Отсутствие автоматических трансмиссий на хорошо знакомых отечественных автомобилях создало определенный информационный вакуум вокруг этих агрегатов. На этой странице мы постараемся ответить на некоторые вопросы, связанные с пониманием работы автоматических трансмиссий, но сначала познакомимся с некоторыми определениями и принципами.
Чего только ни придумывали конструкторы! Перечислить все варианты конструкций автоматических коробок переключения передач (АКПП) просто невозможно. Наиболее успешными оказались попытки создать гидромеханическую передачу (ГМП), которая и получила в итоге наибольшее распространение. В настоящее время гидромеханическими коробками оборудуют 98% выпускаемых в США легковых автомобилей. Для Японии эта цифра равна 60%, для Германии - 30%.
Другой тип АККП - вариатор. В последние годы произошел настоящий прорыв, и теперь практически все ведущие фирмы оснащают вариатором свои серийные автомобили. Активно строят машины с бесступенчатой трансмиссией Honda, Nissan и Audi, на подходе Mercedes, Ford, Toyota и даже на такой простой автомобиль, как Opel Vectra, с 2002 года стали устанавливать вариатор. К вариаторам относиться и активно рекламируемый и продвигаемый AUDI multitronic.
Хочется сразу оговориться, что в реальных автоматических трансмиссионных агрегатах могут одновременно присутствовать и вариатор, и ГМП, и другие устройства, типа обычного шестеренчатого редуктора, которые в совокупности и дают "автомат".
Назначение трансмиссии. Прежде чем перейти к особенностям устройства современных автоматических трансмиссий, определим ту роль, которую играет любая коробка передач на автомобиле. Для придания автомобилю требуемой динамики разгона, тяговых и скоростных свойств нужно, чтобы двигатель обеспечивал не только высокое значение крутящего момента, но и рост тяги с увеличением дорожного сопротивления. Это необходимо для поддержания непрерывности движения. Увы! В отличие от парового и электромотора двигатель внутреннего сгорания (ДВС) обладает иной, неблагоприятной характеристикой крутящего момента, кривая которого на графике выглядит пологой линией с пиком в районе 2700 - 4000 об/мин.
Если на автомобиле обычный бензиновый или дизельный мотор соединить с колесами напрямую, то такой автомобиль ездить не сможет. В отличие от паровых и электрических у поршневого двигателя внутреннего сгорания мощность непостоянна - тяговое усилие на валу при низких оборотах значительно меньше, чем при высоких. Коленчатому валу ДВС необходимо все время стремительно вращаться. (См. график изменения мощности Ne и изменение момента на валу ДВС Me на рис.1) Изменение же внешней нагрузки (разгон, преодоление подъемов и т. д.) должно компенсироваться по принципу рычага, то есть изменением передаточного числа между двигателем и колесами. И здесь очевидно, что устройство, выполняющее такую функцию, оно же трансмиссия, должно выбирать передачу так, чтобы та обеспечивала наиболее оптимальное соотношение между оборотами двигателя и нагрузкой извне во всякий момент движения. Для преобразования характеристики двигателя и приближения ее к нужному виду (см. рис.2 – такую характеристику имеют паровые машины, обладающие свойством автоматического изменения крутящего момента в зависимости от частоты вращения. Характеристику, приближающуюся к требуемой, имеют и некоторые типы электрических двигателей.) конструкторы еще на заре автомобилестроения перепробовали огромное число механизмов, однако наибольшее распространение получили ставшие обычными механические коробки передач. С их помощью крутящий момент двигателя преобразуется в широком диапазоне частоты вращения колес автомобиля.
Введение коробки передач автоматически привело к появлению на машинах механизма сцепления.
