Автоматична коробка перемикання передач (скорочено АКПП) — це багатошвидкісна коробка передач, яка використовується в автомобілях і не потребує участі водія для перемикання передач переднього ходу за звичайних умов водіння. Транспортні засоби з двигунами внутрішнього згоряння, на відміну від електромобілів, вимагають, щоб двигун працював у вузькому діапазоні частот обертання, вимагаючи коробки передач, що керується вручну або автоматично, щоб приводити колеса в рух у широкому діапазоні швидкостей.
Найпоширенішим типом автоматичної трансмісії є гідравлічна автоматична, яка використовує планетарну передачу, гідравлічне керування та гідротрансформатор. Інші типи автоматичних трансмісій включають безступінчасті трансмісії (CVT), автоматизовані механічні трансмісії (AMT) і трансмісії з подвійним зчепленням (DCT).
«Коробку передач у безкінному екіпажі» Sturtevant 1904 року часто вважають першою справжньою автоматичною коробкою передач. Першою автоматичною коробкою передач масового виробництва є чотириступінчаста гідравлічна автоматична коробка передач General Motors Hydramatic, яка була представлена в 1939 році.
Поширеність Транспортні засоби з двигунами внутрішнього згоряння, на відміну від електромобілів, вимагають, щоб двигун працював у вузькому діапазоні частот обертання, вимагаючи коробки передач, що керується вручну або автоматично, щоб приводити колеса в рух у широкому діапазоні швидкостей.
У всьому світі 43% нових автомобілів, вироблених у 2015 році, становили механічні коробки передач, до 2020 року цей показник знизився до 37% Автоматичні коробки передач давно були поширені в Сполучених Штатах, але в Європі стали поширеними лише набагато пізніше. У Європі в 1997 році лише 10-12% автомобілів мали автоматичну коробку передач.
У 1957 році понад 80% нових автомобілів у Сполучених Штатах мали автоматичну коробку передач. Автоматична коробка передач є стандартною частиною великих автомобілів принаймні з 1974 року До 2020 року лише 2,4% нових автомобілів мали механічну коробку передач. Історично автоматичні коробки передач були менш ефективними, але нижчі ціни на пальне в США зробили це меншою проблемою, ніж у Європі.
У Сполученому Королівстві з 2020 року більшість нових автомобілів мають автоматичну коробку передач. Кілька виробників, включаючи Mercedes і Volvo, більше не продають автомобілі з механічною коробкою передач. Зростаюча поширеність автоматичної коробки передач пояснюється збільшенням кількості електричних і гібридних автомобілів, а також легкістю її інтеграції з системами безпеки, такими як автономне екстрене гальмування .
Ефективність Найбільш розповсюдженою конструкцією автоматичних трансмісій є гідравлічна автоматична, яка часто використовує планетарні редуктори, працюючи за допомогою гідравліки. Трансмісія з'єднана з двигуном через гідротрансформатор (або гідромуфту до 1960-х років), замість фрикційної муфти, що використовується в більшості механічних коробок передач.
Реальні випробування, здійснені в 2022 році, підтверджують, що механічні коробки передач під час звичайного використання демонструють перевагу у 2–5% кращої економії палива порівняно з автоматичними, що зростає до 20% з досвідченим водієм. Лабораторні тести вказують на переваги автоматичних трансмісій, особливо при використанні оптимізованих схем перемикання для ручних коробок передач, які не завжди налаштовані на максимальну ефективність. Проте, на тривалих поїздках по шосе механічні коробки передач вимагають підтримки конкретної крейсерської швидкості для максимальної оптимізації економії, що робить автоматичні трансмісії більш вигідними в таких умовах.
Гідравлічна автоматична коробка передач
Дизайн
Найпоширенішою конструкцією автоматичних трансмісій є гідравлічна автоматична, яка зазвичай використовує планетарні редуктори, що працюють за допомогою гідравліки . Трансмісія з’єднана з двигуном через гідротрансформатор (або гідромуфту до 1960-х років) замість фрикційної муфти, яка використовується в більшості механічних коробок передач .
Редуктори та механізм перемикання передач Гідравлічна автоматична трансмісія використовує планетарні (епіциклічні) редуктори замість конструкції ручної трансмісії з шестернями, розташованими вздовж вхідного, вихідного та проміжного валів. Для перемикання передач гідравлічна автоматика використовує комбінацію внутрішніх муфт, фрикційних стрічок або гальмівних пакетів. Ці пристрої використовуються для блокування певних передач, таким чином встановлюючи, яке передавальне число використовується в даний момент.
Кутильне зчеплення (пристрій, схожий на тріскачку, який може обертатися та передавати крутний момент лише в одному напрямку) часто використовується для звичайного перемикання передач. Перевага циліндричного зчеплення полягає в тому, що воно усуває чутливість до синхронізації одночасного відпускання/застосування зчеплення на двох планетарних передачах, просто «приймаючи» навантаження трансмісії під час спрацьовування та автоматично відпускаючи, коли кулісне зчеплення наступної передачі бере на себе передачу крутного моменту.
Фрикційні стрічки часто використовуються для передач, що вибираються вручну (наприклад, низького діапазону або заднього ходу), і працюють на окружності планетарного барабана. Діапазони не застосовуються, коли вибрано діапазон драйву/овердрайву, замість цього крутний момент передається кулачковими муфтами.
