Автоматические трансмиссии

1. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ТРАНСМИССИИ

Переключение передач на первых автомобилях было довольно трудным  делом и требовало определенного  навыка. Поэтому уже тогда появлялись конструкции автоматических трансмиссий. Некоторые изобретатели пытались автоматизировать механические коробки передач, создавая хитроумные устройства, копирующие действия водителя при переключении передач, другие создавали бесступенчатые трансмиссии, используя различные устройства (в основном фрикционные), которые могут плавно изменять крутящий момент.

Все такие конструкции, как правило, были сложными, ненадежными и малоэффективными, потому, что в те времена не существовало соответствующих технологий и надежных систем управления. По мере развития конструкций механических коробок передач, сцеплений, появления синхронизаторов, процесс управления механической коробкой упростился и теперь для переключения передач не требуется большого опыта. В то же время, рост интенсивности движения, особенно на улицах больших городов приводит к тому, что многие водители предпочитают автоматические трансмиссии, избавляющие их от постоянного управления сцеплением и коробкой передач.

Автоматические трансмиссии, позволяющие  водителю управлять режимом движения с помощью только двух педалей: «газа» и тормоза, могут иметь коробку передач или не иметь ее. Ко второму типу относятся гидро объемные и электрические трансмиссии, которые позволяют в определенном диапазоне получить любое передаточное число.

В гидрообъемной трансмиссии гидравлический насос, приводимый в действие от двигателя внутреннего сгорания, соединяется трубопроводами с гидродвигателями, которые приводят в действие ведущие колеса автомобиля. Гидростатический напор жидкости, создаваемый насосом, преобразуются в крутящий момент на валах гидродвигателей. Гидрообъемные трансмиссии не получили широкого распространения на автомобилях из-за низкого КПД и высокой стоимости, но довольно часто используются в дорожно-строительных машинах.

В электрических трансмиссиях ведущие колеса автомобиля приводятся в действие электродвигателями, к которым от генератора подается электрический ток. Электродвигатель с редуктором может располагаться непосредственно внутри колеса. Такая конструкция носит название мотор-колеса

Электрические трансмиссии в ближайшем будущем получат широкое распространение при переходе к альтернативным источникам энергии.

В автоматических трансмиссиях с коробками передач используются ступенчатые(автоматизированные), бесступенчатые (вариаторы) и комбинированные (гидромеханические) коробки передач.

 

 

 

2. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА

Гидромеханическая передача (ГМП) успешно применяется на автомобилях уже более полувека и дает возможность заметно облегчить управление автомобилем.

Применение гидромеханической передачи на автомобиле позволяет получить следующие преимущества:

1. Обеспечение автоматизации переключения передач и отсутствие необходимости иметь педаль сцепления.

2. Повышение проходимости автомобиля в условиях бездорожья за счет отсутствия разрыва потока мощности при переключении передач.

3. Повышение долговечности двигателя и агрегатов трансмиссии за счет способности гидротрансформатора снижать динамические нагрузки.

В то же время как недостаток необходимо отметить потерю мощности и повышение расхода топлива за счет более низкого КПД ГМП по сравнению с автомобилем, имеющим механическую коробку передач.

Гидромеханическая передача включает в себя три основные части:

— гидротрансформатор;

— механическую коробку передач;

— систему управления.

На автомобилях ГМП впервые  появилась в США: в 1940 г. коробка  Hydramatic была установлена на автомобилях Oldsmobile. Справедливости ради необходимо отметить, что еще с начала 1930-х гг. на английских автобусах использовалась гидромеханическая трансмиссия Wilson, которая не была автоматической, но облегчала работу водителя.

В настоящее время в США ГМП снабжаются 90 % легковых автомобилей, а также все городские автобусы и значительная часть грузовых автомобилей. В Европе массовое применение ГМП началось только в начале семидесятых годов прошлого века, когда эти передачи нашли применение в автомобилях Mercedes-Benz, Opel, BMW. В это же время в Европе строятся специализированные заводы по производству ГМП: фирма Borg-Warner строит завод в Англии (г. Летифорд), Ford — в г. Бордо (Франция), GM — в Страсбурге (Франция). В Японии появляются сразу два специализированных производства — Jatco и Aisin-Warner.

Гидротрансформатор был изобретен  немецким профессором Феттингером в 1905 г. Прежде чем найти применение на автомобилях, гидротрансформатор

использовался на судах и тепловозах. Простейший гидротрансформатор, выполнен в виде камеры тороидальной формы и включает в себя три лопастных колеса: насосное, вал которого соединен с коленчатым валом двигателя; турбинное, соединенное с трансмиссией, и реактор, установленный в корпусе гидротрансформатора.