Адский труд водителя. Казалось, вопрос исчерпан, однако за решение задачи пришлось заплатить очень высокую цену: управление автомобилем усложнилось. Проведенные испытания показали, что в условиях интенсивного уличного движения в крупном городе водителю легкового автомобиля на каждые 100 км пройденного пути приходится 600 - 700 раз нажимать на педаль сцепления и 400 - 600 раз переключать передачи в коробке, т.е. в среднем делать одно переключение через каждые 30 - 40 с. Еще чаще приходится переключать передачи, двигаясь на внедорожнике по труднопроходимой местности или водителю городского автобуса с механической трансмиссией. Последний за рабочую смену выключает сцепление и переключает передачи 1500 - 2000 раз! Однако сложность управления автомобилем, ведущая к повышенной утомляемости водителя, еще не единственный недостаток трансмиссии с «ручным» переключением.
Вторым серьезным недостатком обычной шестеренчатой коробки передач является то, что при использовании такой коробки двигатель далеко не всегда работает в наиболее выгодных режимах, так как передаточные числа приходится выбирать из имеющегося ограниченного количества передач : набор фиксированных передаточных чисел лишь усредненно может отражать весь спектр постоянно меняющихся внешних условий. Даже при простом прямолинейном разгоне по ровной дороге картина весьма неудовлетворительна. На каждой из ступеней двигателю сначала приходится трудно - он преодолевает внешнюю нагрузку (в данном примере - силу инерции), тут передача оказывается более высокой, чем нужно; затем двигатель все-таки раскручивается, в какой-то момент попадая количеством оборотов в идеальное соответствие с передаточным числом, но затем уходит вперед, и тут передача оказывается уже более низкой, чем требуется. “Точность” передач можно повышать, увеличивая количество ступеней в коробке, что ограничено прежде всего физически. К тому же при этом от “усредненности” избавиться все равно не удастся. Поэтому для постоянного “попадания в нужный момент” передаточное число должно не “скакать”, а “плавать”, для чего ступени из трансмиссии необходимо исключить. "Точность попадания" обеспечит в итоге обеспечит экономичность и приемистость силовой установки автомобиля. Под силовой установкой принято понимать совокупность ДВС и агрегата трансмиссии. Сказанное объясняет многолетние попытки конструкторов начиная с начала века разработать бесступенчатую автоматическую трансмиссию, не требующую механизма сцепления и облегчающую работу.
Бесступенчатое изменение передаточного числа обеспечивает гидротрансформатор - конструкция, основанная на использовании вязкостных свойств масел. Но диапазон работы гидротрансформатора довольно узок, и для применения на автомобиле к нему приходится добавлять механизм со “ступенями”. К тому же потери мощности в этом устройстве довольно существенны, поэтому, кстати, в большинстве современных коробок гидротрансформаторы блокируются.
На особом месте стоит электрическая передача или, как ее называют еще, гибридная силовая установка , где ДВС вращает генератор, питающий соединенные с колесами электродвигатели, мощность которых практически одинакова на любых оборотах, и трансмиссия им не нужна. Здесь лишенный прямой связи с колесами ДВС может постоянно работать в самых благоприятных режимах, однако такая длинная цепь агрегатов приводит к потерям энергии и, кроме того, увеличивает массу автомобиля.
Недостатков вышеперечисленных устройств лишен вариатор - в основе своей механическая, а поэтому работающая с небольшими потерями бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которое позволяет автоматически плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке и оборотам двигателя, тем самым давая возможность максимально эффективно использовать его мощность. В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобиле получили распространение два вида вариаторов: клиноременной и тороидный . Вариатор, если бы не его недостатки (о которых см.ниже), идеально подходит для создания автоматической трансмиссии.
ГИДРОТРАНСФОРМАТОР (ГТ, определение)
Гидротрансформатор - (от слов гидро ... и трансформатор), гидродинамическая передача; в отличие от гидромуфты в гидротрансформаторе циркулирующая жидкость дополнительно проходит через реактор (направляющий аппарат), который изменяет направление потока и позволяет бесступенчато регулировать крутящий момент и частоту вращения ведомого (турбинного) вала. Применяют в трансмиссиях автомобилей, тепловозов и т. д.
