Почему число передач постоянно растёт?

Количество передач, на которое увеличивает коробка передач, удерживая двигатель в наиболее эффективном диапазоне оборотов, одновременно повышает крутящий момент и снижает расход топлива.
Количество передач, на которое увеличивает коробка передач, удерживая двигатель в наиболее эффективном диапазоне оборотов, одновременно повышает крутящий момент и снижает расход топлива.

Поделиться этой страницей

Число передач растёт, чтобы удерживать двигатель в узком диапазоне оборотов, где он развивает мощность и крутящий момент наиболее эффективно: Короткие передачи ближе к первой увеличивают крутящий момент при трогании, а длинные высшие передачи снижают обороты двигателя и расход топлива на скорости шоссе. Если в типичных автомобилях 1990-х годов было 3-5 передних передач, то за последние два модельных года это число выросло минимум до 6, а на некоторых моделях - до 10.

Главное

  • 8-ступенчатый автомат ZF обеспечивает на 21-24% лучшую топливную экономичность по сравнению с 3-ступенчатым автоматом.
  • В Ford F-150 2017 года переход с 6 передач на 10 сократил разгон 0-60 mph на 0,2 секунды.
  • Начиная с модельного 2016 года автоматические коробки передач превзошли механические по топливной эффективности.
  • Инженеры Ford и GM признают, что 10 передач - это полезный верхний предел.

Почему число передач растёт? Эффективный диапазон оборотов двигателя

Şanzımanın tek görevi, motoru hem en güçlü hem en az yakıt tükettiği o dar devir aralığında tutmak; vites sayısı arttıkça motor bu ideal bölgede daha çok vakit geçirir.

Представьте рабочую карту двигателя внутреннего сгорания. Будь то бензиновый или дизельный, двигатель имеет относительно узкий диапазон оборотов (RPM), в котором он развивает максимальную мощность и крутящий момент, потребляя минимум топлива. Задача коробки передач именно в этом: Удерживать скорость вращения, идущую к колёсам, в этой идеальной зоне двигателя. Чем больше передач, тем чаще двигатель работает в этом оптимальном диапазоне; каждая передача предлагает более точно подобранное передаточное число для поддержания оборотов.

В автомобиле с малым числом передач двигателю приходится мириться с ближайшей к текущей скорости передачей. Результат - работа на оборотах выше, чем требуется. Высокие обороты означают больше топлива за единицу времени и большую нагрузку на двигатель. Если выстроить грубую цепочку логики: Больше оборотов - больше работы двигателя, больше топлива, больше стресса и износа. Разворот этой цепочки вспять и есть главная движущая сила гонки за число передач.

Роли низших и высших передач совершенно различны. Первая передача с коротким передаточным числом, умножая крутящий момент на колёсах, делает возможными трогание и подъём в гору. Длинные повышающие передачи на скоростях шоссе снижают обороты двигателя, уменьшая как расход, так и шум, слышимый в салоне. Проблема в следующем: Чем больше промежуточных передаточных чисел вы вставите между этими двумя крайностями, тем меньше падают обороты двигателя и тем эффективнее он остаётся.

Диапазон передаточных чисел: Инженерная логика 10-ступенчатой коробки передач

С ростом числа передач увеличиваются не только промежуточные ступени; общий диапазон передаточных чисел, то есть ratio spread, тоже может расширяться. В современных 10-ступенчатых коробках первая передача имеет гораздо более короткое передаточное число для агрессивного старта, а высшая передача гораздо длиннее прежней для движения на низких оборотах. Промежуточные же шаги остаются небольшими. Большое числовое передаточное число при старте, длинная высшая передача в движении: Требовать от одной коробки и производительности, и эффективности - больше не противоречие, а цель дизайна.

У уменьшения шагов есть и вторая выгода: Снижаются рывки при переключении передач. Когда обороты двигателя между передачами падают слишком сильно, переключение ощущается, разгон прерывается. По мере того как шаги сокращаются, это переключение становится и мягче, и быстрее; современные 8-10-ступенчатые автоматы благодаря быстрой смене сцеплений и интеллектуальному управляющему ПО способны перескакивать сразу через четыре-пять передач. Например, управляющий компьютер 10-ступенчатой коробки, совместно разработанной Ford и GM, содержит более 1 миллиона строк кода - более чем вдвое больше, чем у предыдущей 6-ступенчатой - и может резко переходить на пониженные передачи в зависимости от движения педали газа.

