Устройство и принцип работы АКПП.

Как вы поняли, речь пойдет об автоматических коробках передач. В целом тема неисчерпаема и заслуживает собрания из нескольких томов. Тем не менее мы хотели бы остановиться на основных аспектах устройства, эксплуатации и ремонта АКПП.

Итак, трансмиссия является сложным связующим звеном между двигателем и ведущими колесами и включает в себя множество элементов и механизмов. Трансмиссия обеспечивает передачу крутящего момента от двигателя к ведущим колесам, а также его изменение по величине и по направлению.

Однако передать мощность и крутящий момент от двигателя к колесам — всего лишь полдела, важно эти показатели при передаче качественно преобразовать. А для чего, попробуем разобраться.

Как мы знаем, частота вращения коленчатого вала двигателя может при работе изменяться в определенном диапазоне. Конечно же, этот диапазон у разных двигателей различный. При этом главными характеристиками двигателя является изменение момента и мощности в зависимости от скорости вращения коленчатого вала. В нашем же случае диапазон изменения скоростей вращения колес простирается от 0 до довольно больших величин. На скорости 150 км/ч в зависимости от диаметра колеса эта величина может быть равной 1400-1500 об./мин. Итак, с одной стороны, колеса со своим диапазоном скоростей, с другой стороны, двигатель со своим, в результате встает довольно сложная задача увязать правую и левую части выражения. При составлении технического задания по разработке в том числе и трансмиссии, конечно же, учитывается гораздо большее количество факторов, так, например, из учета специфики автомобиля и сферы его использования задаются тягово-динамические параметры, которым автомобиль должен соответствовать. И все это с учетом выполнения норм по экономичности, экологичности, а также целесообразности применения тех или иных конструктивных решений.

Итак, перед нами встает необходимость в изменении тягового усилия, скорости и направления вращения ведущих колес в зависимости от внешних условий движения. Каким же образом это выполняется?!

Задача связать двигатель и колеса не из простых, и выполняется она, если так можно выразиться, в несколько этапов.

В зависимости от типа трансмиссии момент силы, передаваемый на колеса, и скорость их вращения изменяются разными способами. Для этого существуют различные варианты исполнения трансмиссий. Трансмиссии могут быть электрическими, механическими, гидромеханическими (комбинированными). Тем не менее способ, при помощи которого осуществляется изменение величины крутящего момента (электрическая трансмиссия не в счет), достаточно прост; изменение момента и скорости осуществляется путем изменения передаточного числа. Как вы уже знаете, для перемены передаточного числа и существуют коробки передач, в которых устанавливается ряд пар шестерен с различными передаточными отношениями. Количество пар шестерен (передач) и их передаточные отношения подбираются таким образом, чтобы обеспечить соответствующие тягово-скоростные характеристики автомобиля.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ АКПП

Автоматическая коробка включает в себя несколько агрегатов, основными являются гидротрансформатор и механическая планетарная коробка передач.

ГИДРОТРАНСФОРМАТОР состоит из двух лопастных машин — центробежного насоса, центростремительной турбины и расположенного между ними направляющего аппарата-реактора. Насос и турбина предельно сближены, а их лопастям придана форма, обеспечивающая непрерывный круг циркуляции рабочей жидкости. НАСОСНОЕ КОЛЕСО жестко связано с коленчатым валом двигателя, а ТУРБИННОЕ — с валом коробки передач. Передача энергии от двигателя к трансмиссии осуществляется потоками рабочей жидкости, которая отбрасывается лопатками насосного колеса на лопасти турбинного колеса. Жесткая связь при этом между двигателем и трансмиссией отсутствует. Это способствует обеспечению работы двигателя и остановке автомобиля с включенной передачей. Наличие такой связи устраняет вероятность того, что заглохнет двигатель, как по неопытности водителя, так и вследствие внезапного возрастания внешнего сопротивления, при котором может произойти полная остановка автомобиля.

Плавность передачи тягового усилия в случае использования гидропередачи повышает проходимость автомобиля при движении по грунтам с плохими сцепными свойствами.

Поскольку гидродинамические передачи не пропускают крутильные колебания от двигателя в трансмиссию, повышается надежность и долговечность элементов трансмиссии, а также силового агрегата в целом. Лопастные колеса гидропередачи (насосное, турбинное, реакторное) практически не изнашиваются.