Гидромуфта - (от гидро ... и муфта), гидродинамическая передача - механизм, передающий вращательное движение от ведущего вала к ведомому. Состоит из центробежного насоса и гидротурбины, лопаточные колеса которых сближены и образуют торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. Служит для передачи крутящего момента без его изменения (потери в гидромуфте не учитываются). Применяется в приводах буровых установок, питательных насосов и дымососов теплоэнергоцентралей
Принцип действия и общее устройство гидромеханической передачи (ГМП)
Для иллюстрации принципа действия ГМП как элемента, передающего крутящий момент, воспользуемся примером с двумя вентиляторами (рис.3). Один вентилятор (насос) включён в сеть и создаёт поток воздуха. Второй вентилятор (турбина) - выключен, однако, его лопатки, воспринимая поток воздуха, создаваемого насосом, вращаются. Скорость вращения турбины меньше, чем у насоса, она как бы проскальзывает по отношению к насосу. Если применить этот пример по отношению к ГМ, то в нём в качестве вентилятора, включённого в сеть (насоса), выступает крыльчатка насосного колеса. Насосное колесо механически связано с двигателем. В качестве выключенного вентилятора (турбины) выступает турбинное колесо, соединённое через шлицы с валом АКП. Подобно вентилятору - насосу, крыльчатка насосного колеса ГМ, вращаясь, создаёт поток, только уже не воздуха, а жидкости (масла). Поток масла, как и в случае с вентилятором - турбиной, заставляет вращаться турбинное колесо ГМ. В данном случае ГМП работает как обыкновенная гидромуфта, лишь передавая посредством жидкости крутящий момент от двигателя на вал АКП, не увеличивая его. Увеличение оборотов двигателя не приводит к сколь-нибудь существенному увеличению передаваемого крутящего момента.
Снова возвратимся к иллюстрации с вентиляторами. Поток воздуха, крутящий лопатки вентилятора - турбины, рассеивается впустую в пространстве. Если же этот поток, сохраняющий значительную остаточную энергию, направить снова к вентилятору - насосу, он начнёт вращаться быстрее, создавая более мощный поток воздуха, направленный к вентилятору - турбине. Тот, соответственно, тоже начнёт вращаться быстрее. Это явление известно как преобразование (увеличение) крутящего момента
Гидромуфта - самый простой элемент гидропривода . Ее отличительная особенность заключается в том, что крутящий момент на ведущем валу гидромуфты всегда равен моменту на выходном валу. Конструкция гидромуфты очень проста. Она состоит из насосного и турбинного колес примерно одинаковой конструкции, находящихся в заполненном маслом картере (рис.4 и 5).
При вращении насосного колеса масло под воздействием центробежной силы начинает двигаться по направляющим лопаткам к периферии, приобретая при этом кинетическую энергию. Из насосного колеса оно попадает в турбинное колесо, где при соприкосновении с лопатками турбины отдает ему часть своей энергии, приводя его, тем самым, во вращение.
При быстром вращении насосного колеса масло совершает сложное движение, состоящее из переносного и относительного движений. Первое возникает за счет вращения масла вместе с насосным колесом. Второе определяется перемещением масла вдоль насосного колеса к периферии. Относительное движение вызвано действием центробежных сил, возникающих в масле в результате вращения вместе с насосным колесом. В результате на выходе из насосного колеса абсолютная скорость потока масла определяется векторной суммой скоростей переносного и относительного движений. Часть энергии потока масла, определяемая его переносной скоростью отдается через лопатки турбинному колесу.
Принцип действия гидротрансформатора (трансформатора) такой же, как и гидромуфты. Те же самые относительное и переносное движения масла. Но для увеличения крутящего момента на выходном валу трансформатора введен дополнительный элемент - реакторное колесо (реактор, иногда статор). Реактор устанавливается между выходом из турбины и входом в насосное колесо (рис.6), и предназначен для направления потока масла, выходящего из турбинного колеса, таким образом, чтобы его скорость совпадала с направлением вращения насосного колеса.
