Как работает гидромеханическая коробка передач?

Гидромеханическая коробка передач. Устройство

Гидромеханическая коробка передач ⭐ состоит из:

• гидротрансформатора;
• механической коробки передач.

На легковых автомобилях наибольшее распространение получили гидромеханические коробки с планетарными механическими коробками. Их преимущества:

• компактность конструкции;
• меньшая металлоемкость и шумность;
• больший срок службы.

К недостаткам относятся:

• сложность;
• высокая стоимость;
• пониженный КПД.

Переключение передач в этих коробках производится при помощи фрикционных муфт и ленточных тормозных механизмов. При этом при включении одной передачи часть фрикционных муфт и ленточных тормозных механизмов пробуксовывает, что также снижает их КПД.

Гидротрансформатор

Гидротрансформатор представляет собой гидравли­ческий механизм, который размещен между двигателем и механической коробкой передач. Он состоит из трех колес с лопатками:

• насосного (ведущего);
• турбинного (ведомого);
• реактора.

Насосное колесо 3 закреплено на маховике 1 двигателя и образует корпус гидротрансформатора, внутри которого размещены тур­бинное колесо 2, соединенное с первичным валом 5 коробки передач и реактор 4, установленный на роликовой муфте 6 свободного хода. Внутренняя полость гидротрансформатора на 3/4 своего объема заполнена специальным маслом малой вязкости.

Рис. Гидротрансформатор:
а – общий вид; б – схема; 1 – маховик; 2 – турбинное колесо; 3 – насосное колесо; 4 – реактор; 5 – вал; 6 – муфта

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 вытеснению жидкости препятствуют специальные уплотнения.

При работающем двигателе насосное, колесо вращается вместе с маховиком двигателя. Масло под действием центробежной силы поступает к наружной части насосного колеса, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение. Из турбинного колеса масло поступает в реактор, который обеспечивает плавный и безударный вход жидкости в насосное колесо и существенное увеличение крутящего момента. Таким образом, масло циркулирует по замкнутому кругу и обеспечивается передача крутящего момента в гидротрансформаторе.

Характерной особенностью гидротрансформатора является увеличение крутящего момента при его передаче от двигателя к первичному валу коробки передач. Наибольшее увеличение крутящего момента на турбинном колесе гидротрансформатора получается при трогании автомобиля с места, при этом коэффициент трансформации может составлять до 2,4. В этом случае реактор неподвижен так как заторможен муфтой свободного хода. По мере разгона автомобиля увеличивается скорость вращения насосного и турбинного колес. При этом муфта свободного хода расклинивается и реактор начинает вращаться с увеличивающейся скоростью, оказывая все меньшее влияние на передаваемый крутящий момент. После достижения реактором максимальной скорости вращения гидротрансформатор перестает изменять крутящий момент и переходит на режим работы гидромуфты. Таким образом, происходит плавный разгон автомобиля и бесступенчатое изменение крутящего момента.

Гидротрансформатор автоматически устанавливает необходимое передаточное число между коленчатым валом двигателя и к ведущими колесами автомобиля, Это обеспечивается следующим образом: с уменьшением скорости вращения ведущих колес автомобиля при возрастании сопротивления движению возрастает динамический напор жидкости от насоса на турбину, что приводит к росту крутящего момента на турбине, следовательно, на ведущих колесах автомобиля.

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 до 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 планетарную коробку передач, которая компенсирует указанные недостатки.

Планетарная коробка передач

Планетарная коробка передач включает в себя планетарные механизмы. В простейшем планетарном механизме солнечная шестерня 6, закрепленная на ведущем валу 1, находится в зацеплении с шестернями-сателлитами 3, свободно установленными на своих осях. Оси сателлитов закреплены на водиле 4, жестко соединенном с ведомым валом 5, а сами сателлиты находятся и зацеплении с коронной шестерней 2, имеющей внутренние зубья.

Рис. Планетарный механизм:
1 – ведущий вал; 2 – коронная шестерня; 3 – сателлиты; 4 – водило; 5 – ведомый вал; 6 – солнечная шестерня; 7 – тормоз

Передача крутящего момента с ведущего вала 1 на ведомый вал 5 возможна только при заторможенной коронной шестерне 2 при помощи ленточного тормоза 7 или многодискового «мокрого» сцепления. В этом случае при вращении шестерни 6 сателлиты 3, перекатываясь по зубьям неподвижной шестерни 2, начнут вращаться вокруг своих осей и одновременно через водило 4 будут вращать ведомый вал 5. При растормаживании шестерни 2 сателлиты 3, свободно перекатываясь по шестерне 6, будут вращать шестерню 2, а вал 5 будет оставаться неподвижным.

В автоматических коробках передач применяются фрикционные муфты сцепления. Фрикционная муфта сцепления со­стоит комплекта покрытых слоем фрикционного материала дисков, прижатых друг к другу через прокладки в виде тонких пластин из гладкого металла.

Рис. Фрикционная муфта сцепления автоматической коробки передач:
1 – канал подачи рабочей жидкости; 2 – поршень; 3 – кожух муфты; а – выключенное состояние; б – включенное состояние

При этом часть фрикционных дисков оснащены внутренними шлицами, часть – наружными. Прижимание дисков друг к другу обеспечивается гидравлическим поршнем 2, для выключения сцепления применяется возвратная пружина. При подаче к поршню давления рабочей жидкости диски плотно прижимаются друг к другу, образуя одно целое. Как только давление снимается, возвратная пружина отводит поршень назад и диски выводятся из зацепления. В качестве возвратных пружин могут использоваться винтовые, диафрагменные и гофрированные дисковые пружины.

