Конструкция компонентов автоматической коробки передач АКП

1. Гидродинамическая передача (конструкция, принцип работы)

Неотъемлемой частью любой гидромеханической коробки передач является гидродинамическая передача. Гидродинамическая передача представляет собой гидравлическое устройство вращательного движения, в котором крутящий момент передается от ведущего к ведомому валу вследствие изменения момента количества движения масла, проходящего через лопастные колеса.

1.1 Гидромуфта

Конструкция гидромуфты была предложена немецким инженером Германом Фёттингером в судовом машиностроении, но несмотря на солидный возраст, ее принципиальная схема за сто лет почти не изменилась (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция гидромуфты в разобранном виде

Гидромуфта (рис. 2) состоит из двух рабочих колес – насосного 1 и турбинного 2 (для краткости будем называть «насос» и «турбина»), расположенных друг против друга в закрытом картере.

Насос и турбина имеют форму чаш обычно с прямыми радиальными лопатками. Меридиональное сечение проточной части называется кругом циркуляции рабочей жидкости. Максимальный размер круга циркуляции принято называть активным диаметром D. Активный диаметр является расчетной величиной гидродинамических передач.

Рис. 2. Схема гидромуфты: 1 – насосное колесо; 2 – турбинное колесо; 3 – картер

Насос прикрепляют к деталям, связанным с двигателем, турбину – к ведомому валу гидромуфты. Внутренний объем картера, а также внутренние полости насоса и турбины (круг циркуляции) заполнены рабочей жидкостью. Связь между насосом и турбиной осуществляется только при помощи рабочей жидкости.

При вращении двигателем насоса его лопатки сообщают движение рабочей жидкости. Под действием центробежных сил рабочая жидкость движется из нижней части круга циркуляции в верхнюю, в результате чего окружная скорость и кинетическая энергия жидкости увеличиваются.

Из насоса жидкость поступает в турбину и движется в ней из верхней части круга циркуляции в нижнюю, вследствие чего окружная скорость жидкости снижается. Кинетическая энергия, приобретенная жидкостью в насосе, передается турбине и далее ведомому валу, причем часть ее расходуется на преодоление приложенного к валу внешнего сопротивления. Затем из турбины жидкость поступает в насос и цикл повторяется снова.

При работе гидромуфты рабочая жидкость в круге циркуляции участвует в сложном винтовом движении, а именно внутри каждого рабочего колеса жидкость движется от центра к периферии и обратно (относительное движение) и перемещается вместе с рабочим колесом (переносное движение). На рис. 3 стрелкой показано движение потока жидкости в гидромуфте (от насоса к турбине).

Рис. 3. Схема движения потока рабочей жидкости в гидромуфте

Для постоянной передачи мощности от насоса к турбине необходимо, чтобы рабочая жидкость имела непрерывное движение в круге циркуляции. Это возможно только при условии, что угловая скорость турбины меньше угловой скорости насоса, т. е. если центробежная сила рабочей жидкости, заполняющей насос, больше противодействующей ей центробежной силы рабочей жидкости, заполняющей турбину.

В работающей гидромуфте происходит постоянное скольжение, а следовательно, имеются постоянные потери мощности. При этом нагреваются рабочая жидкость и детали гидромуфты.

С уменьшением угловой скорости турбины противодействующая центробежная сила рабочей жидкости турбины уменьшается, и при неизменной угловой скорости насоса поток рабочей жидкости из насоса в турбину увеличивается. С увеличением угловой скорости турбины при неизменной угловой скорости насоса поток циркулирующей рабочей жидкости уменьшается. Величина потока циркулирующей рабочей жидкости определяется расходом Q жидкости. Следовательно, расход жидкости зависит от разности угловых скоростей насоса и турбины, т. е. от величины скольжения.

Чем больше скольжение, тем выше расход жидкости и тем большее давление оказывает жидкость на лопатки турбины, вследствие чего увеличивается крутящий момент, передаваемый турбиной на ведомый вал. При полностью остановленной турбине (скольжение 100%) расход рабочей жидкости в гидромуфте максимальный. В этом случае противодавление жидкости со стороны турбины отсутствует. Крутящий момент, возникающий на турбине, является максимальным. Таким образом, изменение нагрузки на валу передачи (связанном с турбиной) вызовет, соответственно, изменение угловой скорости турбины, а это автоматически приведет к изменению расхода жидкости в круге циркуляции и передаваемого крутящего момента. Следовательно, гидромуфта является автоматической передачей.

Характеристика гидромуфты, показывающая зависимость напора Н и расхода Q рабочей жидкости от кинематического передаточного отношения и скольжения S, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Изменение напора и расхода рабочей жидкости в гидромуфте при постоянной угловой скорости насоса

Для предотвращения вибрации и гидравлических ударов в гидромуфте число лопаток для насоса и турбины принимают разным (отличается на 2–4 шт.). В некоторых гидромуфтах с равным числом лопаток турбины и насоса расстояние между лопатками насоса и турбины неодинаковое.

1.2 Гидротрансформатор

Более сложной гидропередачей является гидротрансформатор. Он служит для передачи крутящего момента от двигателя к элементам автоматической коробки передач. Он установлен в промежуточном кожухе, между двигателем и коробкой передач. Гидротрансформатор не только обеспечивает плавное трогание с места, но и сам меняет передаточное отношение, причем плавно и бесступенчато, но не в очень широких пределах. Фактически гидродинамический трансформатор представляет собой гидродинамическую трансмиссию, дополняющую автоматическую коробку передач. Он образует первоначальный компонент автоматической коробки передач.