В этом случае неизрасходованная в турбинном колесе энергия масла используется для дополнительного увеличения частоты вращения насосного колеса, что соответствующем образом увеличивает кинетическую энергию масла. Подобно воздуху, вращавшему лопатки вентилятора – турбины (см.рис 3), поток жидкости (масла), вращавший турбинное колесо ГТ, всё ещё обладает значительной остаточной энергией. Статор направляет этот поток обратно на крыльчатку насосного колеса, заставляя её вращаться быстрее, увеличивая тем самым крутящий момент. Чем меньше скорость вращения турбинного колеса ГТ по отношению к скорости вращения насосного колеса, тем большей остаточной энергией обладает масло, возвращаемое статором на насос, и тем большим будет момент, создаваемый в ГТ . Следствием этого является увеличение крутящего момента на валу турбинного колеса, по сравнению с моментом, подводимым к насосному колесу от двигателя. Следует отметить, что соотношение моментов на насосном и турбинном колесах определяется отношением угловых скоростей этих элементов. Максимальное увеличение крутящего момента происходит при полностью остановленной турбине. Такой режим работы трансформатора называется стоповым. Современные трансформаторы имеют коэффициент трансформации момента на стоповом режиме 2,0-3,0. Под термином "коэффициент трансформации" понимается отношение момента, развиваемого турбинным колесом, к моменту на насосном колесе.
Турбина всегда имеет скорость вращения меньшую, чем насос. Разность скоростей вращения турбины и насоса максимально при неподвижном автомобиле и уменьшается с увеличением его скорости. Статор связан с ГТ не жестко, а через обгонную муфту, которая может вращаться только в одном направлении. Благодаря особой форме лопаток статора и турбины поток масла направляется на обратную сторону лопаток статора , благодаря чему статор заклинивается и остаётся неподвижным, передавая на вход насоса максимальное количество остаточной энергии масла, сохранившееся после вращения им турбины, обеспечивая трансформацию (увеличение) крутящего момента. Например, при трогании с места ГТ увеличивает крутящий момент почти в три раза. (см. выше «стоповый режим»). По мере разгона автомобиля проскальзывание турбины относительно насоса уменьшается и наступает момент, когда поток масла подхватывает колесо статора и начинает вращать его в сторону свободного хода обгонной муфты. ГТ перестаёт увеличивать крутящий момент и переходит в режим обычной гидромуфты. В таком режиме ГТ имеет КПД, не превышающий 85%, что приводит к выделению в нём излишнего тепла и, в конечном счёте, увеличению расхода топлива двигателем автомобиля.
Для устранения этого недостатка используется блокировочная плита (см. рис. 6а). Она механически связана с турбиной, однако, может перемещаться влево и вправо. Для её смещения влево поток масла, питающий ГТ, подаётся в пространство между плитой и корпусом ГТ, обеспечивая их механическую развязку, то есть, плита в таком положении никак не влияет на работу ГТ.
|
|
При достижении автомобилем высокой скорости по особой команде от устройства управления АКП поток масла изменяется так, что он прижимает блокировочную плиту вправо к корпусу ГТ (см. рис. 6б). Для увеличения силы сцепления на внутреннюю сторону корпуса наносится фрикционный слой. Происходит механическая блокировка насоса и турбины посредством плиты. ГТ перестаёт выполнять свои функции. Двигатель жёстко связывается с входным валом АКП. Естественно, при малейшем торможении автомобиля блокировка немедленно выключается .
Существуют и другие способы блокировки ГТ, однако, суть всех способов одна - исключить проскальзывание турбины относительно насоса. В зарубежных источниках такой режим работы ГТ называется Lock-up (лок-ап). Корпус ГТ выполняет ещё одну очень важную функцию. С его помощью осуществляется привод масляного насоса АКП. Для этого используется дополнительный валик, размещённый внутри вала турбины. С корпусом ГТ этот валик связан шлицевым соединением. Во многих АКП масляный насос вращается непосредственно горловиной ГТ.
Трансформатор обладает несколькими благоприятными свойствами. Его установка приводит к плавному изменению крутящего момента, нагружающего трансмиссию, что увеличивает долговечность агрегатов трансмиссии и снижает затраты на ее ремонт. Плавное изменение крутящего момента самым благоприятным образом сказывается при движении по слабонесущим грунтам и скользкой дороге (лед, снег), поскольку в этом случае снижается вероятность срыва грунта и буксования ведущих колес. Кроме того, трансформатор является превосходным демпфером крутильных колебаний двигателя, которые гасятся маслом и не пропускаются в механическую часть трансмиссии.