Двухступенчатая гидромеханическая коробка передач

В качестве примера гидромеханических передач рассмотрим двухступенчатую гидромеханическую коробку передач. Она состоит из гидротрансформатора 1, механической планетарной коробки передач с многодисковым фрикционом 3 и двумя ленточными тормозными механизмами 2 и 4 и гидравлической системы управлениях кнопочным переключением передач. Кнопки соответственно означают нейтральное положение, задний ход, первую передачу и движение с автоматическим переключением передач. В двухступенчатой механической коробке передач имеются два одинаковых планетарных механизма 5 и 6.

Рис. Гидромеханическая коробка передач:
1 – гидротрансформатор; 2,4 – тормозные механизмы; 3 – фрикцион; 5,6 – планетарные механизмы

В нейтральном положении фрикцион 3, а также тормозные механизмы 2 и 4 выключены. Трогание автомобиля с места происходит при включенной первой передаче. В этом случае масло под давлением поступает в цилиндр тормозного механизма 2, лента которого затягивается, и солнечная шестерня планетарного механизма 6 останавливается.

Если включена кнопка «Движение», то при разгоне автомобиля происходит автоматическое переключение на вторую передачу, что обеспечивается одновременным выключением тормозного механизма 2 и включением фрикциона 3. В этом случае планетарные механизмы 5 и 6 блокируются и вращаются как одно целое.

Для движения автомобиля задним ходом включается только тормозной механизм 4.

В настоящее время автоматические коробки передач имеют электронное управление, что 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).

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

Основными элементами электронной системы управления являются электронный блок и рычаг управления.

АКП с электронным управлением

В качестве примера современной АКП с электронным управлением рассмотрим шестиступенчатую коробку передач 09G японского концерна AISIN.

АКП состоит из гидротрансформатора, механической планетарной коробки передач с многодисковыми фрикционами и многодисковыми тормозными механизмами, гидравлической системы, систем охлаждения и смазки, электрической системы.

Рис. Разрез автоматической шестиступенчатой коробки передач 09G:
К– многодисковые муфты; В – многодисковые тормоза; S – солнечные шестерни; Р – сателлиты; РТ – водило; F – обгонная муфта; 1 – вал турбинного колеса; 2 – ведомая шестерня промежуточной передачи; 3 – жидкостный насос

Планетарные ряды объединены по схеме, разработанной Лепеллетье (Lepelletier). Крутящий момент двигателя подводится к одинарному планетарному ряду. Далее он направляется на сдвоенный планетарный ряд Равиньо (Ravigneaux).

Рис. Двухредукторная планетарная система Лепеллетье:
а – обычный планетарный редуктор; б – планетарный редуктор Равиньо; 1 – вал турбинного колеса; Р1 – сателлит коронной шестерни Н1; Р2 – сателлит солнечной шестерни 2; Р3 – сателлит коронной шестерни 1; S1 ­­– солнечная шестерня 1; S2 — солнечная шестерня 2; S3 — солнечная шестерня 3; Н1 – коронная шестерня 1; Н2 – коронная шестерня 2

Управление одинарным планетарным рядом производится посредством многодисковых муфт K1 и K3 и многодискового тормоза B1. Число сателлитов в планетарных рядах выбирается в зависимости от передаваемого крутящего момента.

Сдвоенный планетарный ряд управляется посредством многодисковой муфты K2, многодискового тормоза B2 и обгонной муфты F. В системе управления муфтами предусмотрены устройства динамической компенсации рабочего давления, которые делают работу муфт независящей от частоты вращения. Муфты K1, K2 и K3 служат для подвода крутящего момента к планетарным рядам, а с помощью тормозов B1 и B2, а также обгонной муфты обеспечивается передача реактивных моментов на картер коробки передач.

Давление в рабочих цилиндрах муфт и тормозов изменяется посредством регулирующих клапанов.

Обгонная муфта F представляет собою механизм, который работает параллельно с тормозом.

Гидромеханический автомат

С появлением роботизированных коробок передач с двумя сцеплениями начало казаться, что дни гидромеханической АКПП сочтены — более простые, дешевые и эффективные «роботы» должны были вытеснить классический автомат. Но время шло, а автоматы никуда не исчезали – напротив, за последние годы они стали гораздо совершеннее.

Основа гидромеханического автомата (впрочем, слегка пошатнувшаяся в последнее время, о чем чуть ниже) – это гидротрансформатор. Аналогично сцеплению в механической трансмиссии роль гидротрансформатора – передача крутящего момента от двигателя к коробке передач с возможностью проскальзывания, дабы автомобиль мог плавно тронуться с места. Однако на этом сходство с фрикционным сцеплением заканчивается – внутри гидротрансформатор устроен совсем иначе.

Принцип его работы легко проиллюстрировать на следующем примере. Представим два вентилятора, установленные друг напротив друга. Если мы включаем один из них, то создаваемый им воздушный поток приводит в движения и второй вентилятор. Эта же идея реализована в гидротрансформаторе. В нем есть насосное колесо, вращаемое двигателем и создающее поток масла, и турбинное, связанное с валом коробки и воспринимающее давление потока. Разница с вентиляторами лишь в том, что насосное колесо осуществляет забор масла не с обратной стороны, а с передней центральной части, то есть является центробежным насосом. Отброшенное им вперед по внешнему контуру масло попадает на лопатки турбинного колеса, перенаправляется к центру и возвращается обратно. То есть циркуляция жидкости происходит фактически в замкнутом объеме между двух колес, что позволяет максимально их сблизить, уменьшив рассеяние потока и увеличив эффективность передачи крутящего момента.