Что изменилось с точки зрения цифр?

Конкретные примеры делают влияние числа передач измеримым. Модель 2017 года Ford F-150 с 10-ступенчатой коробкой по сравнению с версией предыдущего года с 6-ступенчатой коробкой получила на 1 mpg лучшую экономию топлива в городе и на трассе, а в версии 4x4 - на 2 mpg; время разгона 0-60 mph сократилось на 0,2 секунды. В том же модельном году версии пикапа достигли тягового потенциала 12 200 фунтов с мощностью 375 л.с. и крутящим моментом 470 lb-ft. Похожая картина наблюдается и в сегменте седанов: переход с 8-ступенчатой на 9-ступенчатую коробку в Chevrolet Malibu 2017 года повысил топливную эффективность примерно на 3%.

Данные, опубликованные ZF в 2012 году, показывают, насколько драматичной может быть связь между числом передач и расходом: 8-ступенчатый автомат обещает улучшение на 21-24% по сравнению с 3-ступенчатым автоматом; по сравнению с 6-ступенчатой экономия составляет около 11%, по сравнению с 5-ступенчатой - 14%. ZF 9-ступенчатая нацелена на улучшение до 16% по сравнению с 6-ступенчатой. Значения из технических документов ZF 8HP говорят о том же: на 12% меньше расход, чем у 6-ступенчатой 6HP, и на 14% меньше, чем у 5-ступенчатой. С точки зрения инженера эти цифры не случайность, а прямая математика шагов передаточных отношений.

Коробка передач Сравнение Улучшение экономии топлива
ZF 8-ступенчатая против 3-ступенчатой 21-24%
ZF 8-ступенчатая против 5-ступенчатой 14%
ZF 8-ступенчатая против 6-ступенчатой 11%
ZF 9-ступенчатая против 6-ступенчатой до 16%
GM 9-ступенчатая против предыдущей 8-ступенчатой (Malibu) 3%

Цена многих передач: сложность, вес и стоимость

Каждая дополнительная передача означает дополнительные элементы сцепления, более сложные компоненты клапанного блока и больше компьютерного управления. Большее количество подвижных частей неизбежно влечёт больший потенциал механических проблем и более дорогой блок коробки передач. GM вложила 323 миллиона долларов в завод высоко ступенчатых коробок в Ромулусе, штат Мичиган; эта цифра - мера того, насколько серьёзные промышленные инвестиции требуют многоступенчатые автоматы.

Вес тоже в центре дискуссии. Критический взгляд таков: вес - враг производительности; вместо добавления большего числа передач производителям следует искать способы облегчения автомобилей. Эта критика несправедливой не является, ведь каждое достижение покупается ценой механической сложности. С другой стороны, неизбежно и убывание отдачи: хотя за пределами 8 и 9 передач выгода всё ещё может наблюдаться, при переходе к 11-12 передачам вступает в силу убывающая отдача, порождающая архитектурные проблемы. Инженерные команды Ford и GM видят в 10-ступенчатой коробке передач золотую середину этой кривой полезности.

Есть и вопрос целесообразности. 10 передач - не оптимальное решение для каждого автомобиля; считается, что в зависимости от региональных рынков 6-ступенчатые коробки ещё долго будут оставаться востребованными. Со своей стороны GM рассчитывает, что её 9-ступенчатая коробка для моделей с передним приводом сможет совместно закрывать премиальный сегмент с большим числом передач, и подчёркивает, что обе коробки спроектированы как герметичные агрегаты, не требующие обслуживания в течение всего срока службы.

