Розглянемо будову автоматичної коробки передач. Вона складається з: 1 – Гідротрансформатор (“бублик”). За своїми функціями нагадує зчеплення в механічній КПП. 2 – Планетарна передача. Змінює передавальне відношення в АКПП при перемиканні передач. 3 – Фрикціони та гальмівна стрічка. Безпосередньо перемикають передачі. 4 – Блок клапанів. Як правило, виконаний у вигляді металевої пластини з системою каналів. У каналах встановлені клапани, що контролюють тиск та напрямок течії масла. Служить для керування фрикціонами та гальмівною стрічкою.
Гідротрансформатор Передає крутний момент від двигуна до елементів АКПП. Крильчатка механічно зв’язана з двигуном. Обертаючись, вона створює потік масла, який, у свою чергу, обертає турбіну. Однак створюваного крутного моменту буде недостатньо. Для того, щоб збільшити момент, використовується статор. Він перерозподіляє потік масла таким чином, щоб він, маючи ще запас енергії, повторно впливав на крильчатку, створюючи збільшений крутний момент.
Планетарна передача. Компактна завдяки своїй конструкції. Перемикання передач здійснюється шляхом блокування одних та розблокування інших елементів.
Необхідність планетарних рядів Хоча ГТ і здатний збільшувати крутний момент, система планетарних рядів в АКП необхідна з наступних причин:
- при подоланні автомобілем підйомів або під час його різкого розгону в трансмісії необхідно створити крутний момент більший, ніж може створити один ГТ;
- автомобіль повинен бути здатний рухатися не лише вперед, а й назад.
Планетарні ряди. На відміну від простої механічної трансмісії, в якій використовуються паралельні вали та шестерні, що зчіплюються між собою, в автоматичних трансмісіях у переважній більшості використовуються планетарні передачі.
Переваги планетарної передачі полягають у її компактності, використанні лише одного центрального валу та у способі перемикання передач, що здійснюється шляхом блокування одних та розблокування інших елементів планетарного ряду.
В автомобілі з простою механічною трансмісією водій для перемикання передач змушений постійно та послідовно вичавлювати педаль зчеплення та відпускати педаль газу. Автоматична трансмісія автоматично перемикає передачі у потрібний час. Для цього водієві достатньо маніпулювати лише педаллю газу, натискаючи або відпускаючи її.
Планетарна передача забезпечує рівне, без ривків, перемикання швидкостей руху автомобіля без втрат потужності двигуна, поштовхів та ударів, які зазвичай асоціюються з моментом перемикання передачі у простій трансмісії.
Структура та теорія планетарного ряду. Планетарний ряд складається з наступних елементів:
- сонячної шестерні (sun gear);
- сателітів (pinion gears);
- епіцикла (internal gear);
- водила (carrier).
Сонячна шестерня знаходиться в центрі. Сателіти обертаються навколо сонячної шестерні, в той час як вона обертається навколо своєї власної осі. Епіцикл охоплює сателіти, які підтримує водило. Усі сателіти обертаються одночасно та в одному напрямку.
Перемикання швидкості обертання в планетарному ряду відбувається тоді, коли 2 з 3-х елементів планетарного ряду (сонячна шестерня, епіцикл, водило) знаходяться в певних умовах – заблоковані або розблоковані в різній комбінації.
Подумаємо, що відбудеться, якщо змусити рухатися сателіти, а отже, і водило, ще повільніше.
Швидкість, з якою водило пересувається епіциклом, зменшується по відношенню до швидкості обертової у зворотному напрямку сонячної шестерні. В результаті швидкість обертання водила менша, ніж у попередньому випадку з другою передачею. Таке співвідношення швидкостей водила та епіцикла здійснюється при включенні в АКП першої або зниженої (low gear) передачі.
Якщо в планетарному ряду епіцикл та сонячна шестерня обертаються в однаковому напрямку та з однаковою швидкістю, водило обертається в тому ж напрямку та з тією ж швидкістю. Таке співвідношення швидкостей даних елементів планетарного ряду здійснюється при включеній третій (drive) передачі.
Якщо водило зафіксовано, а сонячна шестерня обертається за годинниковою стрілкою, сателіти обертаються та рухають епіцикл проти годинникової стрілки. У цьому випадку, якщо вважати, що сонячна шестерня передає вхідний момент, а епіцикл – вихідний, то стосовно автоматичної трансмісії отримаємо передачу заднього ходу (reverse gear).
