие узлы недорогие в производстве, ремонтопригодны (замена сцепления, как правило, занимает не более двух часов), обладают высоким КПД. Конструкция совершенствуется в основном по пути использования новых, более износостойких материалов, что позволило увеличить срок службы (на некоторых автомобилях он сопоставим со сроком службы самого автомобиля).

Однако недостатков у однодисковых сцеплений тоже довольно много. Во-первых, при переключении передач происходит разрыв потока мощности, что очень плохо при движении в тяжелых условиях, например на бездорожье или при трогании с места на крутом подъеме. Во-вторых, по мере износа ведомого диска требуется регулировка привода сцепления. В-третьих, ресурс сцепления сильно зависит от различных факторов: условий эксплуатации, нагрузки, стиля езды и т.д. В-четвертых, выход из строя каждой детали сцепления быстро приводит к поломке всего узла, несмотря на то, что некоторое время конструкция сохраняет свою работоспособность. Например, подклинивание выжимного подшипника приводит к быстрому выводу из строя как ведомого, так и нажимного диска, а в тяжелых случаях и к повреждению дорогостоящего маховика. Поломка демпферных пружин также приводит к выходу из строя узла. Поэтому лучше при малейших признаках неисправности сцепления заменять весь узел в сборе, отдавая предпочтение продукции известных брендов. В-пятых, крутящий момент, который могут передавать сухие сцепления, ограничен. Поэтому зачастую автопроизводителям на одной и той же модели при использовании различных типов двигателей приходится применять разные модели сцеплений. В итоге это приводит к тому, что дистрибьюторы, автосервисные предприятия вынуждены держать на складе большую номенклатуру изделий. В-шестых, современные мощные турбомоторы создают значительные крутильные колебания, которые простые однодисковые сцепления не способны полностью погасить. В-седьмых, сама идея использования механической коробки передач в сочетании с однодисковым сухим сцеплением далеко не лучшая, доказано, что при эксплуатации в городских условиях утомляемость водителя при езде автомобиля с «механикой» наступает на 20–25% быстрее, чем на машине, оснащенной автоматической коробкой передач.

Конструкторы об этих проблемах хорошо знают и пытаются их по возможности решать, предлагая новые технические решения. Ресурс узла удалось поднять до приемлемого уровня благодаря применению современных материалов. Хотя внешне все сцепления выглядят одинаково, их срок службы может отличаться в десятки раз. Только ведущие компании могут позволить себе использовать дорогие качественные комплектующие при изготовлении узла. Проблему с крутильными колебаниями удалось решить благодаря изобретению конструкции с двухмассовым маховиком. Здесь гаситель крутильных колебаний перенесен из ведомого диска на маховик. Это позволило снизить нагрузку как на сцепление, так и на детали коробки передач. Сегодня такую конструкцию применяют все ведущие производители автомобилей с мощными двигателями.

В качестве недорогой альтернативы автоматическим трансмиссиям еще в 1930-х годах была изобретена роботизированная коробка передач (еще ее называют автоматизированной). Массово такие конструкции, реализованные уже на новом техническом и технологическом уровне, стали использоваться начиная с конца прошлого века, преимущественно на недорогих автомобилях. Главное преимущество роботизированных коробок передач – простота конструкции и невысокая стоимость. В основе такого узла обычная механическая коробка передач. Экономически это очень выгодно автопроизводителям – не надо осваивать новые технологии или затрачивать дополнительные средства на закупку трансмиссии у стороннего производителя, в результате себестоимость простой роботизированной коробки передач почти не отличается от обычной механической. Однако роботизированная коробка потребовала нескольких изменений в конструкции. Для переключения передач и выжима сцепления предназначены электромагнитные устройства – актуаторы. Также возникла еще одна проблема: в процессе эксплуатации фрикционные накладки ведомого диска изнашиваются и нажимной диск постепенно прижимается к маховику. Это приводит к изменению усилия прижатия лепестков диафрагменной пружины. Как известно, «робот» может работать только по определенным алгоритмам, поэтому в конструкцию сцепления пришлось ввести компенсатор износа, позволяющий сохранить характеристики узла неизменными в течение срока службы.

Основные преимущества роботизированной коробки передач с одним сцеплением – невысокая стоимость как самого узла, так и его ремонта (он не намного сложнее и дороже, чем у обычной механической коробки передач). Как правило, в процессе эксплуатации замены требуют только сцепление и актуаторы. Также такие коробки передач легкие и компактные.