Рис. 5. Устройство гидротрансформатора

Гидротрансформатор состоит из следующих основных узлов (рис. 5):

• насосное колесо (также является корпусом гидротрансформатора);
• турбинное колесо (приводит в действие вал турбины, и следовательно, коробку передач);
• реактор (соединен через муфту свободного хода с картером коробки передач, может вращаться только в том направлении, в котором движутся насосное и турбинное колеса). Реактор заполнен под давлением специальным маслом для автоматических трансмиссий.

Рис. 6. Направление движения жидкости в гидротрансформаторе

Насосное колесо (являющееся в то же время корпусом) вращается непосредственно двигателем с теми же оборотами. Под действием центробежной силы масло ATF вытекает между лопастями насосного колеса по направлению от центра и направляется к турбинному колесу внутренней стенкой корпуса гидротрансформатора. Гидродинамическая энергия воспринимается лопастями турбинного колеса, что заставляет его вращаться. Гидродинамическая энергия преобразуется в механическое вращательное движение (рис. 6). ATF вновь стекает к валу гидротрансформатора по лопаткам реактора, направляющим масло на насосное колесо. В гидротрансформаторе масло ATF циркулирует по замкнутому контуру.

Во время фазы преобразования крутящего момента гидротрансформатор преобразует уменьшение числа оборотов в увеличение крутящего момента. В момент трогания автомобиля с места первоначально вращается только насосное колесо. Турбина неподвижна. Разница в числе оборотов – называемая проскальзыванием – составляет 100%. Проскальзывание сокращается до такой степени, при которой ATF передает гидродинамическую энергию колесу турбины. Обороты насоса и турбины сближаются и становятся почти равными.

Проскальзывание в гидротрансформаторе является необходимым условием для преобразования крутящего момента. При высокой степени проскальзывания происходит максимальное увеличение крутящего момента, иными словами, если существует большая разница между оборотами насосного и турбинного колес, поток ATF отклоняется лопастями реактора. Таким образом, реактор увеличивает крутящий момент во время фазы преобразования крутящего момента. В этом режиме реактор удерживается от вращения муфтой свободного хода. При небольшом проскальзывании, иными словами, когда насосное и турбинное колеса вращаются практически с одинаковыми оборотами, реактор более не увеличивает крутящий момент. В данном случае благодаря муфте свободного хода реактор вращается в том же направлении, в котором вращаются насосное и турбинное колеса. В этом режиме коэффициент полезного действия равен почти 100%.

Рассмотрим фазы передачи крутящего момента гидротрансформатором.

1. Трогание автомобиля с места – турбинное колесо неподвижно, насосное колесо вращается, поток ATF резко отклоняется, высокая степень проскальзывания, передаточное отношение как при низкой передаче, максимальное увеличение крутящего момента.
2. Увеличение оборотов турбинного колеса – поток ATF меньше отклоняется, уменьшается проскальзывание, сокращается передаточное отношение, крутящий момент увеличивается в меньшей степени.
3. Фаза гидромуфты – обороты турбины практически равны оборотам насосного колеса, низкая степень проскальзывания, реактор вращается, коэффициент преобразования крутящего момента уменьшается до 1:1.

Таким образом, за счет изменения коэффициента проскальзывания гидротрансформатор работает в качестве гидравлической коробки передач с переменным передаточным отношением.

Соотношение крутящих моментов на входе и на выходе в режиме трансформатора и гидромуфты на рис. 7 отражено весом гирек, «подвешенных» к насосному и турбинному колесам .

Рис. 7. Изменение крутящего момента на различных режимах работы

1.3 Муфты свободного хода

Одним из недостатков гидропередачи является то, что в любом режиме движения автомобиля существует рассогласование частот вращения насосного и турбинного колес, так называемое скольжение гидропередачи. В лучшем случае минимальная величина скольжения может составлять 3–6%. Наличие скольжения приводит к снижению КПД гидропередачи, что сказывается в потере некоторой части мощности двигателя и ухудшении топливной экономичности автомобиля .

При движении автомобиля с постоянной скоростью наличие гидротрансформатора в трансмиссии не является столь необходимым. Поэтому в режимах движения автомобиля с постоянной скоростью используют блокировку гидротрансформатора.

Для блокировки гидротрансформатора чаще всего используется фрикционная блокировочная муфта с пружинным демпфером (рис. 8).

При ее включении насосное и турбинное колеса жестко соединяются между собой. Это приводит к тому, что двигатель напрямую соединяется с ведущим валом коробки передач и таким образом гидротрансформатор выключается из силового потока.

Рис. 8. Гидротрансформатор ZF и многодисковое сцепление Sachs, блокирующее насосное и турбинное колёса

Блокировка гидротрансформатора улучшает топливную экономичность автомобиля приблизительно на 4–5%. Кроме того, использование режимов блокировки гидротрансформатора позволяет несколько снизить температуру масла, что благоприятно сказывается на его свойствах и сроке службы.

Благодаря наличию гидротрансформатора АКП создает более благоприятные условия эксплуатации как для двигателя, так и для ходовой части, что увеличивает их ресурс, а система управления работой автоматической трансмиссии предотвращает возникновение перегрузок двигателя и ходовой части автомобиля из-за ошибок водителя.

Гидротрансформатор оснащен блокирующей муфтой (рис. 9) с встроенным в нее гасителем крутильных колебаний (демпфером). Демпфер снижает крутильные колебания в трансмиссии при замкнутой муфте блокировки гидротрансформатора, в связи с чем существенно увеличивается диапазон режимов, при которых можно допустить передачу крутящего момента с заблокированным гидротрансформатором.

Различают три принципиально различных режима работы трансмиссии:

• 1. работа с разомкнутой муфтой блокировки гидротрансформатора;
  2. работа с проскальзывающей муфтой блокировки гидротрансформатора;
  3.  работа с замкнутой муфтой блокировки гидротрансформатора.