Но самые интересные свойства гидротрансформатора связаны с наличием третьего колеса – реактора. Служит оно для воздействия на возвращающийся к насосному колесу поток и, соответственно, располагается в середине гидротрансформатора. Закреплено оно неподвижно, а потому попадающий на его лопатки поток создает направленную в обратную сторону силу реакции, которая дополнительно подкручивает турбинное колесо. Получается, что гидротрансформатор увеличивает крутящий момент на выходе! И чем больше разница в скорости вращения турбинного и насосного колеса, тем больше эта сила реакции потока, и тем значительнее увеличивается момент – в пределе он может умножаться в три раза. То, что нужно для уверенного старта с места, когда двигатель работает на оборотах холостого хода, а вал трансмиссии неподвижен.

Эти свойства гидротрансформатора – увеличивать крутящий момент и допускать долгое проскальзывание – вообще говоря, позволяют и вовсе обойтись без коробки передач. Например, BMW 750i 1986-го модельного года спокойно трогался с третьей передачи и на ней же достигал 250 км/ч! Но, конечно, такое под силу лишь избранным, да и то ценой ухудшения динамики и расхода топлива. Всем же остальным обойтись без механизма переключения трудновато.

В гидромеханическом автомате для изменения передаточного числа используются планетарные передачи. Это принципиально отличает его от механической трансмиссии с параллельными валами. В чем же преимущества такой конструкции? С планетарной передачей проще организовать автоматическую смену скоростей – для этого нужно лишь замыкать между собой отдельные её шестерни. Гораздо компактнее и сама передача – теоретически эта сборка из всего лишь пяти шестерен позволяет реализовать пять скоростей: 4 передних и 1 заднюю. И хотя на практике, вследствие конструктивных ограничений, приходится применять большее количество планетарный рядов, тем не менее, этот узел все равно остается очень небольшим.

Как он работает? В планетарной передаче есть три элемента: первый – центральная солнечная шестерня; второй — вращающиеся вокруг неё сателлиты – шестерни, чьи оси жестко связаны друг с другом; и третий — большое эпициклическое зубчатое колесо, обхватывающее сателлиты. Соответственно, процесс переключения здесь осуществляется установлением жесткой связи между двумя элементами из этой тройки или их блокировкой на корпус. Например, жесткое соединение солнечной шестерни и осей сателлитов дает прямую передачу – эпицикл уже не может проворовываться относительно них, и вся планетарная передача вращается как единое целое. Если же затормозить на корпус коробки оси сателлитов, то солнечная и эпициклическая шестерни начнут вращаться в разные сторону – получаем заднюю передач. И так далее.

Все эти торможения и блокировки осуществляются с помощью фрикционов и тормозных лент, а управляет ими сложная гидросистема, включающая в себя множество каналов, клапанов, гидроаккумуляторов и, конечно, насос, создающий давление масла. Эта гидравлика первоначально и реализовывала всю управляющую логику, причем опираясь всего на два параметра: нагрузку на двигатель и скорость автомобиля.

С распространением электроники в конце 80-ых годов автомат стал точнее оценивать условия движения. Например, он уже не будет нагружать слишком ранними переключениями еще непрогретый двигатель, а при смене передач учтет температуру собственного масла, то есть сделает поправку на его вязкость. Это особенно важно для обеспечения плавности переключения. Дело в том, что избежать провалов тяги позволяет так называемое перекрытие передач: включение следующей скорости, еще до выключения текущей передачи. Такой процесс требует точности: слишком малое перекрытие ведет к провалу тяги, а слишком большое – и вовсе резко затормозит автомобиль. Разумеется, электроника тут позволяет гораздо аккуратнее выдерживать необходимые моменты переключений. Увеличивает она и ресурс трансмиссии, корректируя работу в зависимости от степени износа. Но главное – она помогает улучшить экономичность.

Изначально гидромеханический автомат – далеко не самый эффективный способ передачи крутящего момента. Основные потери в нем связаны с гидротрансформатором – даже в установившемся режиме движения насосное и турбинное колесо проскальзывают относительно друг друга.Тратится энергия и на удерживание фрикционов и тормозных лент – масленый насос поддерживает давление в десятки атмосфер. В результате КПД автомата не превышает 85%, в то время как КПД механической коробки близок к 98%!

Чтобы улучшить этот показатель стали применять блокировку гидротрансформатора – на повышенной передаче, при достижении определенной скорости, встроенный фрикцион, похожий на обычное сцепление, жестко связывает турбинное и насосное колесо. Кстати, этот момент легко отследить по тахометру – обороты мотора слегка падают, будто включилась еще одна передача. В таком режиме КПД уже поднимается до 94%.

С развитием электронного управления блокировка гидротрансформатора стала производиться на всех передачах – фрикцион разжат лишь в момент старта и переключения скорости. При этом, правда, иногда страдает плавность переключений. Как показывает опыт наших замеров, многие современные автоматы уступают в этом плане старым моделям. Особенно это заметно на 6-ступенчатых моделях ZF – на их графике продольного ускорения отчетливо видно, как за одним провалом тяги в момент переключения следует второй рывок, вызванный уже блокировкой гидротрансформатора.

Некоторые пошли еще дальше. Инженеры Mercedes и вовсе отказались от гидротрансформатора – вместо него они стали применять сцепление. Правда, не сухое, как в механических трансмиссиях, а мокрое, выдерживающее более длительную пробуксовку. Замыкается оно в момент старта, и, соответственно, все переключения передач происходят при наличии жесткой связи коробки с двигателем. Это существенно поднимает требования к синхронизации процессов включения-выключения скоростей, но КПД возрастает до 97%, то есть сравнивается с показателями роботизированных механических коробок. Постоянное жесткое соединение с валом мотора означает и более линейные отклики на педаль газа, что востребовано в мощных спортивных моделях AMG.

