Ручная коробка, но две педали: что такое полуавтоматическая КП Saxomat и как она работает
Центробежное сцепление, как у скутера или газонокосилки, на автомобиль? Это не бред и не гаражно-алкогольный креатив, а вполне себе жизнеспособная конструкция, которой много лет комплектовались вполне серийные автомобили! К слову, именно КП с центробежно-вакуумным сцеплением можно считать в некоторой степени предтечей современных роботов. Да и в наши дни у «центробежки» есть определенный потенциал и перспективы!
Saxomat, Olymat, Hycomat и прочие…
Классическая трехпедальная схема трансмиссии автомобиля с ручной КП – самая простая и дешевая из существующих. Главный недостаток у нее – необходимость для начинающего водителя осваивать искусство манипулирования двумя педалями при трогании, а если в горку – то и всеми тремя. Период освоения грамотного оперирования тремя педалями с помощью всего лишь двух ног для многих мучителен, для некоторых он затягивается дольше разумного, а кто-то в редких случаях вынужден даже отказываться от автомобиля из-за психологическо-физиологической несовместимости с ручной трансмиссией…
Проблема эта общеизвестна с момента появления в мире первых автомобилей, и инженеры бесконечно трудятся над делегированием автоматике манипуляций с передачами и сцеплением. Однако, помимо всем известной классической гидротрансформаторной автоматической коробки, в разные годы существовали десятки разновидностей «полуавтоматических» трансмиссий, в той или иной степени упрощающих жизнь водителю. И одной из самых простых концепций считается сохранение традиционной ручной коробки, где переключение передач человек осуществляет по-прежнему вручную, рукояткой: традиционное сцепление при этом сохранено, но третья педаль отсутствует, а за привод сцепления отвечает какая-либо автоматика. Наиболее известной (в прошлом, разумеется) и давшей максимальное число клонов разной степени эволюционности из таких систем можно назвать европейскую технологию «Sax-O-Mat» (или Saxomat).
В 1956 году компания Sachs (ныне входящая в состав ZF) представила полуавтоматическую трансмиссию для легковых автомобилей. Машины с системой Saxomat имели две педали – газа и тормоза. А также рукоятку переключения передач – в целом вполне обычную и на привычном месте. Передачи переключались вручную и на усмотрение водителя, а за сцепление отвечал центробежный механизм, работа которого зависела от оборотов двигателя. Эта технология с успехом использовалась в 60-х годах ХХ века на достаточно большом количестве моделей автомобилей разных европейских брендов: Volkswagen, Opel, BMW, Saab, Fiat, Lancia и т.д. У некоторых марок система имела собственное название – «Olymat», «Hycomat». Тем не менее это был все тот же лицензированный Saxomat от Sachs. В дальнейшем появились системы, где центробежное сцепление заменили на гидротрансформатор, сохранив ручное переключение передач – но это уже были иные фирменные названия и иные патенты, не связанные с Sachs. Тем не менее они являлись развитием той же самой концепции.
Две педали в Volkswagen Beetle Saxomat 1965 года. Фото https://www.classiccult.com Как это работало?
Классическое сцепление с педальным выжимом находится в нормально включенном состоянии – то есть при отпущенной педали передает крутящий момент. Нажатие же педали выключает сцепление – то есть разрывает связь двигателя с КП.
Корзина сцепления Saxomat внешне идентична классической корзине, но внутри устроена иначе, и алгоритм работы имеет иной. Ее нормальное состояние – выключенное. Пока двигатель не работает или вращается на холостых оборотах, сцепление не передает крутящий момент от маховика на первичный вал коробки. Но как только мы поддали газу выше холостых – сцепление включается. За это отвечает центробежный механизм с радиально расположенными грузиками-роликами, разбегающимися при нарастании скорости вращения от центра к периферии, прижимающими ведущий диск к маховику и, соответственно, зажимающими между ними диск ведомый.
Несмотря на автоматическую сущность центробежного механизма, у корзины Saxomat дополнительно имелись лапки для принудительного выключения, на которые давил выжимной подшипник, приводимый в движение через вилку – как и у обычного классического сцепления. Только осуществляла этот принудительный выжим не нога водителя, а вакуумный сервопривод под капотом. Вакуумный механизм включался в работу после легкого касания рукой водителя набалдашника рукоятки КП, что вызывало замыкание электрической кнопочки без фиксации. Кнопка подавала питание на электромагнитный клапан в вакуумной магистрали, соединявшей впускной коллектор со здоровенным сервоприводом, по конструкции и габаритам весьма напоминавшим вакуумный усилитель тормозов. Клапан открывался, в сервоприводе возникало разрежение, его мембрана двигалась и тянула шток, который был связан через рычаг-кулису с вилкой сцепления. Иными словами, касание рукоятки КП было идентично нажатию на отсутствующую в данном случае педаль сцепления.
Центробежного механизма недостаточно?
