Рассмотрим устройство автоматической коробки передач.
Она состоит из:
1 — Гидротрансформатор ( «бублик”). По своим функциям напоминает сцепление при механической КПП.
2 — Планетарная передача. Изменяет передаточное отношение в АКПП при переключении передач.
3 — Фрикционы и тормозная лента. Непосредственно переключают передачи.
4 — Блок клапанов. Как правило, выполнен в виде металлической пластины с системой каналов. В каналах установлены клапаны, контролирующие давление и направление течения масла. Служит для управления фрикционами и тормозной лентой.
Гидротрансформатор
Передает крутящий момент от двигателя к элементам АКПП. Крыльчатка механически связана с двигателем. Вращаясь, она созает поток масла, который, в свою очередь, вращает турбину. Однако, создаваемого крутящего момента будет недостаточно. Для того, чтобы увеличить момент, используется статор. Он перераспределяет поток масла таким образом, чтобы он, имея еще запас энергии, повторно воздействовал на крыльчатку, создавая увеличивая крутящий момент.
Планетарная передача.
Компактна в силу своей конструкции. Переключение передач осуществляется путем блокировки одних и разблокировки других элементов
Необходимость планетарных рядов
Хотя ГТ и способен увеличивать крутящий момент, система планетарных рядов в АКП необходима по следующим причинам:
* при преодолении автомобилем подъёмов или во время его резкого разгона в трансмиссии необходимо создать крутящий момент больший, чем может создать один ГТ;
* автомобиль должен быть способен двигаться не только вперёд, но и назад.
Планетарные ряды.
В отличие от простой механической трансмиссии, в которой используются параллельные валы и сцепляющиеся между собой шестерни, в автоматических трансмиссиях в подавляющем большинстве используются планетарные передачи.
Преимущества планетарной передачи заключаются в её компактности, использовании лишь одного центрального вала и в способе переключения передач, осуществляемом путём блокировки одних и разблокировании других элементов планетарного ряда.
В автомобиле с простой механической трансмиссией водитель для переключения передач вынужден постоянно и последовательно выжимать педаль сцепления и отпускать педаль газа. Автоматическая трансмиссия автоматически переключает передачи в нужное время. Для этого водителю достаточно манипулировать лишь педалью газа, нажимая или отпуская её.
Планетарная передача обеспечивает ровное, без рывков, переключение скоростей движения автомобиля без потерь мощности двигателя, толчков и ударов, обычно ассоциируемых с моментом переключения передачи в простой трансмиссии.
Структура и теория планетарного ряда.
Планетарный ряд состоит из следующих элементов:
* солнечной шестерни (sun gear);
* сателлитов (pinion gears);
* эпицикла (internal gear);
* водила (carrier).
Солнечная шестерня находится в центре. Сателлиты вращаются вокруг солнечной шестерни, в то время как она вращается вокруг своей собственной оси. Эпицикл охватывает сателлиты, которые поддерживают водило. Все сателлиты вращаются одновременно и в одном направлении.
Переключение скорости вращения в планетарном ряду происходит тогда, когда 2 из 3 — х элементов планетарного ряда (солнечная шестерня, эпицикл, водило) находятся в определённых условиях — блокированы или разблокированы в различной комбинации.
Подумаем, что произойдёт, если заставить двигаться сателлиты, а, следовательно, и водило, ещё медленнее.
Скорость, с которой водило передвигается эпициклом, уменьшается по отношению к скорости вращающейся в обратном направлении солнечной шестерни. В результате, скорость вращения водила меньше, чем в предыдущем случае со второй передачей. Такое соотношение скоростей водила и эпицикла осуществляется при включении в АКП первой или пониженной (low gear) передачи.
Если в планетарном ряду эпицикл и солнечная шестерня вращаются в одинаковом направлении и с одинаковой скоростью, водило вращается в том же направлении и с той же скоростью. Такое соотношение скоростей данных элементов планетарного ряда осуществляется при включённой третьей (drive) передаче.