Последняя же тенденция, которую уже нельзя не заметить – это рост числа передач. В середине прошлого десятилетия, когда появились 7-скоростные «роботы» с двумя сцеплениями, гидромеханический автомат явно отставал – 6-ступенчатые модели только начинали появляться. Но затем быстро последовали семи-, восьми скоростные, на подходе уже и 10-скоростные коробки. Разумеется, столь сложные агрегаты уже не отличаются надежностью и ресурсом – детали приходится сильно уменьшать в размерах, но зато по экономичности и разгонной динамике они обыгрывают механическую трансмиссию. Уступая последним в КПД, многоскоростные автоматы позволяют точнее удерживать мотор в оптимальном диапазоне оборотов, что и определяет, в конечном счете, динамические свойства автомобиля.

Многоступенчатость позволяет без ущерба для плавности ускорить и процесс смены передач, ведь перепад оборотов двигателя становится меньше. Впрочем, и раньше у автоматов не было проблем с быстродействием: например, 4-скоростная коробка ZF, устанавливаемая на BMW конца 80-ых годов, перещелкивала передачи за 0,3 с – среди протестированных нами автомобилей подобным быстродействием обладал только «робот» Porsche 911! Обычные же преселективные трансмиссии работают примерно в два раза медленнее.

Таким образом, у современного автомата практически нет слабых мест. Сохранив свои главные качества – плавность переключений и способность долгое время работать в режиме пробуксовки при движении на малых скоростях, он стал гораздо эффективнее и интеллектуальнее. Правда, пока все эти достижения доступны лишь на дорогих автомобилях – сложные, многоступенчатые автоматы, разумеется, и стоят немало, а потому сегмент недорогих моделей все-таки постепенно переходит на роботизированные коробки – в условиях борьбы за экономичность старые 4-, 5-скоростные автоматы уступают позиции. Но это лишь локальное поражение – в будущем гидромеханических коробок сомневаться не приходится.

Гидромеханическая коробка передач

Автомобильная трансмиссия пережила уже больше века эволюционного развития. В последние десятилетия гидромеханическая коробка передач, не требующая от шофера ручного переключения ступеней трансмиссии, стала весьма популярным вариантом компоновки автомобиля и все чаще устанавливается на транспортные средства различных ценовых сегментов.

Гидромеханическая коробка передач: принцип работы и устройство

Классическая конструкция автомобиля подразумевает наличие в нем двух обязательных блоков:

• коробка переключения передач;
• сцепление.

Такое описание подходит для знакомой автомобилистам уже много десятилетий механической коробки. Но со временем, по мере развития технологий, стали появляться другие вариации узла КПП, обеспечивающие человеку за рулем больший комфорт передвижения.

Трансмиссия – один из базовых узлов автомобиля. Благодаря ей обеспечивается передача крутящего момента с двигателя машины на колеса. В автомобильном деле много лет безраздельно господствовала механическая КПП, предусматривающая в своем конструктиве описанные выше блоки. Водитель должен был выполнить три последовательных операции:

• отключить мотор авто от трансмиссии на момент переключения (выжать сцепление);
• дать команду на смену крутящего момента путем перемещения рычага КПП в нужное
• положение;
• отжать сцепление, вернув двигателю связь с колесами.

Но ситуация изменилась, инженеры создали КПП, где педали сцепления нет. Процесс управления автомобилем для человека в таком случае значительно упрощается: ЭБУ осуществляет переход на нужную передачу сам. Управление производится селектором коробки, педалями тормоза и газа.

Трогаясь с места, водитель выжимает тормоз, перемещает селектор в положение D (Drive), отпускает тормоз, и начинает движение. На 1 передачу, 2 и далее АКПП переходит сама, в зависимости от скорости авто, положения педали газа, оборотов двигателя и других факторов, контроль которых осуществляется множеством датчиков.

Этот процесс обеспечивается применением нескольких технологий, гидромеханическая КПП среди которых – самая известная, «обкатанная» в производстве и надежная. В ней смена передач на фрикционах производится посредством циркуляции под давлением трансмиссионного масла по коробке.

Современная гидромеханическая трансмиссия – это сложное устройство, состоящее из следующих основных компонентов:

• гидротрансформатор;
• ЭБУ – электронный «мозг» коробки, и управляющие механизмы;
• фрикционные элементы;
• создающий давление масла насос;
• пружины и каналы гидромеханической системы;
• механическая коробка.

Последнее – не опечатка, в основе АКПП действительно лежит «механика», конструктивно дополненная блоками автоматического переключения с гидротрансформатором – отсюда и название узла. Типичная гидромеханическая КПП в разрезе:

История коробки-автомата началась в первой четверти 20 века: тогда концерн Ford начал внедрять первые образцы «гидромеханики» в свою продукцию. В СССР АКПП массового распространения среди конечного потребителя не получила, хотя, например, в конце 50-х годов завод ЛАЗ в сотрудничестве с НАМИ разработал и внедрил гидромеханическую трансмиссию в автобусы серии ЛАЗ-695Ж. Позднее ее использовали и в модели ЛиАЗ-677, было выпущено около 200 тыс. автобусов на АКПП.

Гидромеханика ЛАЗ в разрезе:

В современном же автомобилестроении «автомат» встречается очень часто, даже в бюджетных моделях машин.

Про гидротрансформатор

Сердце рассматриваемого типа коробки – узел, называемый гидротрансформатором. Его устройство можно увидеть на схеме:

Узел расположен между механической частью КПП и двигателем, и выполняет функции сцепления. Применение гидротрансформатора позволяет, помимо удобства водителя, дать транспортному средству плавность трогания с места и остановки, и обеспечить движение без рывков. Это прямым образом влияет на долговечность двигателя, поскольку значительно снижаются неизбежные при эксплуатации авто на «механике» динамические нагрузки.