Применительно к внедорожникам следует отметить некоторые дополнительные нюансы. Наличие гидротрансформатора в современной автоматической трансмиссии существенно повышает проходимость машины по песку, снегу и другим непрочным грунтам. Он обеспечивает на ведущих колесах устойчивую силу тяги и очень малые скорости их вращения, увеличивая тем самым сцепление колеса с дорогой. На автомобиле с обычной механической трансмиссией движение с весьма малой скоростью, а также при трогании с места происходит при буксующем сцеплении и сопровождается нередко рывками автомобиля, в результате чего срезается грунт и колесо, вращаясь, теряет сцепление с землей и роет яму. Ничего подобного не происходит на машине с «автоматом», при правильном с ним обращении. Учитывая сказанное, можно сделать вывод о том, что применение автоматических трансмиссий на внедорожниках крайне желательно.
Так как увеличить крутящий момент гидротрансформатора более чем в 3,5 раза не удается, вместе с ним применяют редукторы, как правило планетарные. В настоящее время, несмотря на разнообразие конструкций автоматических трансмиссий, установилась общая схема, свойственная большинству ГМП. По этой схеме агрегат представляет собой комплекс трех основных частей: гидротрансформатора, планетарной коробки передач и системы управления .
Вообще, под термином трансмиссия понимают все механизмы, установленные между маховиком двигателя и ведущими колесами. Обычно трансмиссия с автоматической коробкой передач включает в себя: гидротрансформатор, коробку передач, шрусы или карданную передачу, раздаточную коробку, главную передачу, дифференциал и полуоси. Как правило, картер трансформатора прикручивается к картеру коробки или они имеют единый общий картер. Гидротрансформатор осуществляет связь двигателя с коробкой передач, и частично его функции схожи с функциями сцепления.
В случае использования автоматической коробки передач решение о переключении, а также его качество, принимается и обеспечивается системой управления. Это в значительной мере облегчает процесс управления транспортным средством, делает его менее трудоемким, особенно, в условиях плотных городских потоков. Внешний вид АККП с ГМП представлен на рисунках 7,8.
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Описание принципов работы и устройства АКПП без описание планетарных передач, конечно, будет не полным. Но планетарные передачи заслуживают отдельного материала и здесь не рассматриваются
Устройство и принцип работы вариатора.
Клиноременной вариатор состоит из нескольких (как правило, одной - двух) ременных передач, где шкивы образованы коническими дисками, за счет сдвигания и раздвигания которых изменяются диаметр шкивов и, соответственно, передаточное число. Разные фирмы разработали каждая свою конструкцию клиноременного вариатора, так на Audi в трансмиссии Multitronic вместо ремня применяют цепь, а Honda ставит набранный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется. Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков.
|
Начнем с самого простого. Почему клиновидный ремень? Из рисунка слева видно, что ремень в разрезе имеет трапециевидную форму и "вклинивается" в шкив только своими боковыми поверхностями. При износе этих поверхностей, благодаря своей форме, он врезается глубже в шкив и все равно остается в хорошей сцепке с ним.
Двигатель не запущен.
|
На рисунках вверху показаны также положения клиновидного ремня в разрезе на ведущем шкиве (слева) и ведомом (справа) при разных режимах работы двигателя. Внизу внешний вид агрегатов.
|
|
|
Иначе устроен тороидный вариатор, который состоит из соосных дисков и роликов, передающих момент от одного диска к другому. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски. И поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску. Так в ниссановском вариаторе Extroid применена специальная система, где управляемый электроникой прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам.