Рис. 9. Гидротрансформатор с блокирующей муфтой

В обычных условиях эксплуатации автомобиля гидротрансформатор блокируется практически на всех передачах.

Рис. 10. Режимы работы муфты блокировки гидротрансформатора при установке рычага селектора в положение «D» (в качестве примера)

Состояние муфты блокировки гидротрансформатора (рис. 10) зависит от включенной передачи, нагрузки двигателя и скорости автомобиля. Обычно при разгоне автомобиля она сначала работает с регулируемым проскальзыванием, а затем полностью замыкается.

При регулируемом проскальзывании муфты топлива расходуется меньше, чем при работе гидротрансформатора с разомкнутой муфтой. Помимо этого обеспечивается больший комфорт, чем при работе с замкнутой муфтой.

При использовании системы Tiptronic и работе коробки передач в режиме «S» ускоряется перевод муфты блокировки в замкнутое состояние. Непосредственная механическая связь двигателя с трансмиссией создает ощущение спортивного характера движения.

С программой управления для горной местности гидротрансформатор блокируется уже на второй передаче.

При температуре жидкости ATF свыше 130° C длительное буксование муфты не допускается, поэтому она замыкается быстрее, чем обычно. В результате к жидкости ATF подводится меньше тепла и она успевает охладиться.

1.4 Масло для АКП

В автоматические коробки передач заливают специально разработанную для этих целей жидкость для автоматических трансмиссий, что подтверждается англоязычной аббревиатурой ATF (automatic transmission fluid).

Жидкостью, используемой в автоматической трансмиссии, выполняются самые разнообразные функции:

• передача крутящего момента в гидротрансформаторе от двигателя в коробку передач;
• обеспечение функционирования системы управления и контроля;
• работа фрикционных дисков;
• смазка и охлаждение трущихся деталей.

Тип используемой трансмиссионной жидкости, как правило, указан на масляном щупе коробки передач или в сертификате качества автомобиля. В большинстве автомобилей, оснащенных автоматической трансмиссией, используется жидкость типа «Dexron», «Dexron-II», «Dexron-III». В настоящее время в автоматических коробках передач на автосредствах типа «4WD» используется более новая модификация смазывающей жидкости – тип «Т» или «T-II». Указанные типы трансмиссионной жидкости специально окрашены в разные цвета, тип «Dexron» – красный, а тип «Т» – желтый. Этим подчеркивается, что смешивать их не рекомендуется.

2. Механические редукторы

2.1 Принцип работы планетарных редукторов

В современных гидромеханических трансмиссиях в основном используются планетарные механизмы – ступени в них переключаются торможением одних элементов относительно других.

Их основу составляют планетарные ряды. В планетарном ряду все элементы находятся в постоянном зацеплении.

Конструкции планетарных рядов достаточно разнообразны. Рассмотрим устройство одинарного планетарного ряда (рис. 11). Он состоит из трех основных звеньев:

1. малого центрального колеса (солнечная шестерня), которое находится в постоянном зацеплении с шестернями, называемыми сателлитами;
2. водила с установленными в нем сателлитами, которые могут вращаться относительно своих осей;
3.  большого центрального колеса (эпицикл), которое находится в постоянном зацеплении с сателлитами и окружает всю конструкцию.

Рис. 11. Устройство одинарного планетарного ряда: 1 – малое центральное колесо; 2 – большое центральное колесо; 3 – сателлиты; 4 – водило

Малое центральное колесо 1, водило 4 и большое центральное колесо 2 вращаются относительно одной общей оси, в то время как сателлиты 3 планетарной передачи вращаются относительно собственных осей и вместе с водилом относительно общей оси. Сателлиты являются составной частью водила и не относятся к основным звеньям планетарного ряда.

Название этого механизма происходит от сателлитов, которые подобно планетам вращаются относительно своих осей и в то же время вокруг малого центрального колеса.

Планетарные передачи, несмотря на их компактные размеры, могут передавать большие крутящие моменты по сравнению с другими типами передач. Это объясняется тем, что крутящий момент передается несколькими сателлитами планетарной передачи, что позволяет снизить контактные напряжения на поверхностях зубьев.

Блокируя те или иные элементы планетарной передачи между собой или на корпус коробки в простом (одинарном) планетарном ряду, можно получить прямую, повышающую, понижающую передачу или реверс.

Когда планетарный ряд выполняет роль понижающей передачи (рис. 12), роль ведомого (выходного) звена играет водило, соединяющее оси сателлитов. Когда солнечная шестерня заторможена (например, тормозом – на корпус коробки), водило вращается медленнее, чем эпицикл, а крутящий момент на нем оказывается больше приложенного к эпициклу.

Рис. 12. Понижающая передача

Прямая передача (рис. 13) получается посредством жесткого соединения водила и солнечной шестерни, при этом эпицикл не может поворачиваться относительно солнечной шестерни (а сателлиты – вокруг своих осей), и весь планетарный ряд вращается как одно целое.

В повышающей планетарной передаче (рис. 14), как и в понижающей, солнечная шестерня является заторможенным элементом. Только ведомое звено теперь – не водило, а эпицикл.

Чтобы изменить направление вращения на противоположное (рис. 15), нужно затормозить водило (то есть сделать неподвижными оси сателлитов) – и теперь эпицикл и солнечная шестерня будут вращаться в разные стороны.

Рис. 13. Прямая передача

Рис. 14. Повышающая передача

Рис. 15. Передача заднего хода (реверс)

Наибольшее распространение в качестве планетарного механизма получили редукторы типа «Симпсон» и «Равинье». Редукторы типа «Симпсон» имеют два планетарных ряда, а редукторы «Равинье» – один полуторный ряд. Редукторы «Симпсон» применяются более чем в 70% планетарных механизмов, поскольку позволяют получить независимые передаточные числа первой и второй передач. Но редукторы «Равинье» позволяют получить четыре передачи, в то время как «Симпсон» – только три.