Если водило зафиксировано и солнечная шестерня вращается по часовой стрелке, сателлиты вращаются и двигают эпицикл против часовой стрелки. В этом случае, если считать, что солнечная шестерня передаёт входной момент, а эпицикл — выходной, то применительно к автоматической трансмиссии получим передачу заднего хода (reverse gear).
Если солнечная шестерня заблокирована, а водило вращается по часовой стрелке, сателлиты вращаются в том же направлении вокруг солнечной шестерни. Скорость вращения эпицикла складывается из собственной скорости вращения сателлитов и скорости их вращения вокруг неподвижной солнечной шестерни. Другими словами, эпицикл вращается быстрее, чем водило. Такое соотношение в трансмиссии характерно для четвёртой (overdrive) передачи.
Как правило, для переключения передач в 3 — скоростной автоматической трансмиссии используются 2 планетарных ряда, в 4 — скоростной — 3 планетарных ряда, но бывают и исключения, например, АКП AXOD (Ford).
Фрикционы и тормозная лента.
Фрикционы — блокируют элементы планетарной передачи между собой. Тормозная лента — блокирует планетарную передачу на корпус коробки.
Тормозная лента (brake band).
Тормозная лента служит для временной блокировки элементов планетарного ряда на корпус АКП. Несмотря на свои небольшие размеры, лента обладает весьма сильной удерживающей способностью. Подобно тормозным башмакам, она использует для блокировки эффект самозажатия. Когда тормозная лента отпускается, толчок, возникающий при переключении передач, смягчается, поскольку элемент планетарного ряда, который удерживала лента, начинает вращаться в сторону, противоположную направлению приложения силы торможения ленты. Другими словами, когда лента отпускается, она стремится освободить себя быстрее.
Итак, перечислим основные достоинства тормозной ленты:
* несмотря на небольшой размер, она обладает большой удерживающей способностью;
* она подходит для блокировки вращающихся элементов планетарного ряда АКП на корпус АКП;
* она смягчает толчки и удары, возникающие при переключении передач.
Принцип действия тормозной ленты.
Один конец тормозной ленты крепится неподвижно на корпусе АКП, другой — к поршню сервопривода. Когда масло подаётся в полость включения сервопривода, поршень сервопривода, передвигаясь под давлением масла, зажимает тормозную ленту, осуществляя тем самым блокировку элемента планетарного ряда. При подаче масла в полость отключения сервопривода давление масла в обеих полостях выравнивается, поршень сервопривода под действием возвратной пружины возвращается в исходное положение (вправо), тормозная лента высвобождается.
Система фрикционов (clutch system).
Целесообразность использования фрикционных дисков в автоматических трансмиссиях обусловлена их следующими преимуществами:
* способность выдерживать большие нагрузки;
* значительная степень свободы при их подборе (количество дисков можно увеличивать или уменьшать;
* нет необходимости в регулировке пакета фрикционов из — за износа дисков;
* способность прочного сцепления ведущих (drive plate) и ведомых (driven plate) дисков в пакете при больших скоростях вращения элементов планетарного ряда;
* хотя пакет фрикционов подвергается значительным нагрузкам, он не воздействует с такими же нагрузками на корпус АКП (в отличие от тормозной ленты, где большие нагрузки концентрируются в месте его крепления к корпусу АКП).
Принцип действия фрикционов.
Входной крутящий момент передаётся с барабана (drum) на ведущие диски. Ведомые диски поддерживаются втулкой (hub), которая передаёт выходной крутящий момент. Поршень (piston) приводится в действие давлением масла. Двигаясь под давлением масла вправо (по рисунку), поршень посредством конического диска (dished plate) плотно прижимает ведущие диски пакета к ведомым. Заставляя их вращаться как единое целое и осуществляя передачу крутящего момента от барабана к втулке. Как только давление масла падает, поршень под действием возвратной пружины (return spring) перемещается влево, ведущие и ведомые диски разжимаются, крутящий момент через пакет больше не передаётся.