Между прочим, принцип устройства под названием “вариатор” не нов - мысли о бесступенчатой трансмиссии стали посещать конструкторов практически сразу с началом применения поршневых ДВС на транспорте. Первую конструкцию такого типа опробовали на автомобиле уже в начале ХХ века - это был так называемый лобовой вариатор, где к плоскому маховику двигателя прижимался диск, перемещающийся от центра к краю. В 30-е годы Hayes предлагает трансмиссию на основе тороидного вариатора (который, кстати, был запатентован еще в 1877 году Ч.Хантом) - несовершенное и весьма дорогое устройство. А в конце 40-х появились уже достаточно надежные гидромеханические “автоматы”, которые быстро заняли ведущие позиции, и внимание множества конструкторов сосредоточилось на них. Тем не менее часть конструкторов все-таки работала над вариатором, и первым серийным автомобилем с таким устройством стала появившаяся в 1958 году малолитражка DAF-600, оснащенная трансмиссией Variomatic на основе клиноременного вариатора, которая затем устанавливалась на Volvo 343, где и просуществовала до 1980 года.
Движение началось: с 80-х вариаторы прописываются на мототехнике, гидроциклах и снегоходах, опытными сериями устанавливаются на автомобили. Современное же развитие электроники и технологии материалов дало возможности усовершенствовать (остающиеся, однако, в принципе своем неизменными) конструкции вариаторов, и сейчас наблюдается, по-видимому, начало самого широкого распространения таких трансмиссий на автотранспорте.
Тем не менее вариаторы пока что не избавились от некоторых своих весьма существенных проблем. Так, очевидно, что самыми конструктивно слабыми местами существующих сегодня автомобильных вариаторов являются: для клиноременного эти самые ремни, а для тороидного - пятно контакта диска и ролика, где сила давления достигает 10 тонн. Поэтому здесь применяются специальные высокотехнологичные материалы, что делает надежность вариаторов достаточно высокой, близкой к надежности гидромеханических “автоматов”, но все же из-за нагрузок на ремень или пятно контакта вариаторы пока не могут “тянуть грузы”, а также работать с двигателями большой мощности. На сегодняшний день рекордом для клиноременного вариатора оказывается 220 л.с. и 300 Нм, которые развивает V-образный 6-цилиндровый мотор Audi A6, “воспринятый” трансмиссией Multitronic, а для тороидного - “переваренный” Extroid (3-литровый двигатель Nissan Gloria и Cedric), развивающий 240 л.с. и 310 Нм. Однако если для грузовиков вариаторы до сих пор непригодны, то для легковых автомобилей весьма приемлемы, и здесь у бесступенчатых трансмиссий, очевидно, большое будущее, тем более что и технологии материалов не стоят на месте. Так, к 2003 году намечен выпуск новой модели Nissan Skyline G35 с 310-сильной 3.5-литровой “шестеркой”, которую будут оснащать вариатором
Если сравнить динамические характеристики многих автомобилей, оснащаемых вариатором, может возникнуть недоумение - почему на одной и той же модели автомобиля разгон с вариатором происходит медленнее, чем с механической коробкой, ибо должно быть наоборот, раз вариатор лучше использует мощность двигателя? Все дело в привычке - многие клиенты были очень недовольны, что машина с вариатором “все время ноет на одной ноте”. (Так силовой агрегат отрабатывает программу максимальной эффективности: двигатель сразу выводится на соответствующие обороты и работает в режиме постоянной мощности, а все остальное делает вариатор.) Большинство же водителей привыкли к знакомому нарастающему шуму мотора, и многие фирмы идут клиентам навстречу, специально настраивая электронный блок управления трансмиссией. На самом же деле при нормальной настройке блока разгон, конечно, происходит быстрее.
В заключение отметим, что вариаторы является куда более совершенным типом трансмиссии по сравнению с традиционными автоматическими коробками передач. Совершенство проявляется в более лучшей динамике разгона, меньшем расходе топлива, более плавной езде у автомобилей оснащённых клиноременными вариаторами. И в тоже время, вариаторы проще по конструкции, чем традиционные "автоматы". Думается, что в недалёком будущем автомобили оснащённые вариаторами полностью вытеснят машины, оснащённые обычными "автоматами" и сильно потеснят машины с "механикой".
При подготовке материала использована информация со следующих Интернет-сайтов:
