Автоматическая трансмиссия

5.3.1 Автоматическая коробка передач

Примечание
Понятие «автоматическая трансмиссия» применяется в данном случае очень широко и, для того чтобы не возникало вопросов при изучении материала, следует внести коррективы в то, какими бывают немеханические коробки передач.

Существует несколько способов реализации управления автомобилем, не отрываясь от рулевого колеса на переключения передач, как в механической КП. Под этими способами следует понимать установку различных механизмов, позволяющих избавиться от третьей педали (педали сцепления).

Рассмотрим три различных принципа конструктивной реализации автоматических коробок передач:

• Автоматическая коробка передач – с гидротрансформатором и планетарными передачами;
• Автоматизированные бесступенчатые коробки передач: вариаторные и тороидные;
• Роботизированные коробки передач.

О каждом из приведенных выше вариантов конструкции коробок передач мы поговорим ниже, для начала необходимо просто запомнить их.

5.3.2 АКПП с гидротрансформатором и планетарными передачами

Одной из первых проблем, которую необходимо было решить конструкторам, — избавить водителя от сцепления и постоянной необходимости выжимать педали его отключения при переключении передач МКП. На помощь пришла гидромуфта, которая в последующем совершенствовании превратилась в гидротрансформатор.

5.3.3 Назначение гидротрансформатора

Наличие гидротрансформатора в передаче, кроме упрощения управления автомобилем, обеспечивает также плавное трогание автомобиля с места и его равномерное ускорение. Ввиду того, что тяга на колесах возрастает постепенно, уменьшается вероятность их буксования, а вместе с этим улучшается проходимость автомобиля. Гидротрансформатор, интегрированный в силовую передачу автомобиля, способствует также гашению колебаний нагрузок, в результате чего снижается износ двигателя и механизмов силовой передачи автомобиля.

Рисунок 5.18 Элементы гидротрансформатора.

Гидротрансформатор представляет собой гидравлический механизм, включаемый между двигателем и механической силовой передачей автомобиля и обеспечивающий автоматическое изменение передаваемого от двигателя крутящего момента, в соответствии с изменениями нагрузки на ведомом валу.

5.3.4 Устройство гидротрансформатора

В простейшем гидротрансформаторе имеются три рабочих колеса с лопатками (рисунок 5.19 и 5.20): вращающиеся насосное и турбинное колеса и неподвижное колесо-реактор. Изнутри лопатки колес закрыты круглыми стенками, для того чтобы внутри колес образовалась кольцевая полость круглого сечения небольшого диаметра. При расположении близко друг к другу всех трех колес с лопатками, внутри образуется кольцевая замкнутая полость, в которой циркулирует (как показано стрелкой на рисунке 5.19) залитая в гидротрансформатор рабочая жидкость (специальное масло).

Насосное колесо соединено с корпусом (ротором) и через него — с коленчатым валом двигателя. Турбинное колесо связано через ведомый вал с коробкой передач. Реактор закреплен неподвижно на втулке, соединенной с картером (или установлен на муфте свободного хода (О муфте свободного хода будет рассказано немного позже), как показано на рисунке 5.19). Ротор гидротрансформатора с расположенными в нем рабочими колесами установлен на подшипниках внутри закрытого картера.

Рисунок 5.19 Схема гидротрансформатора.

Рисунок 5.20 Упрощенный вид гидротрансформатора.

5.3.5 Работа гидротрансформатора

Примечание
Чтобы рабочая жидкость (масло) постоянно заполняла полость рабочих колес и охлаждалась, она при работе гидротрансформатора непрерывно закачивается из масляного резервуара в рабочую полость колес насосом и сливается обратно в резервуар.