Конструктивно данный узел составлен из дисков с лопастями, соединенных друг с другом:

• турбинное лопастное колесо, связанное жестко с валом коробки;
• колесо реактора (статор), усиливающее момент кручения;
• насосное лопастное колесо, связывающее мотор и узел гидротрансформатора.

Интересно: весь дисковый блок объединен одним кожухом, на три четверти погруженным в трансмиссионное масло, представляющее собой основную рабочую среду АКПП.

Насосное колесо вращается синхронно с маховиком, на аналогичной скорости. Когда происходит вращение, трансмиссионное масло поступает на турбинное колесо, передавая последнему усилие вращения. Далее масло идет на колесо реактора, перемещающее жидкость обратно к исходному насосному колесу. Благодаря процессу циркуляции рабочего тела под напором происходит передача момента вращения на колеса.

Интересно: блок автоматически определяет требуемое передаточное число и передает на АКПП усилие, а коробка уже включает фрикционами нужную передачу.

Помимо легкового транспорта, гидротрансформаторы используются в тяжелой технике: некоторых моделях маневровых тепловозов и локомотивов, дизельных тракторов, тягачей, подъемных кранов. Подобным устройством приводились в движение гребные винты буксира «Маршал Блюхер». Оснащенные гидродинамической трансмиссией автомобили «Чайка», «Волга», «ЗИЛ» также снабжались гидротрансформаторами.

Существуют разновидности гидромеханической автоматической трансмиссии:

• вальная;
• планетарная.

Как работает вальная КПП

Вальные «автоматы» довольно широко применяются в производстве автобусов, большегрузных ТС. Слово «вальная» относится к механической коробке в составе АКПП. «Механический» узел бывает в данном случае:

• многовальным;
• двухвальным;
• трехвальным.

Для смены передач задействуются погруженные в специальное масло многодисковые муфты, а задний ход, первая ступень трансмиссии в некоторых случаях включаются зубчатой муфтой. Устройство таких АКПП позволяет переключать скорости фрикционами за счет работы коленвала, при этом не происходит потерь мощности и просадки момента вращения.

Классическая схема – двухвальная, с первичным (ведущим), вторичным (ведомым) валами, несущими шестеренки. В трехвальной схеме имеется также вал промежуточный, где расположена соединенная с главной передачей шестерня.

Вальные модели нашли ограниченное применение в легковых авто: в частности, ими оснащены многие автомобили Honda и ряд моделей концерна Mercedes. Использование подобных КПП связано с определенными техническими затруднениями: на задне приводных машинах к коробке передач применяется требование соосности, и вальная АКПП должна иметь на шестернях не менее двух зацеплений на передачу. А это снижает КПД.

Еще один недостаток – высокие дисковые потери, если число передач у транспортного средства больше трех. В вальной коробке в таком случае много выключенных сцеплений, что ведет к указанным потерям. Кроме того, валы достаточно велики по длине, что делает коробку габаритной и уменьшает свободное пространство в салоне, а также увеличивает шумность и снижает надежность. Частично это решено внедрением трехвальных коробок, с более короткими, жесткими и надежными валами.

Как работает планетарная КПП

Для гидромеханических трансмиссий производители стараются применять планетарный механизм:

В общем случае устройство и принцип работы гидромеханической коробки передач, созданной на базе планетарной системы можно описать так:

• усилие передается на главную, или солнечную, шестерню (центральную, под номером 6);
• вспомогательные сателлиты (обозначены цифрой 3) беспрепятственно вращаются по оси и
• постоянно сцеплены зубчиками с центральной;
• на этих сателлитах смонтировано водило (номер 4), сообщающееся с валом (номер 5);
• вспомогательные элементы также сцеплены с коронной шестерней, обозначенной на рисунке цифрой 2.

Водило, когда коронная шестеренка неподвижна, передает усилие на вал ведомый, когда она расторможена, то через сателлиты усилие идет на шестеренку номер 2. Сам вал остается недвижим. Непосредственно переключение происходит посредством ленточных механизмов и пакетов фрикционных муфт.

Плюсы и минусы гидромеханики

Резюмируя сказанное, можно сделать вывод: гидромеханическая АКПП – это узел, состоящий из гидротрансформатора, модуля механической коробки передач (в большинстве случаев планетарной), оснащенной пакетом фрикционов, системы гидравлического управления и контролирующего электронного блока.

Из плюсов такой связки:

• удобство водителя: не нужно менять скорости вручную;
• передача мощности от двигателя идет без «просадок» и рывков, что особенно важно при трогании.

Но есть и очевидные недостатки. Один из них – относительно малый, по сравнению с механикой, КПД, что обусловлено наличием гидротрансформатора.

Важно: в процессе циркуляции рабочего тела часть эффективности теряется: по данным исследований, КПД механической коробки около 98%, аналогичный показатель у «автомата» находится в пределах 86-90%.

Кроме того, есть и другие минусы:

• высокая сложность узла, обилие компонентов, как следствие – относительно меньшая надежность (хотя гидромеханические КПП могут при должном уходе «ходить» десятилетиями, что успешно показывают японские, корейские и немецкие авто);
• более высокая стоимость коробки, удорожающая и оснащенный ею автомобиль;
• расход топлива в автомобиле с такой коробкой несколько выше;
• малая ремонтопригодность, в сравнении с «механикой»; для успешного ремонта необходимо иметь сложное оборудование и обладать специальными знаниями.