Большинство современных АКП выполнены по следующей схеме: на валу установлено несколько планетарных рядов, а ступенчатое изменение передаточного отношения осуществляется ленточными и фрикционными тормозами, работа которых автоматизирована гидравлическим или электронным контроллером.

2.2 Принцип работы вальных редукторов

Несмотря на многочисленные попытки использования вальных коробок, на легковых автомобилях они используются реже, чем планетарные. Это связано с тем, что на заднеприводных легковых автомобилях требуется соосная коробка передач. При использовании соосной коробки передач в вальной коробке требуется иметь на каждой передаче не менее двух зацеплений в шестернях. При двух зацеплениях КПД вальной коробки обычно ниже, чем планетарной.

Другой недостаток заключается в том, что при числе передач больше трех на каждой передаче в вальной коробке обычно больше выключенных сцеплений, чем в планетарной, что приводит к росту дисковых потерь. Недостаток соосной вальной коробки на заднеприводном легковом автомобиле проявляется и в том, что в большей степени стесняет салон автомобиля. Указанные недостатки проявляются и в переднеприводных автомобилях с продольным размещением двигателя. Вместе с тем, как показала практика, вальные автоматические коробки передач могут быть достаточно приемлемы при их использовании в легковых автомобилях с передним приводом и с поперечным расположением двигателя.

В этом случае коробка выполняется по двухвальной схеме и содержит на каждой передаче только два зацепления шестерен, включая главную пару. Благодаря этому КПД в зацеплении равен ηм3 ≈ 0,96% на каждой передаче, то есть выше, чем у планетарных переднеприводных коробок передач.

Дисковые потери в этих вальных коробках могут оказаться несколько выше, особенно при увеличении числа передач переднего хода больше четырех. Чтобы уменьшить дисковые потери в этих коробках, часто для включения заднего хода используется сервопривод с применением зубчатых муфт. Такая конструкция хотя и позволяет снизить дисковые потери, но при этом увеличивает время на включение-выключение заднего хода и несколько снижает плавность.

Рис. 16. Кинематическая схема двухвальной АКП Honda

На серийных легковых автомобилях вальные автоматические коробки передач получили применение уже в 60-х годах в результате работ, проведенных японской фирмой Honda. Следует отметить, что в двухвальных автоматических коробках при увеличении передач переднего хода больше трех необходимо применять относительно длинные валы, что снижает жесткость конструкции и приводит к увеличению шумности при ее работе, а также способствует повышенному износу шестерен. Поэтому в 90-х годах появились трехвальные автоматические коробки передач, валы которых были выполнены более жесткими и короткими. Одновременно удалось уменьшить длину этих автоматических коробок. Кинематическая схема такой вальной коробки показана на рис. 16.

Эти вальные коробки оказалось возможным использовать на автомобилях с двигателями, рабочий объем которых составлял 1,4–3л (Ne = 70–150 кВт, или 95–205 л. с.). Примерный ряд передаточных чисел в таких вальных коробках следующий: i1 = 2,72; i2 = 1,52; i3 = 1,03; i5 = 0,78; i3х = 1,95.

К положительным сторонам вальных коробок следует также отнести то обстоятельство, что конструктор более свободен в выборе передаточных чисел по сравнению с планетарными коробками.

3. Фрикционные элементы управления

Для получения жесткой кинематической связи между ведущим и ведомым валом в автоматических коробках передач используются фрикционные элементы: ленточные, дисковые или обгонные муфты.

3.1 Дисковые тормоза и муфты

С каждой шестерней контактирует как минимум один компонент механизма переключения, обеспечивающий передачу мощности посредством трения.

Рис. 17. Устройство многодисковой муфты

Многодисковые муфты используются для передачи мощности от вала турбинного колеса к планетарному редуктору. Они имеют внутренние и внешние диски, соединенные с вращающимися деталями (рис. 17). Диски установлены поочередно и образуют полости. Когда муфта не работает, между дисками создаются полости, которые заполняются маслом, благодаря чему диски вращаются без сопротивления.

Фрикционные диски прижимаются друг к другу гидравлическим поршнем, вращающимся вместе с маслом, давление масла действует на заднюю часть поршня. Масло подается через полый вал. Давление, прижимающее фрикционные диски муфты, устраняется усилием пружин, когда муфта выключается (пружины муфты или пружины дисков).

Шаровые клапаны (некоторые – в поршне, остальные – в водиле дисков) обеспечивают быстрое уменьшение давления при выключении муфты и позволяют маслу вытечь.

Водила удерживают внутренние и внешние диски при помощи выступов, обеспечивающих прочное соединение (рис. 18).

Рис. 18. Водило (колокол муфты) для установки внешних дисков

Внешние диски изготовлены из стали, внутренние диски – из высокопрочной пластмассы. Они выполняют функцию фрикционных накладок. Каркас дисков изготавливается из целлюлозы. Термостойкость достигается за счет добавления арамидных волокон и применения высокопрочной пластмассы. Для увеличения коэффициента трения добавляются минералы как связующие феноловой смолы.

Количество фрикционных дисков в основном зависит от версии коробки передач. Люфт между дисками предусмотрен конструкцией автоматической коробки передач, благодаря люфту обеспечивается переключение. Он регулируется специально во время установки.

Многодисковые тормоза (рис. 19) используются для блокировки некоторых деталей планетарного редуктора. Они похожи по конструкции с многодисковыми фрикционными муфтами и также имеют внутренние и внешние диски. Внутренние диски соединяются с вращающейся деталью при помощи выступов, а внешние диски удерживаются в одном положении картером коробки передач.