Даже когда фрикцион выключен, в барабане, который вращается с большой скоростью, масло, оставшееся между барабаном и втулкой, отбрасывается под действием центробежной силы к внутренней стенке барабана. Вследствие этого возникает остаточное давление масла, которое прикладывается к поршню, вынуждая его к перемещению и подвключению фрикциона. Это приводит к преждевременному износу дисков и прочим неприятностям. Существуют 2 метода устранения подобного явления.
Метод 1
Используется контрольный шарик (check ball). Когда давления масла под поршнем нет (фрикцион выключен), центробежная сила вынуждает шарик переместиться со своего седла, освобождая отверстие, через которое оставшееся в барабане масло вытекает из полости между поршнем и барабаном наружу. Когда в эту полость подаётся масло (фрикцион включается), его давление превышает центробежную силу и шарик под давлением масла возвращается на своё седло. Перекрывая отверстие для вытекания масла наружу.
Метод 2
Масло из полости между поршнем и барабаном вытекает наружу через отверстие (orifice). Воздух в эту полость поступает через секцию с контрольным шариком, которая ближе к оси вращения барабана. При таком способе при включении фрикциона всегда будет небольшая утечка масла. Но, поскольку масляный насос поддерживает постоянное давление масла в гидравлической системе, такая утечка не является проблемой.
Обгонная муфта (one — way clutch).
Обгонная муфта может вращаться лишь в одном направлении. Она состоит из подвижного внутреннего кольца (inner race), зафиксированного наружного кольца (outer race) и кулачков.
Принцип действия обгонной муфты
Когда внутреннее кольцо вращается по часовой стрелке, оно проскальзывает через кулачок. Когда же внутреннее кольцо пытается вращаться против часовой стрелки, оно поднимает кулачок и он, заклиниваясь, не даёт кольцу возможности вращаться в этом направлении.
Блок клапанов.
В отличие от шестерёнчатого насоса, производительность которого зависит от числа оборотов двигателя, производительность лопастного насоса возрастает пропорционально числу оборотов двигателя лишь до определённой величины этих оборотов. По достижении двигателем таких оборотов количество масла, перекачиваемое лопастным насосом, больше не растёт, а составляет определённую постоянную величину, то есть линейное давление в гидравлической системе трансмиссии будет постоянным. Это уменьшает потери мощности в системе, возникающие при перекачке большего, чем необходимо, количества масла.
Зависимость выхода масла от оборотов двигателя
Принцип действия лопастного масляного насоса переменной производительности заключается в следующем. Когда обороты двигателя невелики, и количество перекачиваемого насосом масла увеличивается пропорционально росту числа оборотов двигателя. При достижении определённой величины оборотов двигателя давление Р преодолевает давление Р1, пружина (spring) 2 сжимается и золотник движется. В этой позиции золотника масло перетекает из канала а в канал b и далее в канал контроля количества масла (volume control passage), откуда направляется в камеру переменного объёма (variable chamber) насоса. Кулачок (cam ring) эксцентрика под воздействием возросшего давления масла в камере поворачивается на ролике (pivot roller), сжимая пружину (spring) 1 и уменьшая величину эксцентриситета насоса. Следовательно, производительность насоса уменьшается, соответственно, уменьшается давление масла в магистрали.
При работе масляного насоса масло закачивается из масляного поддона (oil pan) в каналы масляной магистрали. Слив избыточного масла в поддон через каналы А и В перекрыт золотником масляного клапана. Золотник удерживается в таком положении пружиной, когда количество перекачиваемого масла невелико. При увеличении числа оборотов двигателя и, следовательно, масляного насоса, количество масла, проходящего через клапан регулировки давления, увеличивается. Давление в полости С клапана увеличивается, вынуждая золотник перемещаться вниз, открывая канал для слива избыточного количества масла из полости А в полость В и далее в поддон. Таким образом, поддерживается постоянное давление масла, называемое линейным давлением. Масло под таким давлением подаётся также в гидротрансформатор АКПП.