Но плюсы гидромеханического переключения передачи все же перевешивают его недостатки, особенно для начинающих водителей, не обладающих достаточным опытом. Кроме того, в городском ритме движения, с постоянными пробками, гидромеханическая АКПП экономит и силы, и нервы водителя, которому не приходится производить бесконечные манипуляции «сцепление-передача» и двигаться на 1 скорости с полувыжатым сцеплением.

Как работает гидромеханическая коробка передач

История создания гидромеханической коробки передач может быть использована для иллюстрации титанических усилий автопроизводителей, постаравшихся сделать комфорт автомобиля, оснащенного автоматической КПП, одним из основных преимуществ.

В первой половине прошлого века, даже после получения легковым автомобилем мягкой пневматической резины, более или менее рациональной компоновки и распределения массы машины, езда, особенно в городских условиях, по-настоящему «выматывала душу». Что лучше всего чувствуют пассажиры – это рывки и дерганье автомобиля из-за резкой смены крутящего момента на колесах.

На полки истории был отправлен не один десяток всевозможных приспособлений, делающих момент переключения передачи менее болезненным, пока в 50-х годах прошлого века не появился гидротрансформатор, лежащий в основе принципа работы гидромеханической коробки передач. По-настоящему новая конструкция коробки передач начала массово применяться в 60-е на дорогих и тяжелых лимузинах и машинах представительского класса.

Помимо дискомфорта для пассажиров, скачкообразное изменение вращающего момента разрушает узлы и детали трансмиссии. Для тяжелых магистральных грузовиков можно использовать повышенное число передач, позволяющих сглаживать перегрузки трансмиссии. Но для легковых автомобилей гидромеханическая коробка передач была реальным способом улучшить условия управления.

С внедрением гидромеханической передачи автомобиль получил неоспоримые преимущества:

• появилась возможность трогаться с места настолько плавно, что момент начала движения можно было просто не уловить визуально;
• при движении и маневрировании на малых скоростях, сопоставимых со скоростью движения пешехода, управление машиной осуществляется легко и точно, что практически невозможно при механической КПП из-за ее очень длинной первой передачи;
• ударные колебания и крутящие нагрузки практически не оказывают негативного воздействия на элементы трансмиссии.
• для водителя комфорт управления машиной увеличился как минимум вдвое.

Наряду с гидромеханическими автоматами в легковом автомобильном сегменте прочно закрепились автоматические трансмиссии с вариаторами и роботизированная «механика», практически не уступающая в удобстве и комфорте первым двум, но значительно экономичнее и дешевле. Но до сих пор гидромеханическая коробка передач остается основой для самых надежных и совершенных «автоматов».

Конструктивно автоматическая трансмиссия на основе гидромеханической коробки передач очень сильно отличается от устройства механической КПП, сложнее ее и значительно дороже, поэтому она более уязвима к нарушениям в обслуживании и использовании.

Устройство гидромеханической автоматической коробки передач

Принцип работы гидромеханической коробки передач основан на способности гидротрансформатора выступать в качестве немеханического преобразователя-регулятора крутящего момента двигателя.

Первая и основная особенность гидромеханического автомата – это отсутствие механизма включения-выключения сцепления . Практически всем водителям нравится управление без использования педали сцепления. Если учесть, что при движении в городской черте водителю с ручной механической коробкой приходится выжимать педаль не менее ста раз в течение часа, избавление от подобной нагрузки не прошло незамеченным. Поэтому для современного городского автомобиля автоматическая коробка передач становится фактически признанным стандартом, для дизельных двигателей – особенно.

В устройстве гидромеханической коробки выделяют три основных узла – гидротрансформатор, блок управления и планетарный механизм переключения передач.

Сердце гидромеханической коробки передач

Гидротрансформатор коробки работает по схеме: «насос – гидравлическая турбина» и обеспечивает посредством динамического давления масла на лопатки турбины передачу вращающего момента на вал коробки переключения передач. Задача насоса или насосного колеса мало чем отличается от аналогичного, используемого в центробежных насосах: под действием центробежных сил придать потоку масла больший динамический напор. Раскрученное маховиком коленвала колесо выбрасывает под определенным углом мощный масляный поток на периферийную часть наружной части обода турбины – на лопатки турбинного колеса. Под напором масла турбина преобразует энергию масла во вращение.

В конструкции гидротрансформатора коробки передач предусмотрено еще одно колесо с лопатками. Между двумя основными колесами установлен очень важный элемент – специальный спрямляющий аппарат, именуемый реактором, или статором. Он выполнен в виде кольца с профилированными лопатками, направляющими поток жидкости, выходящий из гидравлической турбины, на вход насосного колеса.

Вначале, когда автомобиль только начинает движение, и педаль тормоза еще не отпущена, реактор полностью заблокирован. Отпускаем педаль, и турбина гидромеханической части коробки передач начинает работать. При достижении скорости вращения турбины в 80% от скорости насосного колеса реактор выводится из работы обгонной муфтой. Благодаря кратковременному и плавному увеличению момента вращения, скорость вращения турбинного колеса и связанных с ним всех элементов трансмиссии происходит тоже плавно. С применением реактора вращающий момент на выходном валу гидротрансформатора в момент старта или разгона автомобиля увеличивается примерно до двух с половиной раз.

Система управления переключением передач

Малый диапазон возможного изменения момента и скорости вращения вынудил проектировщиков дополнить гидротрансформатор механической коробкой переключения передач. В гидромеханической коробке-автомате для легкового транспорта используют несколько редукторов планетарной передачи, включаемых в работу с помощью фрикционных муфт. Включение фрикциона осуществляется сжатием пакета фрикционных накладок с помощью гидравлического поршня особой конструкции.