При включении муфты гидравлический поршень прижимает фрикционные диски друг к другу. В отличие от многодисковой муфты гидравлический поршень не двигается. В многодисковом тормозе также важно наличие люфта между дисками для надлежащей работы механизма переключения передач, при этом люфт регулируется отдельно. Данный тип тормоза используется в автоматической коробке Skoda Octavia.

Рис. 19. Устройство многодискового тормоза

3.2 Ленточный тормоз

Ленточный тормоз предоставляет в конструкции АКП дополнительную возможность фиксировать детали планетарной передачи. Часть вала имеет конструкцию, подобную тормозному барабану. Стальная лента тормоза, служащая фрикционным элементом, охватывает данный тормозной барабан, который свободно вращается, пока тормоз не включен. Один конец тормозной ленты закреплен на картере коробки передач. На другой конец ленты нажимает поршень гидропривода, лента тормозит барабан до полной остановки. Недостатком ленточного тормоза является сильное тепловое излучение на картер коробки передач. Данный механизм применяется, например, в коробке передач модели Skoda Arosa.

По конструкции ленточные тормоза классифицируются на два типа:

1. простой;
2. двойной.

Простой ленточный тормоз имеет сплошную неразрезную металлическую ленту, к которой прикреплена фрикционная накладка (рис. 20). Лента двойного ленточного тормоза имеет два продольных разреза (рис. 21).

Продольные разрезы двойной тормозной ленты делают ленту более эластичной в поперечном направлении, что позволяет снизить процент поверхности трения ленты, неплотно контактирующей с поверхностью барабана. В результате увеличивается величина момента трения, создаваемого двойным ленточным тормозом, а процесс остановки тормозного барабана происходит гораздо мягче в сравнении с простым ленточным тормозом.

Рис. 20. Простой ленточный тормоз

Рис. 21. Лента двойного ленточного тормоза

3.3 Обгонные муфты

Для упрощения процесса перекрытия при переключении передач используются обгонные муфты. Обгонная муфта передает крутящий момент только в одном направлении и свободно вращается в обратном направлении.

Муфта используется для упрощения конструкции механизма переключения передач без прерывания потока мощности. Она обеспечивает своевременное переключение передачи без особых требований в отношении управления включающимся элементом переключения.

Обгонная муфта – это элемент, который в отличие от вышерассмотренных фрикционных элементов не требует приводов управления им. Этот элемент автоматически и практически мгновенно сам включается и также автоматически выключается.

Обгонная муфта роликового типа показана на рис. 22. Ролики размещены в полостях между внутренним и внешним кольцами. Они перемещаются в сужающиеся части полостей, когда муфта начинает вращаться в направлении, в котором происходит блокировка.

В результате внутреннее и внешнее кольца не могут вращаться друг относительно друга. Пружины удерживают ролики в сужающихся частях полостей, обеспечивая надежную блокировку. Роликовая муфта свободного хода используется, например, в автоматической коробке 01М Skoda Octavia.

Рис. 22. Обгонная муфта роликового типа

Обгонная муфта кулачкового типа изображена на рис. 23. Эта конструкция сложнее, чем у роликовой муфты, зато она обеспечивает передачу более высокого крутящего момента в механизме тех же размеров. Гантелеобразные кулачки размещены в пружинящем сепараторе между внутренним и внешним кольцами. Сепаратор удерживает кулачки в определенном положении. В направлении свободного вращения муфты кулачки наклоняются и не препятствуют движению.

Рис. 23. Обгонная муфта кулачкового типа

Когда муфта начинает вращаться в противоположном направлении, кулачки поворачиваются вправо и блокируют движение.

4. Элементы систем автоматического управления

Логика управления и приведения в действие современных автоматических коробок передач включает четыре компонента (рис. 24) .

Водитель принимает решение, когда нажимать на педаль акселератора, до какого предела, как быстро, выбирает между спортивным и экономичным режимом вождения. «Передатчиками» являются педаль акселератора и рычаг переключения передач.

Рис. 24. Логика управления автоматическими коробками передач

Режимы работы определяют управляющее давление и переключение передач.

Электронное оборудование – воздействие сопротивления движения, подъем/спуск, буксировка прицепа, движение против ветра либо работа двигателя на принудительном холостом ходу. Датчики представляют данные в блок управления.

Гидравлическое оборудование определяет управляющее давление и переключение передач. В ранних версиях автоматических коробок передач работа была организована по-иному. Гидравлическая система осуществляла выбор логики переключения передач. Гидравлические, пневматические и электрические компоненты распознавали режимы работы, устанавливали соответствующее давление – таким образом выбиралась необходимая передача.

В ходе развития электроники в машиностроении большинство этих компонентов были заменены электронными устройствами. Гидравлическое управление коробкой передач было замещено электронным управлением. Компоненты механизма переключения приводятся в действие электронными средствами.

Электронное управление коробкой передач стало центральным элементом логики управления и приведения механизмов в действие. Моменты переключения определяются на основании большого количества данных, характеризующих режим работы и ситуацию на дороге.

Основные положения рычага переключения передач – P – R – N – D – по-прежнему передаются механически на подвижный клапан селектора в гидравлическом блоке управления переключением передач. Это обеспечивает работу автоматической коробки передач даже в случае поломки электронного блока управления.

4.1 Электронное оборудование

Блок управления всегда размещается в автомобиле отдельно от коробки передач. Места установки отличаются на разных моделях автомобиля (например, в воздухозаборнике, моторном отсеке, в пространстве для ног).

Блок управления определяет логику переключения, постоянно анализируя поступающие данные (рис. 25). Блок использует вышеперечисленные данные для приведения в действие электронных компонентов управления коробки передач, при этом наиболее важными узлами являются электромагнитные клапаны, расположенные в блоке управления гидроприводом переключения коробки передач.