Во время работы гидротрансформатора масло, закачиваемое в рабочую полость колес, захватывается лопатками вращающегося насосного колеса, отбрасывается центробежной силой наружу, попадает на лопатки турбинного колеса и вследствие создаваемого при этом напора приводит его в движение вместе с ведомым валом. Далее масло поступает на лопатки неподвижно закрепленного реактора, изменяющего направление потока жидкости, и затем опять поступает в насосное колесо, непрерывно циркулируя по замкнутому кругу внутренней полости рабочих колес (как указано стрелкой на рисунке 5.19), участвуя при этом в общем вращении колес.

Примечание
Наличие неподвижного реактора, лопатки которого расположены так, что они изменяют направление проходящего через него потока жидкости, способствует возникновению на лопатках реактора некоторого усилия, вызывающего появление реактивного момента, воздействующего через жидкость на лопатки турбинного колеса, дополнительно к моменту, передаваемому на него от насосного колеса. Таким образом, наличие реактора дает возможность получать на валу турбинного колеса крутящий момент, отличный от момента, передаваемого двигателем.

Чем медленнее вращается турбинное колесо, по сравнению с насосным колесом (например, при возрастании нагрузки от движения автомобиля под уклон), тем значительнее лопатки реактора изменяют направление проходящего через него потока рабочей жидкости и тем больший дополнительный момент передается от реактора к турбинному колесу, вследствие чего увеличивается крутящий момент на его валу.

Примечание
Свойство гидротрансформаторов автоматически изменять (или трансформировать) соотношение крутящих моментов на валах в зависимости от соотношения количества оборотов на ведущем и ведомом валах (и, следовательно, от величины внешней нагрузки) является их основной особенностью. Таким образом, действие гидротрансформатора аналогично действию коробки передач с автоматическим изменением передаточных чисел.

Интересно
Максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) для существующих конструкций гидротрансформаторов колеблется в пределах 0,85—0,90.

5.3.6 Гидротрансформатор и гидромуфта

Однако конструкторы не хотели останавливаться на достигнутом и решили, что необходимо было бы расширить возможности гидротрансформатора, чтобы улучшить его приспосабливаемость к различным режимам работы. Решение было простым и интересным одновременно. Они взяли и установили реакторное колесо на муфту свободного хода, превратив тем самым гидротрансформатор еще и в гидромуфту. Такие гидротрансформаторы называются комплексными.

Примечание
Муфта свободного хода (другое название — «обгонная муфта») – это такой узел, который при определенных условиях исключает передачу крутящего момента от ведомого вала обратно к ведущему в случае, если по какой-либо причине ведомый вал начинает вращаться быстрее. Самый наглядный пример — это привод ведущего колеса в велосипеде: когда вам надо, вы вращаете педали, и тяга от педалей передается на колесо через муфту, а разогнавшись, перестаете выполнять тяжкий труд – педали не вращаете, а колесо катится по дороге без проблем. Еще один пример: это ключ с «трещоткой»: в одну сторону блокируется и затягивает болт, при обратном ходе головка ключа остается на месте, а ручка с характерным треском возвращается в исходную позицию.

5.3.7 Работа комплексного гидротрансформатора

Особенность работы такого гидротрансформатора заключается в следующем: когда число оборотов ведомого вала значительно меньше числа оборотов ведущего вала, которое соответствует повышенной нагрузке на ведомом валу (например, автомобиль начинает движение), тогда поток жидкости, выходящий из турбинного колеса, ударяется о лопатки реактора с внутренней (по отношению к направлению вращения) стороны. При этом, стремясь вращать колесо в обратную сторону от общего вращения, поток, создаваемый усилием заклинивает реактор неподвижно на муфте свободного хода. При неподвижном реакторе вся система работает как гидротрансформатор, описанный выше, обеспечивая необходимую трансформацию крутящего момента и способствуя преодолению изменяющихся нагрузок. Если же нагрузка на ведомый вал снижается (автомобиль едет с постоянной скоростью по трассе), а число оборотов турбинного колеса резко повышается, то жидкость, поступающая с лопаток турбины, ударяется в лопатки реактора с внешней стороны, стремясь вращать его в сторону общего вращения. В таком случае муфта свободного хода разблокируется, и реакторное колесо начинает свободно вращаться в общем направлении с насосным колесом. Вследствие отсутствия неподвижных лопаток на пути потока жидкости, трансформация (изменение) момента прекращается, и вся система работает как гидромуфта, то есть фактически соединяет коленчатый вал с валом коробки передач напрямую, подобно механическому сцеплению.

