Об одном из самых первых типов полуавтоматической трансмиссии с электропневматическим приводом переключения.
Что делать, если потребитель настоятельно требует упростить управление автомобилем, а автоматическая коробка передач ещё не изобретена ? Правильно - приделать сервопривод к обычной "механике". И в Америке заниматься этим делом начали ещё в дремучие тридцатые годы, правда, с переменным успехом. В этой статье описываю устройство и принципы работы одного из ранних вариантов такой полуавтоматической трансмиссии, выделявшегося оригинальным принципом работы с использованием управляемого электричеством пневматического сервопривода.
Сегодня американская фирма Hudson в нашей стране известна главным образом благодаря персонажу мультика «Тачки». На самом деле, она выпускала высококлассные автомобили средне-высокого ценового диапазона задолго до «гладкобортного» поколения 1948-1954 годов - причём, как и многие из американских «независимых» (от «большой детройтской тройки») производителей, пыталась завоёвывать покупателей не только выгодными предложениями, современным дизайном и высоким качеством, но и техническими «изюминками». Среди таковых значилась и разработанная по её заказу компанией Bendix оригинальная преселекторная полуавтоматическая коробка передач «Электрическая рука» - Hudson Electric Hand.
Такое на первый взгляд странное название неплохо отражало сущность этого устройства, пневматического сервопривода с электрической системой управления, который «перещёлкивал» передачи обычной механической трёхступенчатой коробки, как если бы это делала невидимая рука - практически без затрат усилий со стороны водителя, которому было нужно лишь выбрать нужную передачу при помощи небольшого рычажка на рулевой колонке. Насколько мне известно, на русском языке подробных описаний работы этой трансмиссии до сих пор не существовало.
Тридцатые годы были довольно странной эпохой в истории легковых автомобилей. В США они уже выпускались в массовых количествах и благодаря этому были доступны значительной части населения, но сами по себе легковушки оставались очень примитивны и по своей сути мало чем отличались от грузовиков: рамное шасси с рессорно-мостовой ходовой частью, часто с механическими тормозами, приводящимися в действие через систему тяг, рычагов и тросов, как правило нижнеклапанный малофорсированный двигатель рабочим объёмом порядка 3,5...5 литров и механическая трёхступенчатая коробка передач, либо без синхронизаторов, либо с синхронизаторами только на двух высших передачах, снабжённая тяжёлым «грузовым» сцеплением с напольной педалью и торчащей из центрального тоннеля огромной «кочергой» рычага переключения передач.
Водить такой «утюг» было в большей степени работой, чем развлечением, что было существенным препятствием на пути многих желающих сесть за «баранку» автомобиля. Сделать же всё сразу намного лучше не позволял уровень технологий массового производства тех лет: улучшения внедрялись в конструкцию автомобилей постепенно, чтобы не допустить резкого подорожания, которое могло бы отпугнуть покупателей. Со временем такое постепенное накопление отдельных, часто незначительных самих по себе, усовершенствований приведёт к качественному рывку, и тогда на свет появится классический американский автомобиль, каким мы его знаем: динамичный, комфортабельный, хорошо оснащённый, лёгкий и удобный в управлении; но произойдёт это в массовом сегменте рынка не ранее середины пятидесятых годов - хотя отдельные элементы стали появляться уже к началу предыдущего десятилетия.
Между тем, уже в середине тридцатых многих американских производителей автомобилей живо интересовал вопрос о том, как бы привлечь в стан автомобилистов тех граждан, которые оставались «безлошадными» исключительно из-за отсутствия желания постигать все премудрости двойного выжима с перегазовкой и прочих необходимых для уверенного вождения тогдашнего автомобиля «водительских хитростей», а также женщин, для которых проблемой зачастую становились задействованные при этом процессе довольно серьёзные физические усилия. Естественно, наилучшим способом сделать это была бы полноценная автоматическая коробка передач, но таковой до 1940 года по сути не существовало (да и какое-то время после своего появления она оставалась эксклюзивом General Motors) - поэтому все ухищрения были направлены на облегчение вождения автомобиля с обычной механической трансмиссией.
Решение этой задачи, предложенное инженерами Bendix, выглядело следующим образом. Сами по себе сцепление и коробка передач были самой что ни на есть обыкновенной конструкции (правда, с синхронизаторами на всех трёх передачах — редкость для тех лет); всё интересное заключалось в системе, которая ими управляла. Начиная с 1933 года на автомобилях Hudson, Essex и Terraplane предлагался опциональный вакуумный привод сцепления, а с 1935 года к нему был добавлен ещё и электропневматический механизм выбора передачи, который и получил название Electric Hand. Причём обе системы были реализованы в виде съёмных модулей, установленных снаружи от картеров соответствующих агрегатов трансмиссии, в конструкцию которых благодаря этому практически не потребовалось вносить каких-либо изменений.