Однако и недостатков тоже немало. Самый главный – так же как у классической «механики», при переключении передач происходит разрыв потока мощности. Второй – ограничение по крутящему моменту. Третий – ограниченный ресурс сцеплений, в городских условиях эксплуатации они требуют замены через каждые 50–70 тысяч километров. Четвертый – «робот» работает по определенным алгоритмам, которые не всегда оптимально походят для конкретных условий. Чтобы конструкция работала адекватно, приходится тратить много времени и средств для разработки данных алгоритмов. В результате сегодня роботизированные трансмиссии с одним сцеплением применяются ограниченно, в основном их используют те автопроизводители, у которых нет средств на разработку или закупку более совершенных коробок передач.

На сегодняшний день самый совершенный вариант трансмиссии на основе механических коробок передач – роботизированная трансмиссия с двумя сцеплениями. Работает она следующим образом. В коробке передач два соосных вала. Один отвечает за включение нечетных передач, второй – четных. У такой трансмиссии два пакета сцеплений, которые управляются автоматически при помощи электронного блока управления (мехатроники). Такая конструкция позволяет одновременно держать включенными две передачи, и в зависимости от условий движения электроника выбирает одну из двух, повышенную или пониженную. Все работало надежно, пока такие трансмиссии были с мокрыми сцеплениями. Но у мокрых сцеплений ниже КПД, а сейчас производители в угоду требованиям экологов борются за каждый лишний израсходованный грамм топлива, поэтому, когда роботизированная коробка передач была доведена до совершенства, попробовали убрать масляный контур и сделать такую трансмиссию с двумя сухими сцеплениями. Впервые массово применять такую конструкцию стал Volkswagen Group, такая коробка передач получила название DSG200. Однако вскоре выяснилось, что в условиях мегаполиса срок службы сцеплений не превышает нескольких десятков тысяч километров. В течение нескольких лет конструкцию доводили до ума, неоднократно меняли настройки управляющей электроники, в итоге сейчас проблем с этим узлом нет, сцепления служат не менее 100 тысяч км. Тем не менее модернизированная коробка передач DSG200 устанавливается только на автомобили с двигателями рабочим объемом не более 1,4 л. А вот аналогичные по конструкции роботизированные коробки передач с мокрыми сцеплениями оказались более перспективными. 6-ступенчатая DSG250, хотя и появилась раньше DSG200, до сих пор широко применяется. Вершиной развития на сегодняшний день стал робот DSG500 с мокрыми сцеплениями, который способен передавать большой крутящий момент и сегодня агрегатируется с большинством автомобилей Volkswagen Group с мощными двигателями, в том числе и дизельными.

В наше время роботизированные коробки передач с двумя сцеплениями используют многие ведущие автопроизводители, например Ford, Hyundai, FCA. По своим потребительским качествам они не уступают автоматическим коробкам передач с гидротрансформатором, а кое в чем их превосходят. Главное преимущество таких трансмиссий – быстрое переключение передач: всего за 8 мс, что обеспечивает хорошую динамику и позволяет снизить расход топлива. По сравнению с механической коробкой передач роботизированная трансмиссия с двумя сцеплениями позволяет снизить расход топлива до 6% и на 15–20% по сравнению с автоматическими коробками передач с гидротрансформаторами. У таких трансмиссий практически не происходит разрыва потока мощности. Конструктивно «робот» с двумя сцеплениями – это две механические коробки передач в сборе. Для автопроизводителей это плюс – не надо создавать отдельное механическое производство. Но с другой стороны, такие коробки передач имеют больший вес по сравнению с обычной механической коробкой передач. Такие трансмиссии сложны по конструкции и в обслуживании. При ремонте требуется дорогой комплект оригинальных сцеплений. Как уже ранее говорилось, в такой коробке передач при движении автомобиля все время одновременно включены две передачи, четная и нечетная, даже на месте, если селектор управления трансмиссией переведен в положение «нейтраль», одновременно включены первая передача и задняя. В такой конструкции происходит ускоренный износ синхронизаторов и подшипников вилок передач. С другой стороны, производители автокомпонентов знают об этом и освоили производство относительно недорогих ремкомплектов. Поэтому роботизированные трансмиссии более ремонтопригодны, чем большинство современных автоматических трансмиссий и вариаторов. Механическая часть «роботов» надежна и не доставляет проблем в процессе эксплуатации. В итоге ремонт роботизированных трансмиссий, как правило, стоит дешевле, чем автоматических коробок передач.       

Получат ли роботизированные коробки передач с двумя сцеплениями дальнейшее развитие, пока сказать трудно. С одной стороны, Volkswagen Group почти полностью отказалась от использования автоматических коробок передач с гидротрансформатором в пользу «роботов». С другой стороны, современные «автоматы» стали более совершенными, благодаря блокировке гидротрансформатора при движении на высшей передаче у них удалось повысить КПД, поэтому некоторые автопроизводители, которые устанавливали «роботы» на свои машины, теперь переходят на автоматические трансмиссии.