5.3.8 Автоматическая коробка передач в сборе

Однако гидротрансформатор — это лишь часть всей системы. Чтобы достичь всех тех параметров, которые имеет механическая коробка передач, необходимо вводить ступени с различными передаточными числами. И чем больше будет этих самых ступеней, тем эффективнее будет использование мощности и крутящего момента двигателя в различных дорожных условиях. Для обеспечения таких условий используются планетарные передачи.

Примечание
Рисунки 5.21 и 5.22 наглядно демонстрируют сложность устройства автоматической коробки передач.

5.3.9 Основные режимы работы АКП

Практически любая автоматическая коробка передач имеет следующие режимы, ставшие так сказать стандартными с конца 1950-х годов:

5.3.9.a Park

Р (англ. «Park») — парковочная блокировка (ведущие колеса заблокированы, блокируются непосредственно валы внутри коробки передач, это никоим образом не связано со стояночным тормозом);

5.3.9.b Reverse

R (англ. «Reverse») — задний ход (запрещается включать данный режим до полной остановки автомобиля, на современных АКП существует блокировка);

5.3.9.c Neutral

N (англ. «Neutral») — нейтральный режим (необходим для полного разъединения двигателя и ведущих колес в случае кратковременной стоянки или буксировки на небольшое расстояние);

5.3.9.d Drive

D (англ. «Drive») — движение вперёд (движение с автоматическим переключением передач от первой к последней, в зависимости от дорожной обстановки).

5.3.9.e «Kick down»

Примечание
Режим работы «kick down» — режим ускорения. Никоим образом его нельзя включить с помощью селектора переключения режимов работы АКП. Включается лишь при резком продавливании педали акселератора почти до упора, при этом электроника переключается на одну или сразу несколько передач «вниз» (на понижение), чтобы получить максимальное ускорение автомобиля, например при обгоне.

5.3.9.f «Low»

L (англ. «Low») — пониженная передача, «тихий ход» (для движения в сложных дорожных условиях или при парковке автомобиля).

Иногда на АКП применяются дополнительные режимы работы. Так, если имеется режим, отмеченный цифрой «2», это значит, что коробка передач будет работать только в пределах первой и второй передач, то есть «не выше второй». А если дополнительно есть положение «1», значит коробка передач будет работать «не выше первой передачи».

Рисунок 5.23 Пример селектора выбора режимов работы АКП.

5.3.10 Tiptronic: автоматическое переключение и контроль над автомобилем

Изначально идея принадлежала компании Porsche. Инженеры и конструкторы задумались над тем, а что если водителю автомобиля с АКП дать возможность выбирать передачи самостоятельно. Проделав небольшие операционные и конструкторские доработки, получили очень интересный режим работы АКП: вроде и передачи переключает сам водитель, но педали сцепления нет, а вот ощущение полного контроля над автомобилем есть.

Подхватив столь интересное решение, все автопроизводители начали монтировать на автомобили АКП Tiptronic. Некоторые пошли дальше — управление в «ручном режиме» перевели на подрулевые лепестки, сроднив тем самым обычные дорожные легковые автомобили со спортивными болидами.

Примечание
Характерной внешней особенностью АКП с Tiptronic является дополнительное положение селектора переключения, который может перемещаться вперед/назад или вправо/влево и наличие значков «+» и «-» на панели селектора, которые означают переключение передач «вверх» и «вниз» соответственно.