Гідравлічне управління Вищезгадані фрикційні стрічки та муфти керуються за допомогою рідини для автоматичних коробок передач (ATF), яка тисне насосом, а потім спрямовується до відповідних стрічок/муфт для отримання необхідного передавального числа. ATF забезпечує змащення, захист від корозії та гідравлічне середовище для передачі потужності, необхідної для роботи трансмісії. Виготовлена з нафти з різними очищеннями та присадками, ATF є однією з небагатьох частин автоматичної коробки передач, яка потребує регулярного обслуговування в міру старіння автомобіля.
Основний насос, який створює тиск в ATF, зазвичай є шестеренчастим насосом, встановленим між гідротрансформатором і планетарною передачею. Вхід головного насоса з’єднаний з корпусом гідротрансформатора, який, у свою чергу, прикріплений болтами до маховика двигуна, тому насос забезпечує тиск, коли двигун працює. Недоліком цієї конструкції є те, що немає тиску масла для роботи трансмісії, коли двигун не працює, тому неможливо запустити автомобіль, обладнаний автоматичною коробкою передач без заднього насоса (за винятком кількох автоматичних коробок, виготовлених до 1970 р., який також включав задній насос для буксирування та запуску двигуна). Тиск ATF регулюється регулятором, підключеним до вихідного вала, який змінює тиск залежно від швидкості автомобіля.
Гідроблок всередині трансмісії відповідає за спрямування гідравлічного тиску на відповідні стрічки та муфти. Він отримує рідину під тиском від основного насоса і складається з кількох підпружинених клапанів, зворотних кульок і сервопоршнів. У старіших автоматичних коробках передач клапани використовують тиск насоса та тиск відцентрового регулятора на стороні випуску (а також інші вхідні дані, такі як положення дросельної заслінки або блокування водієм вищих передач), щоб контролювати, яке співвідношення вибрано. У міру того як транспортний засіб і двигун змінюють швидкість, різниця між тисками змінюється, змушуючи різні набори клапанів відкриватися і закриватися. У новіших автоматичних трансмісіях клапани керуються соленоїдами. Ці соленоїди керуються комп’ютером, вибір передач визначається спеціальним блоком керування трансмісією (TCU), або іноді ця функція інтегрована в блок керування двигуном (ECU). Сучасні конструкції замінили відцентровий регулятор на електронний датчик швидкості, який використовується як вхідний сигнал для TCU або ECU. Сучасні трансмісії також враховують величину навантаження на двигун у будь-який момент часу, яка визначається або положенням дросельної заслінки, або величиною розрідження у впускному колекторі.
Велика кількість деталей разом із складною конструкцією гідроблоку спочатку робили гідравлічні автоматичні коробки передач набагато дорожчими та трудомісткими для виготовлення та ремонту, ніж механічні коробки передач; однак масове виробництво та розробки з часом зменшили цей розрив у вартості.
Гідротрансформатор
Для забезпечення зчеплення і розчеплення двигуна в сучасній АКПП використовується гідротрансформатор замість фрикційної муфти, використовуваної в МКПП.
Історія
1904-1939: Попередники гідравлічного автомата «Коробка передач для безкінної карети» Sturtevant 1904 року часто вважається першою автоматичною коробкою передач для автомобілів. Розроблена в Бостоні в Сполучених Штатах, ця коробка передач мала два передавальних числа переднього ходу та маховики, що керувалися двигуном, які контролювали вибір передач. На вищих обертах двигуна вмикалася висока передача. Коли автомобіль сповільнювався, а оберти двигуна зменшувалися, коробка передач поверталася до низького. Однак трансмісія була схильна до раптового виходу з ладу через те, що трансмісія була не в змозі витримувати навантаження від різкого перемикання передач.
Прийняття планетарних передач стало значним кроком вперед на шляху до сучасної автоматичної коробки передач. Однією з перших коробок передач, яка використовувала цю конструкцію, була механічна трансмісія, встановлена на автомобілі Wilson-Pilcher 1901-1904 років. Ця трансмісія була виготовлена у Сполученому Королівстві та використовувала дві епіциклічні передачі для забезпечення чотирьох передавальних чисел. Ножне зчеплення використовувалося для старту з місця, вибір передач здійснювався ручним важелем, використовувалися косозубі шестерні (для зменшення шуму), а шестерні використовували конструкцію з постійним зачепленням. Планетарний редуктор також використовувався в Ford Model T 1908 року, який був оснащений двошвидкісною механічною коробкою передач (без косозубих шестерен).
Ранній патент на автоматичну коробку передач був виданий канадському винахіднику Альфреду Горнеру Мунро з Регіни в 1923 році Будучи паровим інженером, Мунро розробив свій пристрій для використання стисненого повітря, а не гідравлічної рідини, тому йому бракувало потужності, і він ніколи не знайшов комерційного застосування.
У 1923 році в Сполучених Штатах був схвалений патент, що описує роботу трансмісії, у якій було усунено ручне перемикання передач і ручне керування зчепленням. Цей патент був поданий Генрі Р. Хоффманом із Чикаго під назвою: Автоматичне перемикання передач і контроль швидкості.
Патент описує роботу такої трансмісії як:Однак минуло більше десяти років, поки автоматичні коробки передач не почали вироблятися у значних кількостях. У той же час кілька європейських і британських виробників використовували коробки передач з преселектором, форму ручної трансмісії, яка позбавила від необхідності покладатися на майстерність водія для досягнення плавного перемикання передач.
Першу автоматичну трансмісію з використанням гідравлічної рідини розробили в 1932 році двоє бразильських інженерів Хосе Браз Араріпе та Фернандо Лелі Лемос.