Рис. 25. Данные, передаваемые на блок управления

Электронный блок управления коробки передач имеет следующие преимущества перед обычной гидравлической системой:

• дополнительные сигналы могут обрабатываться электронной системой без увеличения ее мощности;
• возможно более точное управление гидравлическими компонентами;
• последствия износа могут быть компенсированы при помощи регулировки давления;
• гибкие параметры переключения передач;
• электронные устройства зачастую повышают надежность работы системы;
• возникающие неисправности могут до некоторой степени игнорироваться для обеспечения безостановочной работы автомобиля;
• зарегистрированные неисправности записываются в память неисправностей для анализа при техническом обслуживании.

Электронный блок управления коробки передач не является автономной системой. Он обменивается данными с другими электронными системами автомобиля, благодаря этому уменьшается количество необходимых для работы датчиков, а также обеспечивается плавное переключение передач и увеличивается безопасность движения.

Электронные системы двигателя и коробки передач используют большое количество сигналов от одних и тех же датчиков, например, сигнал оборотов двигателя, сигнал нагрузки двигателя, сигнал положения педали акселератора. Для минимизации давления при переключении передач во время работы компонентов механизма переключения (многодисковых муфт, многодисковых тормозов) момент переключения сообщается блоку управления двигателя. Поэтому блок управления автоматической коробки передач непосредственно соединен с блоком управления двигателя. Во время переключения передачи устанавливается более поздний угол опережения зажигания, в результате чего на некоторое время уменьшается крутящий момент двигателя.

Некоторые системы электронного блока управления коробки передач обмениваются данными с различными системами ходовой части. Если активирован цикл управления системы курсовой устойчивости (например, электронная антипробуксовочная система или электронная блокировка дифференциала), электронный блок управления не осуществляет переключение передач. Если цикл управления активирован при трогании автомобиля с места (управление противоскольжением), электронный блок управления коробки передач использует вторую передачу для понижения крутящего момента. Боковое ускорение во время крутого поворота определяется датчиком и передается в электронный блок управления коробки передач. В течение этого времени переключение передач отключается.

Если при резком ускорении требуется максимальный крутящий момент, выключается электромагнитная муфта кондиционера. С этой целью в момент переключения на более низкую передачу электронный блок управления коробки передач передает данные в блок управления кондиционера.

На случай отсутствия сигнала в электронном блоке управления коробки передач имеется программа работы при сбое сигнала (программа аварийного режима работы). Если входной сигнал не поступает, например, в результате обрыва провода, система предпринимает попытку переключиться на замещающий сигнал, чтобы обеспечить безопасную работу автомобиля. Например, температура ATF определяется при помощи датчиков температуры. При отказе датчика применяется эмпирическое значение «теплой АКП», которое составляет 70° C. В качестве замещающего сигнала может использоваться сигнал датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя.

Блок управления коробки передач с функцией диагностики записывает зарегистрированные неисправности в память неисправностей. Данные из памяти неисправностей можно считать при помощи тестера. Таким образом, во время технического обслуживания можно сделать определенные выводы относительно причины неисправности. Нерегулярно возникающие неисправности появляются на короткий промежуток времени, а затем вновь исчезают.

В зависимости от типа неисправности блок управления применяет различные стратегии:

• управление продолжает работать в аварийном режиме, даже если неисправность более не повторяется;
• управление возвращается в нормальный режим работы, если неисправность не повторяется на протяжении нескольких циклов работы после запусков двигателя (информация о данной неисправности хранится в памяти).

Аварийный режим работы включается в том случае, если в электронный блок управления коробки передач не поступают основные сигналы либо если отказывает сам блок управления. В этом случае включается исключительно гидравлическое оборудование. Рычаг переключения передач остается механически соединенным с подвижным клапаном селектора, чтобы автомобиль мог работать в аварийном режиме. Автоматическая коробка передач работает в режимах N, R или D в зависимости от положения рычага переключения передач. Муфта блокировки гидротрансформатора выключена.

4.2 Гидравлическое оборудование

Гидротрансформатор, электронное оборудование и планетарные передачи автоматической коробки напрямую связаны с работой гидравлической системы. Масло в автоматической коробке передач является рабочим телом. По этой причине особое внимание также уделяется маслу в автоматической коробке, поскольку без масла АКП не смогла бы выполнять свои функции (значение масла описано в разделе, посвященном маслу для автоматических коробок передач). Гидравлическое масло циркулирует в системе под давлением, которое создает специальный масляный насос.

Насос ATF, используемый практически во всех автоматических коробках передач, представляет собой шестереночный насос с серповидной полостью (рис. 26). Он приводится в действие двигателем автомобиля со скоростью, равной оборотам двигателя. Насосы с серповидной полостью весьма прочны, надежны в работе и создают требуемое рабочее давление (приблизительно до 25 бар). Они обеспечивают подачу масла:

• в компоненты механизма переключения;
• блок управления коробки передач;
• гидротрансформатор;
• все точки смазки коробки передач.

Рис. 26. Шестереночный насос с серповидной полостью

ATF охлаждается в отдельном малом контуре охлаждающей жидкостью двигателя. Регулирование давления и распределение давления осуществляет блок управления гидроприводом переключения (как правило, размещенный под коробкой передач). Контур циркуляции ATF примерно одинаков во всех автоматических коробках.

Блок управления гидроприводом переключения передач представляет собой центр управления давлением ATF (рис. 27). Давление ATF регулируется данным блоком в соответствии с управляющими сигналами, посланными электронным блоком управления коробки передач, и распределяется по компонентам механизма переключения.