Дроссельный клапан (throttle valve).
В целях обеспечения комфортного вождения автомобиля необходимо обеспечить правильное соотношение линейного давления масла и нагрузки на двигатель. Это соотношение регулирует дроссельный клапан. Дроссельный клапан регулирует линейное давление, которое подаётся на клапаны переключения передач и балансируется в них давлением, создаваемым центробежным регулятором (governor- ом). В общем, дроссельный клапан связан с дроссельной заслонкой двигателя и предназначен для определения нагрузки на двигатель и создания соответствующего этой нагрузке давления масла в гидравлической системе.
Существуют 2 типа дроссельных клапанов:
1. вакуумный;
2. механически соединённый с педалью акселератора (газа).
Рассмотрим вкратце каждый из этих типов.
Вакуумный дроссельный клапан (vacuum throttle valve)
Осуществляет свои функции через вакуумную диафрагму и шток. Разрежение, создаваемое при работе двигателя в его впускном коллекторе, напрямую прикладывается к диафрагме дроссельного клапана. Степень разрежения обратно пропорциональна величине угла открытия дроссельной заслонки двигателя. Принцип действия вакуумного дроссельного клапана таков.
Шток клапана прижимается вниз силой Fs, которая возникает вследствие разницы силы пружины и силы разрежения, приложенной к диафрагме. Сила Fs уравновешена силой давления масла Ft, направленной вверх. Канал поступления дополнительного количества масла от масляного насоса перекрыт. При нажатии на педаль газа дроссельная заслонка открывается, разрежение во впускном коллекторе двигателя уменьшается, соответственно, увеличивается сила Fs, которая, преодолевая силу давления масла Ft, перемещает шток дросселя вниз, открывая проход для дополнительного количества масла от масляного насоса. Давление на выходе дроссельного клапана увеличивается.
Механический дроссельный клапан (mechanical throttle valve).
При нажатии на педаль газа механически связанный с ней кулачок дроссельного клапана, поворачиваясь, передвигает вправо плунжер, который, в свою очередь, сжимает пружину А. Под действием пружины А золотник также перемещается вправо, открывая канал 7 поступления масла от магистрали (линейное давление). Линейное давление, поступающее через канал 7, поступает и на выход 20 дросселя. Так как давление масла в клапане увеличивается, золотник под этим давлением перемещается влево, сжимает пружину А и перекрывает канал 7. Давление в канале 20 дросселя падает. Как только давление в канале 20 упадёт до определённой величины, золотник снова перемещается вправо пружиной А, открывая канал 7 поступления линейного давления масла. Таким образом, дроссельный клапан регулирует давление постоянным перемещением золотника вправо — влево под воздействием давления масла и пружины А. Сила пружины А зависит от степени нажатия педали газа, то есть в нашем случае от угла поворота кулачка. Когда кулачок поворачивается на больший угол, пружина А сжимается плунжером клапана сильнее, поэтому и сила её возрастает, соответственно потребуется большее давление в канале 20 дросселя, чтобы преодолеть силу пружины А и переместить золотник клапана. В результате, пружина А создаёт баланс между педалью газа и давлением на выходе дроссельного клапана.
Центробежный регулятор (governor), давление регулятора (governor pressure).
Давление центробежного регулятора — это давление масла, которое зависит от скорости автомобиля. Регулятор посылает сигналы в виде различных значений давления масла на клапаны переключения передач (1 — 2, 2 — 3, 3 — 4) для их автоматического включения (выключения).
Существуют 2 типа регуляторов.
Тип А.