Собственно по такой схеме работает гидромуфта, которая просто передает крутящий момент, не трансформируя его величину. Чтобы изменять момент, в конструкцию гидротрансформатора введен реактор. Это также колесо с лопатками, однако оно жестко прикреплено к корпусу и не вращается (заметим: до определенного времени). Реактор расположен на пути, по которому масло возвращается из турбины в насос. Лопатки реактора имеют особый профиль, а межлопаточные каналы постепенно сужаются. По этой причине скорость, с которой рабочая жидкость течет по каналам направляющего аппарата, постепенно увеличивается, а сама жидкость выбрасывается из реактора в сторону вращения насосного колеса, как бы подталкивая и подгоняя его. Отсюда сразу два следствия.

Первое — благодаря увеличению скорости циркуляции масла внутри гидротрансформатора при неизменном режиме работы насоса крутящий момент на выходном валу гидротрансформатора увеличивается.

Второе — при неизменном режиме работы насоса режим работы турбины изменяется автоматически и бесступенчато в зависимости от приложенного к валу турбины (читай: колесам автомобиля) сопротивления. Допустим, автомобилю, который двигался по равнинному участку дороги, предстоит подъем в гору. Забудем на время про педаль акселератора и посмотрим, как отреагирует на изменение условий движения гидротрансформатор. Нагрузка на ведущие колеса увеличивается, а автомобиль начинает терять скорость. Это приводит к уменьшению частоты вращения турбины. В свою очередь, уменьшается противодействие движению рабочей жидкости по кругу циркуляции внутри гидротрансформатора. В результате скорость циркуляции возрастает, что автоматически приводит к увеличению крутящего момента на валу турбинного колеса (аналогично переходу на низшую передачу в механических КПП) до тех пор, пока не наступит равновесие между ним и моментом сопротивления движению. По аналогичной схеме работает автоматическая трансмиссия и при старте с места.

Когда автомобиль припаркован, турбинное колесо находится в неподвижном состоянии, однако внутреннее проскальзывание в гидротрансформаторе не мешало двигателю работать на холостом ходу. В этом случае крутящий момент трансформируется в максимально возможное число раз. Зато когда достигнута необходимая скорость, надобность в преобразовании крутящего момента отпадает. Гидротрансформатор посредством автоматически действующей блокировки превращается в звено, практически жестко связывающее ведущий и ведомый валы. Такая блокировка исключает внутренние потери, увеличивает значение КПД передачи, уменьшает расход топлива в установившемся режиме движения, а при замедлении повышает эффективность торможения двигателем. Кстати, одновременно с целью снижения все тех же потерь реактор может освободиться и вращаться вместе с насосным и турбинным колесом.

Зачем же к гидротрансформатору присоединяют КПП, если он сам способен изменять величину крутящего момента в зависимости от нагрузки на ведущие колеса?

АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ 

Особенность гидротрансформатора такова, что он не может изменять крутящий момент, а также скорость вращения выходного вала в широких пределах. Поэтому законно возникает необходимость в механизме, который смог бы изменять момент и частоту вращения в заданных пределах. Для этого и служит коробка передач. Кстати, необходимость в реверсе возникает постоянно, и без механики здесь не обойтись.

Принцип работы и устройство АКПП аналогичны работе механических коробок с шестернями постоянного зацепления. В механической коробке передач шестерни находятся в постоянном зацеплении, при этом ведомые шестерни свободно вращаются на вторичном валу. Включая какую-либо передачу, мы механически блокируем соответствующую шестерню на ведомом валу. Работа автоматической коробки передач построена на таком же принципе. Если говорить упрощенно — около каждой шестерни стоит фрикционный пакет, состоящий из нескольких фрикционных элементов. Этот фрикционный пакет как раз и фиксирует шестерню на валу с помощью сил трения. Только в автоматической коробке вместо косозубых пар шестерен, как правило, применяются планетарные передачи. Как уже говорилось, кроме гидротрансформатора и планетарного механизма в состав КПП-автоматов входит масляный насос, снабжающий гидротрансформатор и гидравлический блок управления рабочей жидкостью. А также радиатор охлаждения рабочей жидкости.

Интересно то, что рабочая температура автоматической коробки может быть сопоставима с температурой двигателя, а иногда может даже превышать ее. Поэтому автомобили с АКПП имеют специальную систему охлаждения, радиатор которой либо встроен в радиатор системы охлаждения двигателя, либо установлен отдельно и охлаждается воздушным потоком. На старых автомобилях с малым объемом двигателя можно встретить коробки, имеющие воздушную систему охлаждения. На корпусе гидротрансформатора имеется дополнительное внешнее оребрение, с помощью которого и организуется более эффективный отвод тепла.