Якщо сонячна шестерня заблокована, а водило обертається за годинниковою стрілкою, сателіти обертаються в тому ж напрямку навколо сонячної шестерні. Швидкість обертання епіцикла складається з власної швидкості обертання сателітів та швидкості їх обертання навколо нерухомої сонячної шестерні. Іншими словами, епіцикл обертається швидше, ніж водило. Таке співвідношення в трансмісії характерне для четвертої (overdrive) передачі.
Як правило, для перемикання передач у 3-швидкісній автоматичній трансмісії використовуються 2 планетарні ряди, у 4-швидкісній – 3 планетарні ряди, але бувають і винятки, наприклад, АКП AXOD (Ford).
Фрикціони та гальмівна стрічка. Фрикціони – блокують елементи планетарної передачі між собою. Гальмівна стрічка – блокує планетарну передачу на корпус коробки.
Гальмівна стрічка (brake band). Гальмівна стрічка служить для тимчасового блокування елементів планетарного ряду на корпус АКП. Незважаючи на свої невеликі розміри, стрічка має досить сильну утримуючу здатність. Подібно до гальмівних колодок, вона використовує для блокування ефект самозатискання. Коли гальмівна стрічка відпускається, поштовх, що виникає при перемиканні передач, пом’якшується, оскільки елемент планетарного ряду, який утримувала стрічка, починає обертатися в бік, протилежний напрямку прикладання сили гальмування стрічки. Іншими словами, коли стрічка відпускається, вона прагне звільнити себе швидше.
Отже, перерахуємо основні переваги гальмівної стрічки:
- незважаючи на невеликий розмір, вона має велику утримуючу здатність;
- вона підходить для блокування обертових елементів планетарного ряду АКП на корпус АКП;
- вона пом’якшує поштовхи та удари, що виникають при перемиканні передач.
Принцип дії гальмівної стрічки. Один кінець гальмівної стрічки кріпиться нерухомо на корпусі АКП, інший – до поршня сервоприводу. Коли масло подається в порожнину включення сервоприводу, поршень сервоприводу, пересуваючись під тиском масла, затискає гальмівну стрічку, здійснюючи тим самим блокування елемента планетарного ряду. При подачі масла в порожнину виключення сервоприводу тиск масла в обох порожнинах вирівнюється, поршень сервоприводу під дією поворотної пружини повертається у вихідне положення (вправо), гальмівна стрічка звільняється.
Система фрикціонів (clutch system). Доцільність використання фрикційних дисків в автоматичних трансмісіях зумовлена їх наступними перевагами:
- здатність витримувати великі навантаження;
- значний ступінь свободи при їх підборі (кількість дисків можна збільшувати або зменшувати);
- немає необхідності в регулюванні пакета фрикціонів через знос дисків;
- здатність міцного зчеплення ведучих (drive plate) та ведених (driven plate) дисків у пакеті при великих швидкостях обертання елементів планетарного ряду;
- хоча пакет фрикціонів зазнає значних навантажень, він не впливає з такими ж навантаженнями на корпус АКП (на відміну від гальмівної стрічки, де великі навантаження концентруються в місці її кріплення до корпусу АКП).
Принцип дії фрикціонів. Вхідний крутний момент передається з барабана (drum) на ведучі диски. Ведені диски підтримуються втулкою (hub), яка передає вихідний крутний момент. Поршень (piston) приводиться в дію тиском масла. Рухаючись під тиском масла вправо (на малюнку), поршень за допомогою конічного диска (dished plate) щільно притискає ведучі диски пакета до ведених, змушуючи їх обертатися як єдине ціле та здійснюючи передачу крутного моменту від барабана до втулки. Як тільки тиск масла падає, поршень під дією поворотної пружини (return spring) переміщається вліво, ведучі та ведені диски розтискаються, крутний момент через пакет більше не передається.
Навіть коли фрикціон вимкнений, у барабані, який обертається з великою швидкістю, масло, що залишилося між барабаном та втулкою, відкидається під дією відцентрової сили до внутрішньої стінки барабана. Внаслідок цього виникає залишковий тиск масла, який прикладається до поршня, змушуючи його до переміщення та підключення фрикціону. Це призводить до передчасного зносу дисків та інших неприємностей. Існують 2 методи усунення подібного явища.