Масло, проходя через центр вала в узле регулятора, передвигает золотник по направлению к валу, открывая канал слива масла. Золотник в регуляторе выполняет 2 функции — выступает как элемент, распределяющий потоки масла, и как груз, который может перемещаться под действием центробежной силы. Как только скорость вращения регулятора увеличивается, центробежная сила, возникающая в нём, заставляет золотник перемещаться от вала и закрывать канал слива масла. Давление масла в канале А возрастает
Чувствительность регулятора достаточна при высокой скорости автомобиля, но недостаточна при низкой. Поэтому в регуляторе устанавливаются 2 золотника (груза) — первичный и вторичный. Более тяжёлый первичный золотник работает при малых скоростях автомобиля. При достижении автомобилем определённой скорости первичный золотник становится неэффективным и в работу вступает вторичный золотник. Это даёт возможность регулировать давление регулятора почти в прямой зависимости от скорости автомобиля, будь она низкой или высокой.
Тип В
график работы клапана давоения
Клапан регулятора создаёт своё давление от линейного давления.
1 — я ступень регулирования.
Когда скорость автомобиля невелика, основной и вспомогательный грузы, поднимаясь под действием центробежной силы в направлении стрелки, надавливают на золотник и он перемещается вниз, перекрывая канал слива масла и открывая канал для линейного давления масла. Давление на выходе регулятора быстро увеличивается до тех пор, пока первичный груз не упрётся в ограничитель.
2 -я ступень регулирования.
При высокой скорости автомобиля передвигается только вторичный груз. Величина перемещения золотника при этом меньше, соответственно, давление регулятора возрастает медленнее.
Ручной клапан (manual valve).
Ручной клапан предназначен для реализации команд, поступающих непосредственно от водителя: ехать вперёд, назад или парковать машину. Для передачи своих команд в трансмиссию водитель использует рычаг переключения передач, который в нашем примере может быть установлен в следующие позиции: P, R, N, D, 2 и 1.
Устройство ручного клапана
Рычаг переключения передач механически связан с ручным клапаном. В свою очередь, ручной клапан направляет масло в определённые каналы гидравлической системы трансмиссии, соответствующие каждому положению рычага переключения передач. Давление масла, которое проходит через ручной клапан, является линейным давлением и регулируется клапаном регулировки давления масла.
Что происходит с автомобилем при различных положениях рычага переключения передач?
Р (Park). Трансмиссия в нейтральном положении, выходной вал механически зафиксирован. Двигатель может быть запущен.
R (Reverse). Осуществляется движение автомобиля задним ходом.
N (Neutral). Трансмиссия в нейтральном положении. Двигатель может быть запущен.
D (Drive). Движение вперёд на 1 — ой, 2 — ой, 3 — ей передачах (при 3 — скоростной АКПП).
О (Overdrive). Движение вперёд на 1 — ой, 2 — ой, 3 — ей и 4 — ой передачах ( при 4 — скоростной АКПП).
2 (Second). Движение вперёд, зафиксированное на 2 — ой передаче.
1 (Low). Движение вперёд, на 1 — ой передаче.
В большинстве АКПП клапан регулировки линейного давления масла и ручной клапан находятся в одном узле — клапанном устройстве (valve body).
Клапан подстройки линейного давления масла (pressure modifier valve).
Крутящий момент, передаваемый фрикционами трансмиссии при разгоне автомобиля, отличается от момента, передаваемого при движении с постоянной скоростью. Давление масла, необходимое для включения фрикциона при постоянной скорости автомобиля, меньше давления, необходимого для включения фрикциона при разгоне автомобиля.
Для создания необходимого давления в гидравлической системе используется клапан подстройки линейного давления, подстраивающий линейное давление до нужной величины. Когда давление создаваемое центробежным регулятором и воздействующее на правую сторону золотника клапана подстройки давления, невелико, давление, создаваемое дроссельным клапаном плюс сила пружины, вынуждает золотник клапана подстройки перемещаться вправо. В результате, проход масла из магистрали (давление дроссельного клапана) в магистраль(линейное давление) перекрыт. С увеличением скорости автомобиля увеличивается давление центробежного регулятора. Давление преодолевает давление дроссельного клапана и силу пружины и перемещает золотник клапана подстройки давления влево. Давление поступает в магистраль и, воздействуя на верхнюю часть клапана регулировки давления масла, уменьшает линейное давление масла.