8 передач или 10 передач? Альтернативное решение проблемы диапазона передаточных чисел

10-ступенчатая коробка - не единственная точка зрения в этом споре. Школа ZF отстаивает 8-ступенчатую коробку с более широким диапазоном передаточных чисел вместо коротких шагов, и 8HP получает широкое признание как агрегат, достаточно быстрый и рафинированный, чтобы служить как спортивным автомобилям, так и люксовым седанам. Практическое сравнение это подтверждает: В проведённом на 2020 Chevrolet Silverado Z71 сравнении версий с 8- и 10-ступенчатой коробками явного преимущества 10-ступенчатой перед 8-ступенчатой обнаружено не было; широкий диапазон передаточных чисел ZF отлично справлялся со своей задачей.

Урок отсюда: важен не столько сам число передач, сколько диапазон передаточных чисел и их близость. 10 передач выделяется как сильный выбор, особенно в сценариях буксировки и перевозки тяжёлых грузов; для лёгких автомобилей и повседневной же эксплуатации хорошо настроенной 6-8-ступенчатой коробки чаще всего достаточно. Формула «чем больше передач, тем лучше» в инженерном мире редко работает.

CVT и DCT: Альтернативы количеству передач

Многоступенчатые автоматы - не единственный путь. CVT благодаря системе ремня и шкивов предлагает бесконечное число передаточных чисел и может удерживать двигатель в эффективности на золотой середине без переключения передач; в большинстве случаев это обеспечивает лучшую топливную экономичность, чем обычный автомат. Зато характер вождения, который даёт конструкция ремень-шкив, нравится не всем, а в приложениях с высоким крутящим моментом встаёт вопрос долговечности. Коробки с двойным сцеплением (DCT) предлагают путь не только для ориентированных на производительность автомобилей, но и для моделей, желающих сбалансировать скорость и эффективность.

Интересный поворотный момент - историческое превосходство автоматов над механическими коробками: Начиная с модельного 2016 года автоматические коробки догнали механические по топливной эффективности или как минимум сравнялись с ними. Пока до десяти лет назад предположение «механика расходует меньше топлива» действовало почти в каждом классе, плотные передаточные числа многоступенчатых автоматов перевернули это уравнение. Главной целью гонки передач была не производительность, а топливная экономичность; очевидно, что движущей силой этого тренда стали корпоративные стандарты средней топливной экономичности в США (CAFE). Прирост же производительности приходит как побочный продукт короткой первой передачи и быстрых переключений.

Почему электромобили не считают передачи?

Электродвигатели обладают свойством, которое обесценивает весь этот спор: Они производят почти постоянный крутящий момент от нуля до максимальных оборотов. Искать узкий «эффективный диапазон оборотов» не нужно; двигатель практически везде демонстрирует одинаковый характер. Поэтому электромобили обходятся односкоростной трансмиссией. Увеличение числа передач было решением проблемы узкого эффективного диапазона двигателя внутреннего сгорания; когда узкий эффективный диапазон исчезает, исчезает и необходимость в умножении передаточных чисел. Показательно и сравнение с рычагом: на велосипедах с педалями мышечная сила человека вырабатывается в очень узком диапазоне усилий, поэтому требуется 18 и более передач; на грузовиках из-за тяжёлых грузов также можно встретить 18 ступеней. Число передач устраняет разрыв между характером двигателя и задачей автомобиля.

Сколько передач достаточно? Убывающая отдача передаточного отношения

Так какое же число идеально? Чёткого и измеримого ответа нет, но границы известны. Для маломощных и лёгких автомобилей 5-ступенчатая коробка всё ещё может быть достаточной как с точки зрения стоимости производства, так и потенциала производительности. Для тяжёлых грузовиков 18 передач оправданы, поскольку разница в потребности в передаточных числах между гружёным и порожним состоянием огромна. На легковых автомобилях 6-8 передач покрывают большинство сценариев; а 10 передач обретают смысл в автомобилях с большими двигателями, нацеленных одновременно на буксировку полной нагрузки, быстрый разгон и низкий расход в крейсерском режиме. Со стороны производителей Ford и GM считают 10 передач «золотой серединой», тогда как противоположная точка зрения считает груз веса и сложности многодиапазонной коробки излишним. Обе стороны отчасти правы: Правильный ответ зависит от задачи автомобиля, и выгода каждого дополнительного передача должна окупаться экономией топлива. Иначе число передач превращается в характеристику, которая красиво выглядит на бумаге, но дорого обходится на дороге.

Источники