Метод 1 Використовується контрольна кулька (check ball). Коли тиску масла під поршнем немає (фрикціон вимкнений), відцентрова сила змушує кульку переміститися зі свого сідла, звільняючи отвір, через який масло, що залишилося в барабані, витікає з порожнини між поршнем та барабаном назовні. Коли в цю порожнину подається масло (фрикціон вмикається), його тиск перевищує відцентрову силу, і кулька під тиском масла повертається на своє сідло, перекриваючи отвір для витікання масла назовні.
Метод 2 Масло з порожнини між поршнем та барабаном витікає назовні через отвір (orifice). Повітря в цю порожнину надходить через секцію з контрольною кулькою, яка ближче до осі обертання барабана. При такому способі при включенні фрикціону завжди буде невеликий витік масла. Але оскільки масляний насос підтримує постійний тиск масла в гідравлічній системі, такий витік не є проблемою.
Обгінна муфта (one – way clutch). Обгінна муфта може обертатися лише в одному напрямку. Вона складається з рухомого внутрішнього кільця (inner race), зафіксованого зовнішнього кільця (outer race) та кулачків.
Принцип дії обгінної муфти Коли внутрішнє кільце обертається за годинниковою стрілкою, воно прослизає через кулачок. Коли ж внутрішнє кільце намагається обертатися проти годинникової стрілки, воно піднімає кулачок, і той, заклинюючись, не дає кільцю можливості обертатися в цьому напрямку.
Блок клапанів. На відміну від шестеренного насоса, продуктивність якого залежить від числа обертів двигуна, продуктивність лопатевого насоса зростає пропорційно числу обертів двигуна лише до певної величини цих обертів. Після досягнення двигуном таких обертів кількість масла, що перекачується лопатевим насосом, більше не зростає, а становить певну постійну величину, тобто лінійний тиск у гідравлічній системі трансмісії буде постійним. Це зменшує втрати потужності в системі, що виникають при перекачуванні більшої, ніж необхідно, кількості масла.
Залежність виходу масла від обертів двигуна Принцип дії лопатевого масляного насоса змінної продуктивності полягає в наступному. Коли оберти двигуна невеликі, і кількість масла, що перекачується насосом, збільшується пропорційно зростанню числа обертів двигуна. При досягненні певної величини обертів двигуна тиск Р долає тиск Р1, пружина (spring) 2 стискається, і золотник рухається. У цій позиції золотника масло перетікає з каналу а в канал b і далі в канал контролю кількості масла (volume control passage), звідки направляється в камеру змінного об’єму (variable chamber) насоса. Кулачок (cam ring) ексцентрика під впливом зростаючого тиску масла в камері повертається на ролику (pivot roller), стискаючи пружину (spring) 1 та зменшуючи величину ексцентриситету насоса. Отже, продуктивність насоса зменшується, відповідно зменшується тиск масла в магістралі.
При роботі масляного насоса масло закачується з масляного піддона (oil pan) в канали масляної магістралі. Злив надлишкового масла в піддон через канали А та В перекрито золотником масляного клапана. Золотник утримується в такому положенні пружиною, коли кількість масла, що перекачується, невелика. При збільшенні числа обертів двигуна і, отже, масляного насоса, кількість масла, що проходить через клапан регулювання тиску, збільшується. Тиск у порожнині С клапана збільшується, змушуючи золотник переміщатися вниз, відкриваючи канал для зливу надлишкової кількості масла з порожнини А в порожнину В і далі в піддон. Таким чином підтримується постійний тиск масла, що називається лінійним тиском. Масло під таким тиском подається також у гідротрансформатор АКПП.
Дросельний клапан (throttle valve). З метою забезпечення комфортного керування автомобілем необхідно забезпечити правильне співвідношення лінійного тиску масла та навантаження на двигун. Це співвідношення регулює дросельний клапан. Дросельний клапан регулює лінійний тиск, який подається на клапани перемикання передач та балансується в них тиском, створюваним відцентровим регулятором (governor-ом). Загалом дросельний клапан пов’язаний з дросельною заслінкою двигуна та призначений для визначення навантаження на двигун та створення відповідного цьому навантаженню тиску масла в гідравлічній системі.
Існують 2 типи дросельних клапанів:
- вакуумний;
- механічно з’єднаний з педаллю акселератора (газу).
Розглянемо коротко кожен із цих типів.
Вакуумний дросельний клапан (vacuum throttle valve) Здійснює свої функції через вакуумну діафрагму та шток. Розрідження, що створюється при роботі двигуна в його впускному колекторі, безпосередньо прикладається до діафрагми дросельного клапана. Ступінь розрідження обер