Гидротрансформатор заполняется  специальной жидкостью. Каждое колесо имеет наружный и внутренний торцы, между которыми располагаются профилированные лопасти, образующие каналы для протока жидкости. Все колеса гидротрансформатора максимально приближены друг к другу, а вытеканию жидкости препятствует специальное уплотнение.

При вращении коленчатого вала двигателя вращается насосное колесо, которое перемещает жидкость, находящуюся между его лопастями. Жидкость не только вращается относительно оси гидротрансформатора, но и за счет воздействия на нее центробежных сил перемещается вдоль лопастей насосного колеса по направлению от входа к выходу, что сопровождается увеличением кинетической энергии потока. На выходе из насосного колеса поток жидкости попадает на турбинное колесо, оказывая силовое воздействие на его лопасти. Затем поток попадает в реактор, пройдя который, возвращается к входу в насосное колесо. Таким образом, жидкость постоянно перемещается по замкнутому кругу циркуляции, образованному проточными частями всех трех лопастных колес, и находится с ними в силовом взаимодействии. При этом насос передает энергию двигателя потоку, а тот, в свою очередь, — турбине.

Если бы между насосным и турбинным  колесами отсутствовал реактор, то такая  конструкция (гидромуфта) осуществляла бы перенос энергии от двигателя к трансмиссии гидравлическим способом, без возможности изменения крутящего момента. Расположенный между колесами гидротрансформатора неподвижный реактор, имеет лопасти специального профиля, которые изменяют направление потока жидкости, выходящей из турбинного колеса и направляют его под определенным углом на лопасти насосного колеса. Это позволяет значительно увеличить передаваемый от двигателя в трансмиссию крутящий момент.

Любой гидротрансформатор характеризуется  определенным КПД, передаточным отношением, которое показывает соотношение угловых скоростей его колес, и коэффициентом трансформации, показывающим, во сколько раз увеличивается значение крутящего момента. Максимальный коэффициент трансформации зависит от конструкции гидротрансформатора и может составлять до 2,4 (при неподвижном турбинном колесе). При увеличении частоты вращения вала двигателя увеличивается угловая скорость насосного и турбинного колес, а увеличение крутящего момента в гидротрансформаторе плавно уменьшается. Когда угловая скорость турбинного колеса приближается к угловой скорости насосного, поток жидкости, поступающей на лопасти реактора, изменяет свое направление на противоположное.

Для того чтобы реактор на этом режиме не создавал помех потоку жидкости, его устанавливают на муфте свободного хода, и он начинает свободно вращаться (гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты), что позволяет, в свою очередь, снизить потери. Такие гидротрансформаторы называют комплексными. КПД гидротрансформатора определяет экономичность его работы. Максимальное значение КПД гидротрансформатора может быть от 0,85 до 0,97, но обычно находится в диапазоне от 0,7 до 0,8. В комплексном гидротрансформаторе на режиме гидромуфты можно получить максимальное значение КПД — 0,97.

Изменение режимов работы гидротрансформатора  происходит автоматически. Если увеличивать нагрузку на выходе из гидротрансформатора, то происходит уменьшение угловой скорости турбины, что приводит к увеличению коэффициента трансформации. К сожалению, гидротрансформатор имеет малый диапазон передаточных чисел, не обеспечивает движения задним ходом, не разобщает двигатель от трансмиссии (необходима сложная система опорожнения проточных частей от рабочей жидкости). Поэтому за гидротрансформатором устанавливают специальную коробку передач, которая компенсирует   указанные недостатки. Такая гидромеханическая передача является бесступенчатой и позволяет получить любое передаточное число в заданном диапазоне.

В гидромеханических передачах  в основном применяются механические планетарные коробки передач, которые легко поддаются автоматизации, но иногда используют и обычные ступенчатые коробки передач с автоматическим управлением.

Простая планетарная передача состоит из центральной, «солнечной», шестерни и наружной шестерни в виде кольца, с внутренними зубьями; эти две шестерни связаны между собой посредством нескольких (обычно трех) шестерен-сателлитов, смонтированных на общей раме, которая называется водилом.

Для того чтобы планетарная передача изменяла крутящий момент, нужно обеспечить вращение одного из ее элементов («солнечной », коронной шестерни или водила), а один из элементов затормозить. В этом случае третий элемент будет вращаться с угловой скоростью, определяемой числом зубьев шестерен, входящих в планетарную передачу. Если одновременно затормозить два элемента, планетарная передача будет работать, как прямая с передаточным числом равным единице. Планетарная передача позволяет легко реверсировать вращение для получения заднего хода автомобиля. В то же время такие передачи достаточно компактны, обеспечивают возможность получения больших передаточных чисел и легко соединяются последовательно для получения большого числа ступеней. Для переключения передач достаточно просто затормаживать валы отдельных элементов планетарной коробки передач. Раньше в качестве тормозных устройств часто использовали ленточные тормоза, а в последнее время они практически вытеснены многодисковыми «мокрыми» сцеплениями — фрикционами. Существуют и более сложные варианты планетарных передач.