Рис. 27. Блок управления гидроприводом переключения передач

Как правило, блок управления переключением передач состоит из нескольких блоков клапанов. В блоке клапанов установлено несколько клапанов (клапан переключения, управляющие электромагнитные клапаны, клапаны регулировки давления). Кроме того, он содержит маслопроводы гидравлической системы (рис. 28). Маслопроводы в блоке клапанов не пересекаются. Все необходимые пересечения образуются за счет отверстий в промежуточном блоке. Это позволяет создавать масляные каналы в различных блоках клапанов, расположенных один над другим.

Клапаны (электромагнитные клапаны), приводимые в действие электричеством по сигналам электронного блока управления, размещаются на внешней стороне блока клапанов. Таким образом, они легко доступны для технического обслуживания и замены.

Рис. 28. Маслопроводы в картере коробки передач

Кроме электрических соединений с электронным блоком управления, блок управления гидроприводом переключения механически соединен с рычагом переключения передач при помощи ручного подвижного клапана. Блок управления гидроприводом переключения обычно устанавливается под коробкой передач. В таком случае в картере коробки передач находятся некоторые маслопроводы. Маслопроводы могут также быть выполнены в отдельных маслопроводящих пластинах.

Масло в гидравлической системе должно находиться под разным давлением. Клапаны регулирования давления и электромагнитные клапаны управления регулируют давление в системе.

Рабочее давление составляет 25 бар, это максимальное давление в гидравлической системе. Оно создается масляным насосом – непосредственно из насоса масло выходит под таким давлением. Стабилизируется клапаном регулирования рабочего давления при помощи управляемого нулевого выпуска. Давление регулируется посредством управляющих импульсов электронного блока управления коробки передач в соответствии с включенной передачей. В зависимости от того, какая передача должна быть включена, рабочее давление распределяется на один или более компонентов механизма переключения. Давление распределяется при помощи клапана переключения. Рабочее давление имеется в соответствующем компоненте механизма переключения при включении передачи.

Номинальное значение давления клапана переключения составляет 3–8 бар и устанавливается с помощью клапана регулирования давления. Оно подается на электромагнитные клапаны переключения с электрическим управлением. Стоит отметить, что электромагнитные

клапаны переключения используют давление клапана переключения для управления клапанами переключения, установленными за ним в контуре, которые, в свою очередь, управляют компонентами механизма переключения.

Номинальное значение давления клапана управления также составляет 3–8 бар и устанавливается с помощью клапана регулирования давления. Он подает управляющее давление через электромагнитный клапан управления к клапану регулирования давления, установленному за ним в контуре, например, для муфты блокировки гидротрансформатора.

Давление плавного регулирования прямо пропорционально крутящему моменту двигателя и отражает нагрузку на двигатель. Клапан с плавной характеристикой (электромагнитный клапан управления) приводится в действие электронным блоком управления на основании данных, полученных от электронных систем двигателя, и создает давление плавного регулирования. Оно составляет от 0 до 7 бар. Давление плавного регулирования поступает в клапан регулирования рабочего давления и влияет, таким образом, на величину рабочего давления.

Давление переключения составляет 6–12 бар. Оно используется во время переключения передач для включения компонента механизма переключения. Давление переключения регулируется при помощи электронного блока управления посредством электромагнитного клапана управления и клапана регулирования давления. После переключения передачи оно замещается в компоненте механизма переключения рабочим давлением. Давление в системе смазки составляет 3–6 бар. Оно подается в гидротрансформатор. Гидравлическое масло проходит через гидротрансформатор, радиатор ATF и через все точки смазки в автоматической коробке.

Давление для муфты блокировки устанавливается при помощи электромагнитного клапана управления и клапана регулирования давления и регулируется электронным блоком управления коробки передач. Данное давление устанавливается согласно крутящему моменту, который необходимо передать.

Электромагнитные клапаны используются в автоматических коробках передач с электронным управлением в качестве компонентов гидропривода переключения (электромагнитный клапан переключения, электромагнитный клапан управления). Кроме того, находят применение клапаны переключения, управляемые только гидравлическим оборудованием.

Электромагнитные клапаны переключения (рис. 29) регулируют давление масла в клапане переключения или уменьшают

давление масла. Иными словами, они включаются или выключаются и заставляют переключаться компоненты механизма переключения, например, начать процесс переключения. Они закрываются в выключенном положении под действием пружин. Якорь соединен с плунжером толкателя клапана. Приведенный в действие электронным блоком управления якорь преодолевает усилие пружины и втягивается. Плунжер толкателя клапана открывает канал от P к А для подачи давления в клапан переключения и закрывает канал О. Электромагнитные клапаны переключения приводятся в действие при помощи цифровых сигналов переключения. Давление клапана переключения служит управляющим давлением для клапана переключения.

Рис. 29. Электромагнитный клапан

Клапан переключения (рис. 30) – это исключительно гидравлический клапан. Его функция заключается в распределении давления на компоненты механизма переключения. Как правило, у него только два положения, которые регулируются одним или двумя управляющими давлениями. В выключенном положении рабочее соединение А связано с каналом О, компоненты переключения не находятся под давлением. В рабочем положении управляющее давление присутствует в соединении Х, давление Р переключено на соединение А, канал О закрыт. Выход L служит только в качестве компенсационного канала. Большинство клапанов переключения выполняют функцию золотников и, следовательно, их зачастую называют золотниками или золотниковыми клапанами переключения.

Рис. 30. Гидравлический клапан

В выключенном положении электромагнитный клапан не задействован. В клапане переключения не присутствует управляющее давление (давление клапана переключения). Нулевое выпускное отверстие открыто.

В рабочем положении электромагнитный клапан переключения приводится в действие электронным блоком управления автоматической коробки передач, он регулируется электрическими сигналами.