Пневмопривод сцепления был реализован в виде установленного на щите моторного отсека под капотом вакуумного цилиндра, отчасти подобного использующейся до сих пор в усилителях тормозов вакуумной диафрагме. Сверху на нём монтировалась управляющая система, которая была чисто пневматической.
Шток (2) расположенного внутри цилиндра поршня (3) через остроумно спроектированную систему тросиков и рычагов был связан с тягами механического привода, соединявшими педаль сцепления с расположенной на его картере вилкой выключения, причём таким образом, что вакуумный и ножной приводы сцепления могли работать независимо друг от друга.
С педалью «газа» был посредством тяг связан шток пневматического клапана (11), который оставался закрытым при нажатой педали и приводился в открытое положение после того, как водитель полностью убирал с неё ногу. При этом полость за поршнем соединялась со впускным коллектором двигателя через перепускное отверстие (14), создавая с одной стороны от поршня разрежение (13). Под действием разницы между этим разрежением и атмосферным давлением, давящим на него с другой стороны (18), поршень начинал быстро двигаться вперёд, выжимая сцепление. Педаль сцепления при этом оставалась неподвижной, хотя на практике при трогании с места водитель мог левой ногой «помогать» вакуумной системе, что делало старт более плавным.
В этом режиме водитель мог переключать передачи - либо напрямую рычагом, либо при помощи сервопривода. Так как сцепление при этом было постоянно выключено, для «торможения двигателем» было необходимо положить ногу на педали «газа» и удерживать её в таком положении, при котором пневмоклапан уже оказывался закрыт, но двигатель всё ещё работал на холостых оборотах.
Чтобы «отпустить» сцепление, было достаточно после выбора нужной передачи снова нажать на педаль «газа» - при этом связанный с ней клапан закрывался и отрезал вакуумный цилиндр от разрежения во впускном коллекторе, после чего поршень начинал медленно возвращаться в исходное положение под действием возвратной пружины, плавно включая сцепление. Именно отсюда происходит название «преселекторная трансмиссия» — оно означает, что водитель сначала («пре») выбирал нужную ему передачу («селектор»), и лишь потом давал команду на её включение, нажимая на педаль «газа» — в отличие от обычной коробки передач, в которой включение передачи осуществляется одновременно с её выбором.
Скорость, с которой происходило включение сцепления, автоматически контролировалась демпфирующим устройством: оно позволяло поршню быстро придти в положение, при котором диски сцепления начинали приходить в зацепление друг с другом, а затем резко замедляло его отход, осуществляя плавное трогание с места (причём фирма заявляла, что привод делал это намного лучше, чем «неуверенная человеческая нога»). Это достигалось за счёт торможения отхода поршня оставшимся в атмосферной камере цилиндра воздухом; в некоторых вариантах системы также использовался маятник (17), который «чувствовал» момент начала трогания автомобиля с места и после этого давал дискам сцепления плавно войти в зацепление друг с другом. Руководство по ремонту сравнивало работу этой системы с плавно закрывающейся пневматической дверью вагона метро, которая начинает закрываться резко, но затем замедляется и в крайнее положение приходит практически без удара.
При необходимости вакуумная система могла быть полностью выключена вытяжной кнопкой на панели приборов, которая воздействовала на шток клапана (10) — после этого сцеплением и коробкой передач можно было пользоваться как на обычном автомобиле.
Агрегат электромеханического переключения передач устанавливался на картере коробки передач и был связан с её рычагом через систему тяг, промежуточных рычагов и валик. Для переключения передач использовались вакуумный цилиндр и вакуумная диафрагма, управляемые при помощи блока пневматических клапанов с соленоидным управлением. Главный цилиндр осуществлял непосредственно включение передач (то есть, управлял ходом рычага переключения вперёд-назад), а более слабая диафрагма заведовала выбором между двумя ползунами механизма переключения — первой-задней и второй-третьей передач (то есть, управляла ходом рычага влево-вправо).
В обычном положении, без вакуума, диафрагма под действием своей пружины Y возвращалась в переднее положение, удерживая рычаг F, валик E и рычаг переключения передач коробки А в позиции, соответствующей зацеплению с левым ползуном В, который отвечал за вторую и третью передачи.