Рисунок 5.24 Пример селектора выбора режимов работы АКП с системой Tiptronic.

5.3.11 Вариатор - описание

В случае автоматической коробки передач, описанной выше, передачи хоть и включаются автоматически, но они все же переключаются в заданном диапазоне. А что если диапазон сей сохранить, а от передач избавиться (не в прямом смысле слова) — сделать плавное изменение передаточного отношения от самой низкой до самой высокой передачи. На помощь пришел вариатор. Самое большое распространение получил фрикционный клиноременной, а в настоящее время — цепной вариатор (пример которого представлен на рисунке 5.25).

Рисунок 5.25 Пример устройства вариаторной автоматической коробки.

Вариатор представляет собой очень простой механизм, потому, собственно, и начал в последние годы приобретать все большую популярность среди автопроизводителей.

Состоит этот механизм из двух шкивов и натянутого между ними ремня (цепи). Особенностью данных шкивов является то, что каждый из них состоит из двух половинок (в плане похожих на усеченные конусы), которые могут раздвигаться и сдвигаться (как показано на рисунке 5.26). Один из шкивов — ведущий (подсоединен через муфту к коленчатому валу двигателя), второй – ведомый (передает далее тягу на колеса).

5.3.12 Вариатор - принцип работы

Во время начала движения, когда к ведущим колесам необходимо подвести максимальный крутящий момент, половинки ведущего шкива максимально разведены, а ведомого шкива – установлены с минимальным зазором (верхняя часть рисунка 5.26). В данном случае ремень как бы проваливается между двумя половинками ведущего шкива. Таким образом, фактический рабочий диаметр ремня на ведущем шкиве минимален, а на ведомом шкиве максимален, чем достигается самое высокое передаточное отношение и, соответственно, самый высокий крутящий момент. По мере набора скорости части ведущего шкива понемногу сдвигаются, а части ведомого шкива раздвигаются. Передаточное отношение плавно изменяется (нижняя часть рисунка 5.26).

Примечание
В вариаторах диапазон передаточных чисел ограничен лишь размерами шкивов.

Рисунок 5.26 Принцип работы вариатора.

Одним из основных недостатков такого типа трансмиссии являлся небольшой ресурс клинового ремня, находящегося между шкивами. С развитием технологий, клиновой ремень заменили на цепь (пример цепи на рисунке 5.27) или, в отдельных случаях, на составной металлический ремень.

Рисунок 5.27 Цепь, применяемая в современных вариаторах.

5.3.13 Режим ручного управления вариатором

В современных автомобилях при использовании вариатора стали применять так называемые виртуальные передачи. Под рулем устанавливают лепестки для переключения этих передач вверх и вниз, а на селекторе есть отдельные положения, обозначенные, как и в случае с Tiptronic, символами «+» и «–». Виртуальными передачи называют потому, что как раз самих передач здесь и нет, а есть только несколько (в зависимости от воображения производителя) фиксированных положений ведомого и ведущего шкивов вариатора.

Интересно знать
К управлению автомобилем с вариатором необходимо привыкнуть, так как из-за отсутствия передач электроника старается поддерживать обороты двигателя в наиболее эффективном диапазоне работы, потому может создаться впечатление, что двигатель «воет» и постоянно перегружен. Однако же и от этого недостатка многие производители умудряются избавиться путем внедрения более совершенных систем управления.

5.3.14 Тороидный вариатор

Тороидный вариатор — это редкость, но тем не менее отличная попытка автопроизводителей избавиться от основного недостатка вариаторов клиноременных – собственно ремня. Тороидный вариатор представляет собой два установленных друг напротив друга конуса с вогнутыми стенками. Между этими конусами установлены и прижаты с очень большим усилием два ротора, которые имеют возможность перемещаться по поверхностям конусов, как показано на рисунке 5.28.

Рисунок 5.28 Принцип работы тороидного вариатора.

