Гідромеханічні коробки передач. Принципи роботи, схеми.

Схема устройства гидротрансформатора

Масло в гидротрансформаторе двигается по такой вот замысловатой траектории. Чтобы увеличить скорость и повысить крутящий момент на турбинном колесе, реактор блокируется. Правда, при этом КПД передачи несколько снижается.

1 – корпус; 2 и 3 – турбинное и насосное колесо; 4 и 19 – большой и малый масляные насосы; 5, 13 и 17 – первичный и вторичный промежуточные валы; 6, 10, 12, 14, 15, 16, 18 – шестерни; 7, 9 – фрикционы; 8 – корпус фрикционов; 11 – зубчатая муфта; 20 – колесо-реактор

Рисунок 6.3 – Схема гидропередачи для легкового автомобиля

а – схема передачи; б – характеристика комплексного гидротрансформатора с двухступенчатым реактором, в – характеристика гидромеханической передачи

Рисунок 6.4 – Гидромеханическая передача автобуса

Понятие автоматической трансмиссии.

    Для понимания сути автоматической трансмиссии сравним её с простой механической трансмиссией. Рассмотрим вкратце главные компоненты автоматической трансмиссии и функции, которые они выполняют ( рис. 1)  

Рис.1. Главные компоненты автоматической трансмиссии: 1) Гидротрансформатор (ГТ) – соответствует сцеплению в механической трансмиссии , но не требует непосредственного управления со стороны водителя. 2) Планетарный ряд - соответствует блоку шестерен в механической коробке передач и служит для изменения передаточного отношения в автоматической трансмиссии при переключении передач. 3) Тормозная лента, передний фрикцион, задний фрикцион – компоненты, посредством которых осуществляется переключение передач. 4) Устройство управления – осуществляет контроль за переключением передач в трансмиссии со встроенной электронной системой управления. Автоматическая трансмиссия переключает передачи самостоятельно в зависимости от скорости автомобиля и обеспечивает водителю приятные и комфортные условия для вождения автомобиля. От водителя лишь требуется вручную выбрать направление движения машины: вперёд или назад.

Гидротрансформатор.

    Общее устройство и принцип действия. Гидротрансформатор (ГТ) (или torque converter в зарубежных источниках) служит для передачи крутящего момента непосредственно от двигателя к элементам автоматической коробки передач (АКП) и состоит из следующих основных частей (рис. 2): - насосное колесо или насос (pump); - плита блокировки ГТ (lock - up piston); - турбинное колесо или турбина (turbine); - статор (stator); - обгонная муфта (one - way clutch).

Рис. 2. Общее устройство гидротрансформатора

   Для иллюстрации принципа действия ГТ 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 ГТ, то в нём в качестве вентилятора, включённого в сеть (насоса), выступает крыльчатка насосного колеса.

Рис. 3. Пример с вентиляторами

   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 ГТ, вращаясь, создаёт поток, только уже не воздуха, а жидкости (масла). Поток масла, как и в случае с вентилятором - турбиной, заставляет вращаться турбинное колесо ГТ. В данном случае ГТ 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 - ни будь 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.

   В ГТ в процесс преобразования крутящего момента помимо насосного и турбинного колёс включён статор, который изменяет направление потока жидкости. Подобно воздуху, вращавшему лопатки вентилятора - турбины, 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.   Турбина всегда имеет скорость вращения меньшую, чем насос. Это соотношение скоростей вращения турбины и насоса максимально при неподвижном автомобиле и уменьшается с увеличением его скорости. Поскольку статор связан с ГТ через обгонную муфту, которая может вращаться только в одном направлении, то, благодаря особой форме лопаток статора и турбины поток масла направляется на обратную сторону лопаток статора (рис. 4), благодаря чему статор заклинивается и остаётся неподвижным, передавая на вход насоса максимальное количество остаточной энергии масла, сохранившееся после вращения им турбины. Такой режим работы ГТ обеспечивает максимальную передачу им крутящего момента. Например, при трогании с места ГТ увеличивает крутящий момент почти в три раза.

   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 (см. рис. 5). 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.

Планетарные ряды

   1) Необходимость планетарных рядов. 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. 3) Структура и теория планетарного ряда. Планетарный ряд (planetary gear, см. рис. 7) 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. Что же это за условия?

О тормозах и фрикционах.

  Рассмотрим механизмы, посредством которых осуществляется блокировка различных элементов планетарного ряда в АКП и, следовательно, включение (выключение) различных передач. Этими механизмами являются тормоза и фрикционы.    Тормоз - это механизм, посредством которого осуществляется блокировка элементов планетарного ряда на неподвижный корпус АКП.    Фрикцион - это механизм, посредством которого подвижные элементы планетарного ряда блокируются между собой. 1) 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.

Принцип действия тормозной ленты.

   Один конец тормозной ленты крепится неподвижно на корпусе АКП, другой - к поршню сервопривода. Когда масло подаётся в полость включения сервопривода (рис.13), поршень сервопривода, передвигаясь под давлением масла (по рисунку влево), 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.

Принцип действия фрикционов.

   Пакет фрикционов состоит из частей, показанных на рис. 14. 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.

  3) 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 (рис.16).

Принцип действия.

   Когда внутреннее кольцо вращается по часовой стрелке, оно проскальзывает через кулачок (см. рис. 16). Когда же внутреннее кольцо пытается вращаться против часовой стрелки, оно поднимает кулачок и он, заклиниваясь, не даёт кольцу возможности

Осуществление автоматического переключения передач в АКП.

Изменение передаточного числа планетарного ряда, то есть переключение передач, осуществляется путём блокирования и разблокирования различных элементов планетарного ряда с помощью тормозных лент и фрикционов. В зависимости от условий вождения, заданных водителем путём выбора определённого положения ручного клапана, клапаны переключения передач приводят в действие тормоза и фрикционы, которые блокируют (разблокируют) необходимые для включения (выключения) конкретной передачи элементы планетарного ряда АКП ( рис. 25) 1. Маховик двигателя. 2. Гидротрансформатор 3. Передний фрикцион. 4. Тормозная лента. 5. Задний фрикцион. 6. Соединительный элемент. 7. Эпицикл. 8. Водило (переднее). 9. Сателлит. 10. Тормоза заднего хода и пониженной передачи. 11. Водило (заднее). 12. Обгонная муфта. 13. Выходная шестерня. 14. Шестерня холостого хода. 15. Парковочная шестерня. 16. Масляный насос.