При подаче в заднюю камеру диафрагмы разрежения из впускного коллектора она перемещалась назад и проворачивала рычаг F до упора по часовой стрелке, при этом валик Е вместе с рычагом G смещались вправо, увлекая за собой связанный с ними рычаг переключения передач А и переводя его в положение, соответствующее зацеплению с правым ползуном С, при помощи которого осуществлялся выбор между первой и задней передачами.
Подачей разрежения к диафрагме управлял соленоид №3, золотник на штоке которого 22 в нормальном положении под действием возвратной пружины находился в верхнем положении, соединяя ведущий к полости диафрагмы канал 19 с атмосферой. При подаче напряжения соленоид втягивал шток клапана, а его золотник 22 перекрывал канал, соединённый с атмосферой, и вместо этого подавал в полость диафрагмы разрежение из впускного коллектора.
Включение передач требовало достаточно большого усилия, поэтому осуществлялось мощным вакуумным цилиндром. Он был двойного действия, то есть, мог создавать усилие в обоих направлениях вдоль штока. Для управления им служили соленоиды №1 и №2, связанные с передней и задней полостями цилиндра вакуумными магистралями 17 и 18.
При подаче напряжения на соленоид №1 поршень двигался вперёд и толкал рычаг G вверх, проворачивая валик Е против часовой стрелки и перемещая рычаг переключения передач вперёд. При подаче напряжения на соленоид №2 поршень двигателя назад и через ту же системы из рычага и валика перемещал рычаг переключения передач назад. Наконец, если оба соленоида были не под напряжением, то и передняя, и задняя полости вакуумного цилиндра были соединены с атмосферой, и его шток оставался неподвижным в своём текущем положении. При этом устройство системы управления не позволяло подать напряжение на оба соленоида сразу.
Для выбора передачи, включаемой электромеханическим приводом, служила установленная на рулевой колонке «гитара» с пятипозиционным электрическим переключателем, имеющим фиксированные положения 1, R, 2 и 3, расположенные в том же порядке, что и у обычного рычага переключения передач, и «нейтраль» между ними. При этом никакой механической связи между рычажком переключателя и механизмом переключения передач не было — он приводил в движение только скользящие электрические контакты внутри «гитары», поэтому перемещать его можно было в буквальном смысле одним пальцем.
Сам рычаг переключения передач руководство рекомендовало вытащить из его гнезда и повесить на специальное крепление под панелью приборов, но на практике некоторые водители предпочитали оставлять его на месте, «на всякий случай». В этом случае при переключении передач электровакуумным приводом можно было наблюдать, как рычаг, повинуясь командам водителя, сам собой переводился в указанное водителем положение:
Вообще говоря, одной из главных целей данной системы было именно убрать «старомодный» напольный рычаг переключения передач и за счёт этого обеспечить свободную посадку трёх человек на переднем диване — в те годы это было настолько важно, что даже описывалось в рекламе автомобиля как одно из его ключевых преимуществ. Той же самой цели служил и перенос рычага ручного тормоза с центрального тоннеля пола под «торпеду».
Разумеется, хорошо и надёжно эта система, включавшая в себя множество изнашивающихся шарниров, подгорающих электрических контактов, теряющих герметичность вакуумных трубок и резиновых уплотнений, работала только на новой машине — да и то лишь при условии регулярного обслуживания и регулировки (руководством был установлен межсервисный интервал в 1000 миль). А на «пожилом» автомобиле - то есть, по меркам того времени, после 2-3 лет постоянно эксплуатации - она становилась настоящим кошмаром для автосервиса, и как правило попросту отключалась - благо, для этого было достаточно поставить на место рычаг переключения передач и заглушить вакуумную линию. Тем не менее, для состоятельных покупателей довольно-таки недешёвых автомобилей Hudson, менявших машину на новую раз в год или чуть реже того, такая система всё равно была вполне привлекательным предложением, особенно с учётом сохранения возможности при нужде переключать передачи «по старинке».
Аналогичная система фирмы Bendix также применялась на автомобиля марок Cord и Tucker. Перед самой войной, в 1942 модельном году, Hudson начал ставить на свои машины улучшенное автоматическое сцепление Vacumotive и коробку передач Drive-Master, в которой переключение передач электровакуумным приводом осуществлялось автоматически в зависимости от скорости движения автомобиля — по сути, одну из первых «роботизированных» трансмиссий. Правда, у неё сохранялась характерная особенность более раннего «преселектора» с ручным выбором передачи — переключение происходило лишь после того, как водитель давал на это команду, полностью отпуская педаль «газа».
Для чтения:
- Руководство по диагностике и ремонту модели 1935-38 года
- Руководство по регулировке вакуумного привода сцепления
- Руководство к автоматическому сцеплению Vacumotive
- Видео о вождении автомобиля с трансмиссией Electric Hand