После описания конструкции Saxomat у многих может возникнуть вопрос: а зачем в центробежное сцепление был добавлен вакуумный привод принудительного выключения? На любом скутере, садовом триммере или лодочном моторе с центробежным сцеплением обходятся без лишних узлов – для выключения сцепления достаточно сброса газа до холостых оборотов…
Такой двойной принцип управления сцеплением в Saxomat использован сразу по двум причинам.
Во-первых, это нужно для возможности быстрого переключения передач в движении. Ведь чтобы переключить передачу, нужно кратковременно прервать связь двигателя с трансмиссией, но размыкание центробежного сцепления Saxomat происходило лишь на холостых оборотах после отпускания педали газа. А коленвал двигателя обладает значительной инерцией, да и колеса продолжают вращать двигатель после сброса газа – то есть, сцепление продолжает оставаться включенным (на скутере отключение двигателя от колес происходит за счет проскальзывания ремня, а в газонокосилках и прочей бензотехнике нет эффекта вращения коленвала двигателя рабочим валом инструмента). Введение в конструкцию дополнительной системы принудительного выжима сцепления с помощью вакуумного сервомеханизма, управляемого от кнопочки на рукоятке КП, решало проблему в переключении на скорости, когда обороты не успевали быстро падать до значений, необходимых для отпускания центробежного механизма.
Вторая, менее существенная причина применения выключения сцепления силой вакуума проистекает из того факта, что машины того времени были карбюраторными. После холодного пуска у них присутствовал период прогрева, во время которого обороты как минимум вдвое превышали холостые. Если бы использовалось исключительно центробежное сцепление, без вспомогательных механизмов, то на недогретом моторе водитель не мог бы ни включить, ни выключить передачу – максимальное зажатие диска и полная передача крутящего момента без проскальзывания достигалось в Saxomat на 1800 об/мин, а начало схватывания сцепления – при скорости вращения коленвала около 1000 об/мин. То есть, когда холодный двигатель работает на подсосе, а коробка в нейтрали, разомкнуть сцепление, чтобы воткнуть первую или заднюю, невозможно… Просто нечем!
Вакуумный сервопривод выжима сцепления в Volkswagen Beetle Saxomat 1965 года. Фото https://www.classiccult.com Несмотря на все вышесказанное, нельзя утверждать, что «голое» центробежное сцепление без дополнительных вспомогательных узлов на автомобиле неработоспособно… Работоспособно. Любой владелец автомобиля с ручной КП знает, что передачи можно при определенном навыке переключать, не пользуясь левой педалью. Но все это усложняло бы процесс, а Saxomat затевался ради упрощения. На нем можно было бы ездить и без системы пневмовыжима, но с определенными особенностями, заставляющими водителя соблюдать более строгие алгоритмы действий – например, при обгонах, во время которых передачу уже не сменишь. А корректное начало движения было бы доступно лишь после полного прогрева мотора до рабочей температуры и стабилизации холостых оборотов. Все эти оговорки могли свести на нет удобство отказа от третьей педали, который дарил автовладельцу «саксомат».Как выглядит и работает центробежное сцепление?
Предполагаю, что в нашей стране практически нет людей, реально знакомых с автомобилями с оригинальной трансмиссией Saxomat, поскольку она сошла со сцены задолго до того, как на рубеже смены СССР на РФ к нам начали поступать первые иномарки. Возможно, единичные машины с «саксоматом» имеются у кого-то из современных российских коллекционеров. Тем не менее принцип работы этой системы более-менее известен, и в наше время даже существуют еще отдельные её пользователи! Которые, правда, никогда не называли то, чем пользуются, «саксоматом»… Называли его «вариоматик» или «трансматик» (фанаты Volvo, думаю, уже поняли, о чем речь).
Механизм, представляющий собой комплекс автоматического центробежного сцепления с дополнительным ручным выжимом посредством вакуумного сервопривода, управляемого от кнопки на рукоятке КП, применялся на автомобилях Volvo 300-й серии с клиноременными вариаторами разработки DAF. Эти машины выпускались в Швеции с 1976 по 1991 годы, и некоторое незначительное их количество все еще на ходу и в строю, в том числе и в России. И работали эти узлы на Volvo 300 с вариаторами точно по такому же алгоритму и принципу, как и на машинах с ручными КП Saxomat. Да и функции выполняли те же…
С помощью центробежного сцепления на Volvo, укомплектованных клиноременным «вариоматиком», реализовывалось формирование нейтрали и максимально плавный старт, а с помощью вакуумного сервопривода – отключение двигателя от трансмиссии на повышенных прогревочных оборотах, характерных для карбюраторных моторов, широко распространенных на 300-й серии.
Volvo 343 GL 1976–81
На первый взгляд центробежное сцепление ничем не отличается от любого традиционного. Выглядит, как обычная корзина устаревшей лапковой конструкции…
…однако, если заглянуть внутрь, можно разглядеть центробежные грузики-ролики. Кстати, на фото ниже хорошо виден еще один важный нюанс – потрескавшаяся и посиневшая от перегрева поверхность – к этому нюансу мы еще вернемся чуть позже!