Имея некоторый опыт, определить количество передач можно и на практике, следя за стрелкой тахометра во время разгона автомобиля. Каждое переключение будет сопровождаться некоторым понижением оборотов двигателя. Только при этом надо иметь в виду, что стрелка тахометра таким же образом реагирует и на блокировку гидротрансформатора (правда, падение оборотов в этом случае будет не столь заметным, как во время переключения передач).

Существенное отличие АКПП от обычных механических коробок заключается в том, что передачи в автоматах переключаются практически без разрыва потока мощности с помощью приводимых гидравликой многодисковых фрикционных муфт.

Сильные рывки при переключении передач практически исключены, поскольку их гасит уже упомянутый выше гидротрансформатор.

За выбор передачи отвечает гидравлический и электронный блоки управления АКПП. Водитель кроме нажатия на акселератор может влиять на процесс смены передач, выбрав зимний или спортивный алгоритм переключения или установив, например, при движении в сложных условиях селектор КПП в специальное положение, которое не позволяет автоматике переключаться выше определенной передачи.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АКПП

В автоматических трансмиссиях первого поколения системы управления были целиком гидравлическими. В них формировались сигналы, пропорциональные скорости движения автомобиля (давление скоростного регулятора) и загруженности двигателя (давление клапана-дросселя). В зависимости от соотношения этих двух сигналов в коробке передач и происходили соответствующие переключения. В дальнейшем гидравлику стали использовать только в качестве исполнительной части системы управления. Все остальные функции на современных автомобилях переданы компьютерному блоку управления, который, получая информацию в виде сигналов от многочисленных датчиков, обрабатывает и анализирует ее и принимает решение о переключении передач, обеспечивая при этом и соответствующее качество переключения. Кроме того, электронный блок управления постоянно контролирует исправность системы, записывая в свою память коды неисправностей тех элементов, в которых происходили сбои в процессе работы. Эту способность блока управления называют функцией самодиагностики.

Компьютер управления, включая соответствующий соленоид (клапан, управляемый электромагнитом, формирующий величину управляющего давления), определяет передаточное число на каждой передаче АКПП, при его несоответствии фиксируется ошибка данной передачи (допустим, пробуксовывание фрикционных дисков или разрушение планетарного механизма). Кстати, может анализироваться даже давление, необходимое для включения каждой муфты. Результаты измерения давления включения каждой муфты регистрируются, что позволяет прогнозировать степень износа фрикционных дисков. Это позволяет прогнозировать ресурс работы даже при нормальной работе коробки.

Несмотря на достоинства и недостатки, все типы коробок при правильной эксплуатации и регулярном квалифицированном ТО способны доставить радость владельцам автомобилей своей безотказной работой при пробеге более 200 000 км.

В автомобилях более позднего выпуска в блоках управления стали использовать программируемые запоминающие устройства. Такие устройства позволяют с помощью специальных приборов достаточно оперативно корректировать программы управления, ничего не изменяя в самом блоке управления.

На начальном этапе движения, когда двигатель и трансмиссия еще недостаточно прогреты, необходимо обеспечить их защиту от перегрузок. Для этого в блоке управления имеется специальная программа, в соответствии с которой управление двигателем и трансмиссией осуществляется без обратной связи, то есть без учета фактического состояния двигателя и трансмиссии. В этом случае для принятия решений блок управления использует только данные, записанные в его памяти.

Работа двигателя без обратной связи характеризуется обогащенной смесью, что требует отмены работы системы дожигания отработанных газов и изменения угла опережения зажигания. Для трансмиссии этот режим характеризуется запретом блокировки гидротрансформатора и более поздними по оборотам двигателя переключениями передач.

Виталий КАБЫШЕВ

Компактный четырехступенчатый автомат RENAULT обеспечивает передачу крутящего момента на передние колеса при поперечно расположенном двигателе

Продольный разрез автоматической коробки передач AUDI A8
1-Межколесный дифференциал
2-Насосное колесо
3-Турбинное колесо
4-Гидро-трансформатор
5-Реактор
6-Левая передняя полуось
7-Маслоприемник с фильтром
8-Блок управляющих клапанов
9-Раздаточная коробка
10-Фланец ведомого вала
11-Межосевой дифференциал Torsen

АКПП, устанавливающаяся на автобусы SCANIA
1-Планетарные передачи
2-Гидротрансформатор
3-Фрикционные пакеты
4-Демпфер крутильных колебаний
5-Фланец ведомого вала
6-Масляный фильтр