Электромагнитный клапан притягивает плунжер толкателя клапана и позволяет давлению клапана переключения поступить в клапан переключения. Таким образом, поршень (плунжер) клапана переключения перемещается под действием гидравлического оборудования. Нулевое выпускное отверстие закрывается, открывается канал, по которому подается рабочее давление. Рабочее давление подается исключительно на компонент механизма переключения (многодисковая муфта или тормоз, в зависимости от логики управления). Электромагнитные клапаны управления плавно регулируют давление масла. Под действием пружин они закрываются, обеспечивая нулевое (избыточное) давление. Приведенный в действие якорь преодолевает усилие пружины и втягивается, плунжер толкателя клапана открывает канал О. Следовательно, давление масла в точке А падает тем больше, чем более увеличивается ток активации, что обеспечивает плавное регулирование.

Низкая сила тока = высокое давление. Высокая сила тока = низкое давление.

Электромагнитные клапаны управления всегда используются в сочетании с ограничителями, и на них подается давление клапанов управления. Они не регулируют давление масла непосредственно, однако они подают управляющее давление, которое действует через A на клапан регулирования давления, установленный за ними в контуре (плавно регулируемое давление).

5. Гибкие элементы для передачи крутящего момента

Начало применению бесступенчатых передач было положено в 1959 году. На автомобиле DAF-600 с двигателем мощностью 16 кВт (22 л. с.) была впервые установлена бесступенчатая передача, получившая название «Variomatic». Регулирование передачи «Variomatic» происходило по двум параметрам: частоте вращения коленчатого вала и нагрузке на двигатель, определявшейся разряжением во впускном коллекторе. Трогание автомобиля с места осуществлялось при помощи центробежного сцепления.

Некоторые характерные параметры этой передачи были следующие. Диапазон регулирования Дк = 4,33; минимальный радиус изгиба ремня – 93 мм. Для передачи максимального момента 85 Нм использовались два клиновидных ремня шириной 25 мм. Позже модернизированная передача «Variomatic» была установлена на автомобиле Volvo 343. По сравнению с механической четырехступенчатой коробкой передач она показала несколько худшие результаты. Увеличение расхода топлива в ездовом цикле составило 10%. Это можно объяснить относительно небольшим диапазоном регулирования и низким КПД бесступенчатой передачи, который составлял максимально 80%. Долговечность ремня соответствовала 50000 км пробега автомобиля.

Дальнейшее расширение диапазона регулирования вариатора было проблематичным, так как минимальный радиус изгиба ремня не удавалось сделать менее 93 мм. В связи с этим усилия конструкторов и исследователей были направлены на улучшение конструкции гибкой связи и ее характеристик. Многие фирмы проводили и до сих пор ведут активные работы по созданию более прочных клиновых ремней на основе резины с армированием или нитями из синтетических волокон. Однако успех был достигнут на другом направлении.

В начале 80-х годов голландской фирмой Van Doorne’s Transmission B.V. (VDT) и немецкой фирмой PIV Antrieb Werner Reimers были разработаны новые конструкции гибких металлических элементов и технологии их производства. Это позволило повысить КПД клиноременных вариаторов, увеличить их долговечность, а также обеспечить приемлемые габариты и массу .

Рис. 31. Устройство гибкого элемента VDT

Конструкция голландского гибкого элемента (рис. 31), который в отличие от резинокордового работает на сжатие, получила название «толкающий элемент». Ремень представляет набор тонких трапецеидальных металлических блоков 1, связанных воедино двумя многослойными лентами 2. Каждая лента состоит из 10 полос мартенситностареющей стали толщиной 0,2 мм. Трапецеидальные блоки штампуются из стальной полосы толщиной 2 мм. Собирается гибкий элемент установкой многослойных лент в боковые прорези трапецеидальных блоков. Такая конструкция позволяет иметь минимальный радиус изгиба гибкого элемента 30,5 мм.

Конструкция металлического ремня позволила перераспределить силу предварительного натяжения и силу тяги между его двумя различными элементами. Силу предварительного натяжения ремня воспринимают многослойные металлические ленты, работающие на растяжение, а тяговое усилие передается металлическими звеньями, которые работают на сжатие. Крутящий момент передается за счет трения между торцами пластин и поверхностями шкивов.

Рис. 32. Гибкий элемент – цепь АБКП Мultitronic

Компания Audi в бесступенчатой трансмиссии Multitronic вместо металлического ремня применяет многорядную стальную цепь с малым шагом (рис. 32), состоящую из 1025 звеньев.

Работы по созданию цепного вариатора были начаты фирмой PIV еще в начале 80-х годов. В дальнейшем эти работы получили развитие в концерне Audi-Volkswagen с участием фирмы LuK применительно к автомобилям Audi. Фирма PIV предложила для своего вариатора цепь с малым шагом.

Звенья цепи собраны из штампованных пластин, соединенных между собой осями, которые при изгибе цепи работают как шарнирные пары качения. Крутящий момент передается торцевыми поверхностями осей звеньев при их точечном контакте с коническими дисками. Применение точечного контакта обусловливает появление высоких контактных напряжений, что может приводить к износу. Чтобы выдерживать высокие напряжения в точечном пятне контакта торцевых поверхностей конусных дисков и осей цепи, в качестве материала для их изготовления служит подшипниковая сталь типа ШХ15, которая после термообработки имеет твердость порядка 1000 НВ. Цепь обеспечивает минимальный радиус изгиба 25–28 мм, что способствует уменьшению габаритов вариатора. Этим преимущества цепного вариатора не ограничиваются. Его конструкция обеспечивает меньший уровень потерь, что определяется незначительным силовым скольжением в пятне контакта и элементах цепи.