Насос, запитывающий гидравлику привода, обычно устанавливается в непосредственной близости от гидротрансформатора. Для управления гидравлическими клапанами и золотниками системы в современных авто применяют электромагнитные соленоиды, управляемые электроникой. Для компенсации ударных контактных нагрузок применяют обгонные муфты, что добавляет плавности при вхождении в зацепление шестерен коробки.

Перспективы использования гидромеханической коробки передач

Очень серьезным аргументом автоматов с гидромеханическим «бубликом» является относительно отработанная и совершенная конструкция устройства. Большой ресурс, тщательно подобранные гидравлические жидкости и сплавы для валов и зубчатых передач. При надлежащем уходе и аккуратном использовании гидромеханическая коробка передач служит значительно дольше новомодных конкурентов в виде вариаторов, роботизированных или преселективных коробок DSG.

Многие специалисты считают, что за гидромеханической коробкой передач останется значительный сегмент легкового автотранспорта – внедорожники и автомобили повышенной проходимости.

Косвенным подтверждением того факта, что коробка передач на основе гидромеханической схемы еще длительное время будет интенсивно применяться в широком спектре моделей легковых автомобилей, являются последние разработки законодателей автомобильной моды – немецких автопроизводителей. Известной в Германии фирмой ZF практически для всех топовых моделей BMW, AUDI и MERCEDES уже сейчас запущена в пробную эксплуатацию гидромеханическая коробка-автомат с 7-ю ступенями и рекордными характеристиками включения. Кроме того, концерн MERCEDES-BENZ выпустил свой вариант гидромеханической коробки передач с 7-ю ступенями под названием 7G-Tronic.

Причина такой популярности достаточно проста и очевидна. Ведь кроме надежности, гидромеханическая коробка позволяет уверенно работать с двигателями большой мощности и с рабочим объемом более трех литров. Гидромеханическая коробка уйдет в небытие не раньше самого двигателя внутреннего сгорания.

На видео показано строение гидромеханической коробки-автомат:

Устройство и принцип работы гидромеханической коробки передач

Гидромеханическая коробка передач (ГМП) — это трансмиссия высокой проходимости с автоматическим управлением. ГМП поддерживает необходимую скорость автомобиля в разных режимах движения, упрощая процесс вождения. Подобные коробки используют в легковых автомобилях, грузовиках, автобусах, в тяжёлой технике мощностью до 1000 л. с. Гидромеханические коробки передач производят компании ZF, Borg Warner, Aisin, Mercedes-Benz, Voith, Honda, Allison, Caterpillar, Komatsu, БелАЗ и др.

1. Роль АКПП с гидромеханическим управлением
2. Функции гидротрансформатора
3. Конструкция гидромеханики
4. Как работает вальная кпп
5. Как работает планетарная кпп
6. Электронная часть гидромеханической акпп
7. Сильные и слабые стороны гидромеханики
8. Перспективы использования гидромеханической коробки передач
9. Заключение

Роль АКПП с гидромеханическим управлением

Что будет, если двигатель соединить напрямую с колёсами: машина лениво начнёт движение и поедет с максимальной скоростью 20 км/ч. По законам физики сила, которую должны преодолеть колёса равна F=ma+F_тр , где m — масса автомобиля, F_тр — сила трения с поверхностью земли. Двигатель достигнет максимальной мощности при оборотах 5000 — 6000 об/мин, но в таком режиме работы ресурс агрегата быстро иссякнет.

Чтобы мгновенно стартовать после нажатия педали газа, и защитить двигатель от перегрузки, в машине установлена трансмиссия. Она также способна изменять крутящий момент, ускоряя или замедляя автомобиль. Этот узел трансмиссии называется коробка переключения передач — КПП.

По типу переключения скоростей различают механические и автоматические КПП:

• механикой полностью управляет водитель, выжимая педаль сцепления и переводя рычаг для изменения скорости;
• в автоматах работает гидромеханическая передача с минимальным участием водителя.

Гидромеханическое управление облегчает и упрощает работу водителя, снимая часть «обязанностей». Плавность и бесшумность АКПП повышает комфорт вождения при трогании и разгоне. Также ГМП защищает двигатель и коробку от динамических нагрузок, которые может создать водитель, постоянно «выжимая» газ.

Основные элементы гидромеханической коробки передач:

• гидротрансформатор;
• масляный насос;
• коробка передач;
• система управления.

Функции гидротрансформатора

Гидромеханическая коробка передач работает за счёт движения жидкости, которую качает масляный насос. Главный «потребитель» масла — гидротрансформатор (ГДТ). ГДТ преобразует и передаёт крутящий момент от коленчатого вала в трансмиссию через работу жидкости.

Конструктивно ГДТ представляет собой набор лопастных колёс, «запертых» в герметичной камере в форме бублика:

• насосное колесо приварено к чаше корпуса и соединено с коленвалом;
• турбина через ступицу насажена на вал трансмиссии, и механически не связана с насосным колесом;
• реакторное колесо установлено между турбиной и насосом. Предназначено для усиления крутящего момента.

Гидромеханическая коробка передач начинает работать с запуском двигателя: включается масляный насос и насосное колесо. На лопасти колеса попадает жидкость и раскручивается вокруг оси ГДТ. Под действием центробежной силы масло отбрасывается на лопасти турбины, проходит через реактор и возвращается к насосному колесу. Под давлением потока лопатки турбины начинают вращаться, передавая крутящий момент по валу в коробку передач.