Как только скорость автомобиля и давление центробежного регулятора уменьшаются, сила пружины и давление дроссельного клапана преодолевают давление и золотник клапана подстройки давления масла снова перемещается вправо. Масло, создающее давление дроссельного клапана, идёт на слив через секцию пружины. Итак, золотник клапана подстройки линейного давления перемещается только тогда, когда давление центробежного регулятора больше давления дроссельного клапана.
Устройство клапана подстройки линейного давления масла
Аккумулятор (accumulator).
Поршень аккумулятора уменьшает удары при переключении передач, когда включаются фрикционы или тормозная лента. Обычно линейное давление воздействует на удерживающую сторону поршня, вынуждая его прижиматься вниз. Когда линейное давление прикладывается к упомянутым фрикционам и тормозу, оно одновременно воздействует на рабочую поверхность поршня, вынуждая его подниматься вверх. Часть энергии масла при этом теряется, что и смягчает удары при переключении передач.
Принцип действия аккумулятора
Соленоид кикдауна (kickdown solenoid).
Соленоид кикдауна приводится в действие при резком нажатии водителем педали газа. Когда водитель быстро и полностью нажимает на педаль газа, переключатель соленоида замыкается ею. Напряжение подаётся на соленоид, благодаря чему шток соленоида выдвигается наружу, открывая так называемый клапан кикдауна. Линейное давление подаётся в линию и включает клапаны переключения 1 — 2 и 2 — 3 передач. При отпускании педали соленоид обесточивается и в таком состоянии шток соленоида и клапан кикдауна удерживаются пружиной таким образом, что проход между линиями 4 и 13 открыт, а между линиями 7 и 13 закрыт. Линейное давление 4 в этом случае через канал 13 подаётся на клапаны переключения 1 — 2 и 2 — 3 передачи, где оно преодолевает давление 15 центробежного регулятора. В результате в АКП происходит переключение с высшей передачи на низшую.
Принцип действия клапана переключения передач.
В зависимости от условий вождения автомобиля АКП выполняет те же самые операции, что и водитель при вождении автомобиля с обычной коробкой передач, то есть включает повышенную передачу при разгоне автомобиля, включает пониженную передачу при торможении автомобиля, преодолении им крутых подъёмов или при перевозке автомобилем больших грузов.
В гидравлической системе АКП механизмом, который непосредственно осуществляет переключение передач, является клапан переключения передач. В 3 — скоростной АКП таких клапанов 2: переключения с 1 — ой на 2 — ю и переключения со 2 — ой на 3 — ю передачу. В 4 — скоростной АКП к упомянутым двум клапанам добавляется третий: переключения с 3 — й на 4 — ю передачу. Рассмотрим принцип действия клапана переключения передач.
Предположим, что дроссельная заслонка двигателя открыта на определённый угол и автомобиль движется на низкой передаче. При этой передаче суммарная составляющая силы пружины Fa , давления, создаваемого дроссельным клапаном Fb и линейного давления Fc , прикладываемых к золотнику клапана переключения передач, вынуждает его перемещаться вправо. При увеличении скорости автомобиля пропорционально увеличивается давление Fd , создаваемое центробежным регулятором, которое, преодолевая суммарное воздействие сил Fa , Fb и Fc , вынуждает золотник перемещаться влево. При определённой величине давления Fd золотник переместится влево настолько, что откроется канал, через который линейное давление масла поступит к исполнительным механизмам (тормозам и фрикционам), включающим следующую повышенную передачу. Как только скорость автомобиля уменьшится, давление Fd , создаваемое центробежным регулятором, также уменьшится и золотник клапана под действием сил Fa , Fb и Fc снова переместится вправо, перекрывая канал для линейного давления масла. Повышенная передача выключится.
При торможении автомобиль переходит на пониженную передачу на скорости, которая примерно на 5 км/ч меньше скорости перехода от данной пониженной передачи на следующую повышенную. Это улучшает управляемость автомобилем и снижает расход топлива