Один из конусов — ведущий, второй — ведомый. Вращение от ведущего конуса передается на ведомый через шкивы. В начале движения, когда передаточное отношение должно быть максимальным, шкивы повернуты и установлены так, что у ведущего конуса они находятся максимально близко к вершине, а у ведомого – к основанию. Получается, что фактический диаметр шкива ведущего меньше фактического диаметра шкива ведомого на величину передаточного отношения. Один конус вращается, это вращение через шкив передается на второй конус. Чтобы изменить передаточное отношение, необходимо переместить шкивы в обратную сторону — в сторону увеличения фактического диаметра ведущего шкива.

Примечание
Тороидным вариатор называется в честь фигуры тор, и никоим образом это не связано с древним скандинавским асом, богом грома и молнии — Тором.

5.3.15 Недостатки тороидного вариатора

Одним из недостатков данного типа вариаторов является то, что основные рабочие детали выполнены из металла. А как известно из школьного курса физики, трение металла по металлу имеет очень низкий коэффициент полезного действия. Чтобы это компенсировать, все рабочие детали необходимо изготавливать из высокопрочных материалов и прижимать друг к другу с очень большим усилием. Дополняет данные недостатки еще и дороговизна, причем дороговизна как изготовления, так и обслуживания.

Рисунок 5.29 Внешний вид тороидного вариатора.

5.3.16 Преселективная роботизированная коробка передач

Сейчас все чаще на слуху такие типы коробок передач, как преселективные роботизированные автоматизированные коробки передач. Что это означает? Это значит, что в конструкции есть валы ведущие, с жестко установленными на них шестернями, и есть два ведомых вала со свободно вращающимися шестернями и синхронизаторами. На каждом валу установлены шестерни четных и нечетных передач соответственно, то есть на одном валу включаются только, например, 1-я, 3-я и 5-я передачи, а на втором валу – 2-я, 4-я и 6-я передачи. И каждый из этих двух валов имеет свое сцепление. Все вместе управляется и переключается электроникой и сервомеханизмами.

Прелесть данной конструкции в том, что по факту мы имеем механическую коробку передач со всеми ее преимуществами, но с возможностью переключения передач без разрыва потока мощности от двигателя к колесам.

Примечание
Один из основных недостатков всех механических коробок передач — это разрыв потока мощности, тяги от двигателя к колесам при переключении передач, связанный с необходимостью выключения сцепления.

5.3.17 Работа АКПП

На рисунке 5.30 представлена схема работы преселективной коробки передач. Имеются два сцепления – одно для вала с «четным» рядами передач, второе — для вала с «нечетными» рядами передач. Ведущие валы, в свою очередь, передают вращение на ведомые валы, а те — на один выходящий вал, как показано на схеме.

Примечание
«Четным» или «нечетным» вал называем в зависимости от того, шестерни каких передач включаются на них.

Каким же образом достигается плавность переключения без разрыва потока мощности?

Водитель включил первую передачу, сцепление «нечетного» вала замкнулось и передает тягу от коленчатого вала на ведомый вал и далее — на выходной вал и колеса. При переключении на вторую передачу, «нечетное» сцепление еще не отключается, а «четное» начинает включаться, то есть «четный» вал начинает получать часть тяги от двигателя, в определенный момент «нечетное» сцепление полностью отключается, а «четное» уже во всю передает тягу от двигателя на второй ведомый вал. Передачи переключились, а поток мощности не прерывался.

Рисунок 5.30 Схема преселективной коробки передач.

Таким образом получили отличный способ совместить преимущества механической коробки передач с преимуществами автоматической коробки передач.

Однако не все так радужно на практике, как в теории и на испытательных стендах автопроизводителей. Многим до сих пор не удалось избавиться от толчков во время начала движения автомобиля и увеличить ресурс сцеплений.

Рисунок 5.31 Внешний вид преселективных коробок передач.