Чем выше обороты двигателя, тем быстрее вращаются колёса ГДТ, а крутящий момент снижается. Без реактора «бублик» работал бы только в режиме гидромуфты, передавая вращение без трансформирования. В момент, когда скорости насоса и турбины выравниваются, реактор начинает свободно вращаться, усиливая давление жидкости, попадающей на лопасти насоса.

Большая часть энергии двигателя уходит на перемещение и нагрев масла в ГДТ. В результате снижается общий КПД, и растёт расход топлива. Для устранения этого недостатка в «бублик» устанавливают муфту блокировки с фрикционной накладкой. При включении муфты двигатель и трансмиссия жёстко сцепляются, и передача момента происходит без потерь.

Передаточное число гидротрансформатора достигает максимально 2,5 — 3, что не достаточно для устойчивой работы двигателя в разных режимах движения машины. Нет возможности включить задний ход, поскольку колёса ГДТ вращаются только в одном направлении. Для компенсации этих недостатков гидромеханическая коробка передач оснащена дополнительным узлом.

Конструкция гидромеханики

В ГМП применяют простые ступенчатые или планетарные механизмы с электронным управлением. Принцип работы гидромеханической коробки передач в обоих вариантах заключается в изменении скорости вращения выходного вала за счёт различных передаточных чисел зубчатых передач.

Как работает вальная кпп

Устройство гидромеханической коробки передач вального типа похоже на механическую КПП. Преобразование крутящего момента происходит ступенчато через включение и отключение зубчатых передач, расположенных на параллельных валах. Количество и размер шестерённых пар соответствует определённому передаточному числу.

Первичный, входной вал, получает крутящий момент от гидротрансформатора. Через пару постоянно сцепленных шестерней мощность передаётся на вторичный вал, а затем на колёса. Для получения прямой передачи, в конструкцию добавляют промежуточный вал, а первичный и вторичный валы располагают на одной оси.

Для расширения диапазона скоростей применяются многовальные конструкции с 4 и более валами. Работа коробки при этом усложняется, увеличиваются габариты и масса. Подобные ГМП встречаются на грузовиках-тягачах.

Зубчатыми передачами управляют фрикционные многодисковые муфты. Муфта становится тормозом, когда соединяется с корпусом ГМП. Для включения блокировки масляный насос подает гидравлическое давление на фрикционы. Благодаря фрикционам скорость переключается плавно, а использование гидропривода ускоряет торможение.

Гидромеханические коробки передач вального типа плохо справляются с растущей тягой от повышения грузоподъёмности транспорта, с ужесточением требований по топливной экономичности. Рост параметров значительно увеличивает массу и габариты конструкции. По этим причинам вальные КПП заменяют на планетарные передачи.

Как работает планетарная кпп

Инженеры предпочитают устанавливать в гидромеханическую КПП планетарный механизм вместо ступенчатой конструкции по следующим причинам:

• компактные размеры;
• плавная и быстра работа;
• нет разрыва в передаче мощности при переключении передач;
• большое количество передаточных чисел за счёт использования многорядных конструкций.

Простая планетарная передача состоит из центральных шестерней: с внутренними зубьями — короны, с внешними зубьями — солнца. Между ними обкатываются зубчатые колёса сателлиты, оси которых закреплены на раме-водиле. В зависимости от конструкции водило соединено с выходным валом или коронной шестерней.

Устройство планетарной коробки определяет её принцип действия. Чтобы изменить крутящий момент гидротрансформатора, один из элементов планетарной передачи вращают, а другой элемент затормаживают. Третий элемент становится ведомым, а его скорость определяется числом зубьев всех шестерней.

Для получения прямой передачи водило и солнечную шестерню жёстко соединяют. Корона не может проворачиваться относительно закреплённой системы, поэтому механизм вращается как единый узел. Передаточное число в этом случае равно 1.

Чтобы получить задний ход, центральные шестерни вращают в одну сторону. Для этого останавливают сателлиты, блокируя водило.

В качестве тормозов планетарной коробки передач используют тормозные ленты или фрикционные диски. Блокировочные элементы работают в автоматическом режиме по сигналу электроники.

Электронная часть гидромеханической акпп

В гидромеханическом автомате отсутствует сцепление, поэтому каждая ступень коробки снабжена элементом переключения. Работу элементов контролирует электронный блок ЭБУ, связанный с блоком управления двигателем. Во время переключения передач автоматически регулируется частота вращения мотора, что помогает достичь оптимальных рабочих характеристик агрегата.

Система электронного управления гидромеханической коробки передач разбита на подсистемы:

• измерительную — для сбора параметров с датчиков давления, температуры и т.д.;
• функциональную — для управления маслонасосом, регуляторами давления и т.д.;
• управляющую — для выдачи сигнальных импульсов.

Для автоматизации управления помимо ЭБУ в систему входят электроклапаны, датчики, усилители, регуляторы, корректирующие элементы и т.д. Электроклапаны — соленоиды, расположены в гидроблоке, и по сигналу ЭБУ открывают канал гидроплиты для прохода жидкости к фрикционам, гидротрансформатору и другим узлам.

В зависимости от положения селектора ЭБУ действует по программному алгоритму, заложенному в память:

• при плавном разгоне дроссельная заслонка двигателя открывается медленно. Компьютер отслеживает степень открытия заслонки и посылает импульсы узлам гидромеханической коробки передач для увеличения скорости. При достижении первой передачи (20 км/ч), коробка переходит на вторую скорость. Такой режим движения называется «экономичным»;
• при агрессивном разгоне ЭБУ работает в «спортивном» режиме. Каждая последующая передача включаются после того, как двигатель максимально раскрутится. Если водитель отпустит педаль газа, обороты упадут не сразу. В этом режиме мотор развивает максимальную мощность, увеличивается расход топлива и снижается ресурс АКПП.