Нажимной ведущий диск приклепан к корпусу корзины через три пружинящие радиальные пластинки, позволяющие ему быть одним целым с корзиной при вращении, но при этом двигаться в небольших пределах в осевом направлении, поджимая или освобождая ведомый диск. Собственно, этот момент реализован в «центробежке» так же, как и у любых сцеплений традиционного типа. Но если спилить заклепки и разделить корзину и нажимной диск, то мы увидим следующее:
За срабатывание сцепления при повышении рабочих оборотов коленвала отвечают три центробежных ролика. Ролики способны вращаться на своей оси (то есть у них внутри подшипник), а также имеют очень высокую твердость поверхности, чтобы не возникала выработка, мешающая им равномерно прокатываться по чугунным салазкам нажимного диска. Хотя путь прокатывания роликов от минимального до максимального прижима диска сцепления крайне короток – не более десятка миллиметров…
На поверхности корзины, там, где прокатываются ролики, также в свою очередь наклепаны три высокопрочные термообработанные стальные пластины, чтобы ролики не проминали незакаленный металл корзины.
Ну и нельзя не уточнить, что у системы Saxomat и любых ее разновидностей (в том числе и вольвовской, используемой в тандеме с вариаторной трансмиссией на 300-й серии), хватало и недостатков. Самый главный из которых – в необходимости частой регулировки. Характеристики срабатывания центробежного сцепления сохраняли заводские значения, пока ведомый диск был новеньким. Но со временем фрикционные пластины стирались, и толщина диска уменьшалась. Это смещало момент включения сцепления в область более высоких оборотов. И чтобы компенсировать износ диска, требовалось регулярно заезжать на сервис, где мастера меняли особые дистанционные пластины, находящиеся между маховиком и корзиной. Вынимались более толстые и вставлялись более тонкие, чтобы сохранить зазор в 0,1-0,3 мм между маховиком и ведомым диском. Своевременными визитами на сервис многие водители пренебрегали, в результате чего постоянно перегазовывали при стартах, на подъемах или на нетвердом дорожном покрытии. Сцепление перегревалось до синевы, ведущий диск истирался, деформировался, трескался. На фото выше это как раз наглядно показано.
Дальнейшее развитие Saxomat
Сегодня распространены роботизированные коробки передач, конструктивно представляющие собой механические КП, на корпусе которых установлено несколько электрических сервоприводов – для управления вилкой сцепления и кулисой. И, собственно, система Saxomat – это их предшественник, «полуробот», в котором управление сцеплением автоматизировано, а за физическое переключение передач и принятие решений отвечали рука и голова водителя. И, как ни странно, «дауншифтинговый» возврат к каноничному принципу «саксомата» отчасти оправдан даже сегодня! Современные коробки-роботы, к сожалению, заработали по многим причинам негативный имидж у автовладельцев, а вот надежный в силу простоты «полуробот» мог бы вписаться в сегмент сверхбюджетных машин, где преобладают ручные КП. Особенно сейчас в нашей стране на фоне проблем с более совершенными и дорогостоящими решениями, компоненты которых перестали поступать от зарубежных заводов. Подобная схема управления трансмиссией отлично бы смотрелась, например, на Lada Granta, для которой отечественному автопрому не пришлось бы осваивать с нуля изготовление центробежного сцепления и многочисленных вакуумных узлов и элементов – все это сегодня легко заменит управляющий обычным сцеплением электрический сервопривод, работу которого можно организовать по любому алгоритму, заложенному в несложный электронный блок. Электрический сервопривод не нуждается в вакуумных «костылях» и может действовать сколь угодно быстро или плавно в зависимости от скорости движения автомобиля и передачи, которую мы включаем. Может получать оптимальные команды, основанные на комплексе сигналов от разных датчиков. И примеры подобных решений в наши дни – есть!
В плане работы и восприятия водителем практически полным клоном концепции Saxomat образца 1965 года является трансмиссия Hyundai iMT, которая сегодня применяется на небольших городских автомобилях для индийского рынка. Практически Saxomat, но реализованный на современной технической базе!
iMT – это обычная механическая коробка, в автомобиле с которой отсутствует педаль сцепления. Вместо нее за выжим сцепления отвечает электрогидравлический привод, который получает команду от кнопочки на рукоятке КП, именуемой «датчиком намерений». Да-да – все то же самое! Бросил газ, взялся за рукоятку КП, сцепление мгновенно выжалось, и ты включил нужную передачу. А после касания акселератора электрогидравлический привод, управляемый электроникой, сам обеспечит оптимальное по динамике безударное и безрывковое соединение двигателя и коробки, опираясь на данные об интенсивности нажатия педали газа, номере включенной передачи и текущей скорости автомобиля.
Hyundai Venue 2019–н.в.