Первые американские ГМП легковых автомобилей имели двухступенчатую передачу, причем низшая передача включалась вручную. Однако впоследствии одной автоматической передачи оказалось явно недостаточно и появились ГМП с двумя и тремя автоматическими передачами. Для повышения топливной экономичности, гидротрансформаторы стали делать блокирующимися — после разгона на высшей передаче насосное и турбинное колеса жестко соединялись фрикционной муфтой. Затем в конце 1980-х гг. блокировку гидротрансформатора стали применять на всех передачах, кроме первой.

Система автоматического управления обычно состоит из следующих подсистем:

— функционирования (гидравлические насосы, регуляторы давления);

— измерительная, собирающая информацию о параметрах управления;

— управляющая, вырабатывающая управляющие сигналы;

— исполнительная, осуществляющая управление переключением передач, работой двигателя;

— подсистема ручного управления;

— подсистема автоматических защит, предотвращающая возникновение  опасных ситуаций.

Конец 80-х гг. ознаменовался повсеместным внедрением электроники. Она позволяет гораздо точнее выдерживать заданные моменты переключения (с точностью до 1 % вместо прежних 6 - 8 %). Появились дополнительные возможности: по характеру изменения скорости при данной нагрузке на двигатель компьютер может вычислить массу автомобиля и ввести соответствующие поправки в алгоритм переключения. Электронное управление предоставило неограниченные возможности для самодиагностики, что позволило корректировать процессы управления в зависимости от многих параметров (от температуры и вязкости жидкости до степени износа фрикционных элементов).

Однако, как и прежде, многое зависит  от выбора закона переключения и организации переходного процесса переключения передач, а также тщательного согласования их с характеристиками двигателя. Например, многие автомобили BMW, Audi, Jaguar имеют одинаковые по конструктивным особенностям автоматические коробки передач одной и той же фирмы Zanradfabrik (ZF), но они работают совершенно по-разному.

С сентября 2003 г. на автомобили Mercedes-Benz класса Е, S, SL и CL устанавливаются гидромеханические коробки передач 7G-Tronik (рис.1).

Рис1. Основные элементы электронной системы управления: 1 — блок управления;

2 — соединительный кабель; 3 —  рычаг управления; 4 — электрический  разъем;5 — ГМП

Эта семиступенчатая автоматическая коробка передач пришла на смену пятиступенчатому варианту ГМП. Новая ГМП позволила снизить расход топлива в среднем на 5 % в зависимости от модели автомобиля. Переключение передач происходит быстрее и более плавно.

Переключение передач осуществляется тремя многодисковыми тормозами, на которые оказывают воздействие гидравлические цилиндры. Давление в системе управления создает гидронасос с приводом от двигателя через насосное колесо гидротрансформатора. В нижнюю часть коробки устанавливается гидравлическое исполнительное золотниковое устройство, которое с помощью электромагнитных клапанов и по команде блока управления соединяет гидронасос с гидравлическими элементами сцепления и тормозов.

Основными элементами электронной  системы управления являются электронный  блок и рычаг управления. В правом секторе рычаг может занимать четыре позиции:

Р — режим парковки;

R — задний ход;

N — нейтральная передача;

D — движение в режиме автоматического  переключения передач.

При положении рычага в позиции D программа обеспечивает различные  алгоритмы переключения в соответствии с сопротивлением движения, нагрузкой, положением педали «газа», дорожной ситуацией.

Алгоритмы управления соответствуют  движению в различных условиях:

— движение с постоянной высокой  скоростью;

— городской режим движения;

— горный режим движения;

— режим буксировки;

— движение на поворотах.

При перемещении рычага влево водитель переводит коробку передач в  режим ручного переключения. Движением рычага вперед-назад — включение повышающей-понижающей передачи.

Такое переключение передач принято  называть секвентальным последовательным). Электронный блок управления является адаптивным, он запоминает манеру вождения водителя и корректирует алгоритмы автоматического переключения передач.

 

 

3. КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ С ВАРИАТОРАМИ

Коробки передач с вариаторами  являются бесступенчатыми и дают возможность получить в заданном ограниченном диапазоне любое передаточное число. Во многих странах такие коробки передач обозначают буквами CVT (Continuously Variable Transmission) — постоянно изменяющаяся трансмиссия. История использования вариаторов различных типов в трансмиссиях легковых автомобилей насчитывает почти сто лет. В настоящее время в автоматических коробках передач применяют клиноременные и тороидные вариаторы.