Гидродинамические коробки передач

Гидродинамические коробки передач

 

В настоящее время водителю автомобиля приходится ре­шать гораздо более сложные задачи, чем не­сколько лет назад. Плотный транспортный поток, ограничения скорости, строительные работы и пробки вынуждают водителя часто переключать передачи. Автоматические коробки передач, оснащенные износостойким пусковым механиз­мом и автоматической программой переключе­ния, могут помочь преодолеть трудности, возни­кающие при вождении автомобиля.

 

 

 

Как свидетельствует само название, эти ко­робки передач работают автоматически, то есть самостоятельно. По сравнению с механическими коробками передач они имеют три важных преи­мущества:

  • Водителю не нужно ни переключать переда­чи, ни выключать и включать сцепление, благо­даря чему он может целиком сконцентрироваться на происходящем на дороге;
  • Коробка передач самостоятельно выбирает требуемое передаточное отношение без вмеша­тельства водителя, тем самым обеспечивая не­обходимое усилие привода на ведущих колесах;
  • Передаточное отношение изменяется прак­тически бесступенчато благодаря гидротранс­форматору крутящего момента.

Недостатки:

  • Более высокая масса;
  • Более значительные потери на трение;
  • Более высокая цена.

Автоматические коробки передач могут быть:

  • Полностью автоматическими;
  • Полуавтоматическими.

 

Полностью автоматические коробки передач

 

Полностью автоматические коробки передач — далее называемые просто автоматическими ко­робками передач — могут иметь до девяти передач переднего хода и одну передачу заднего хода. Ниже описываются только принцип действия, а также конструктивные признаки, типичные для всех со­временных автоматических коробок передач.

 

Автоматические коробки передач в основном разделяются на три основные группы:

  • С гидравлической передачей усилия (гидро­динамический трансформатор крутящего момен­та);
  • С механической планетарной передачей и разным количеством ступеней;
  • С автоматикой переключения передач и ги­дравлической — частично также электронной — си­стемой управления коробкой передач.

 

Гидравлическая передача усилия

 

Коробки передач с гидравлической передачей крутящего момента могут быть двух видов:

  • Гидростатические;
  • Гидродинамические.

В гидростатических коробках передач пере­дача крутящего момента осуществляется за счет усилия (высокое давление, однако мало движе­ния рабочей жидкости).

 

Примеры аналогичных механизмов

 

Гидравлический тормоз: высокое давление в системе при торможении в сочетании со слабым движением жидкости.

Рулевое управление с сервоприводом: высо­кое давление (выше 100 бар) в сочетании со сла­бым течением жидкости.

В гидродинамических коробках передач пере­дача крутящего момента осуществляется за счет движения (течения) рабочей жидкости только при низком давлении.

В автоматических коробках передач автомо­билей используется только гидродинамический принцип передачи крутящего момента.

 

Само название происходит из древнегреческо­го языка:

  • hydro — вода, жидкость,
  • dynamis движимая сила.

 

По конструкции различаются:

  • Гидродинамические муфты;
  • Гидродинамические трансформаторы крутя­щего момента.

 

Гидродинамическая муфта

 

Гидродинамические трансформаторы представля­ют собой гидродинамические передачи, которые плавно преобразуют получаемую механическую мощность в частоту вращения и крутящий момент.

 

Самой простой формой являются гидродина­мические муфты (рис. 1 «Принципиальная схема гидродинамической муфты с насосным колесом«). Так как они не могут поддерживать внешний крутящий момент, они преобразуют только частоту вращения.

 

Принципиальная схема гидродинамической муфты с насосным колесом

 

Основные узлы гидродинамические муфты:

  • Насосное колесо (привод);
  • Турбинное колесо (отбор мощности);
  • Рабочая среда (масло).

 

При установке на автомобили насос и турбина объединяются в одном корпусе. Они состоят из двух расположенных друг напротив друга лопаст­ных колес (рис. 2 «Насос и турбина объединены в одном корпусе«).

 

Насос и турбина объединены в одном корпусе

 

Приводящееся извне лопастное насосное ко­лесо ускоряет масло по принципу центрифуги. С наружного края насосного колеса масло пере­дается с высокой энергией на турбинное коле­со. Там оно отдает значительную часть энергии и снова попадает в лопасти насосного колеса. Энергия, переданная с насосного на турбинное колесо, пытается привести турбинное колесо во вращение.

Если переданная энергия выше, чем сопро­тивление на стороне отбора мощности, турбинное колесо начинает вращаться — сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Автомобиль трога­ется с места и постепенно разгоняется.

 

При сбрасывании газа оба лопастных колеса начинают действовать в обратном направлении. Турбинное колесо вращается за счет поступа­тельного движения автомобиля и, тем самым, действует как насос. Поток масла попадает на медленно вращающееся насосное колесо и пы­тается заставить его вращаться быстрее. Однако, так как насосное колесо связано с двигателем, происходит торможение.

Внезапная остановка двигателя невозможна, так как на холостом ходу двигатель отдает боль­ше мощности, чем может забрать сцепление или гидротрансформатор.

 

Недостатком гидродинамической муфты явля­ется системно обусловленное проскальзывание между насосным (привод) и турбинным (отбор мощности) колесами.

Чтобы обеспечить максимально возможный КПД, лопасти должны быть сконструированы та­ким образом, чтобы оптимальное соотношение частоты вращения насосного и турбинного колес — 0,98, достигалось как можно быстрее. Такое соот­ношение соответствует примерно КПД 98%.

 

Полное отсутствие проскальзывания невоз­можно, так как при одинаковом действии цен­тробежных сил масло не может течь от насоса к турбине, что препятствует передаче мощности.

Так как при трогании с места — турбинное ко­лесо неподвижно — гидродинамическая муфта не вызывает увеличения крутящего момента, она не используется в современных автоматических ко­робках передач.

 

Гидродинамический трансформатор крутящего момента

 

Гидродинамический трансформатор крутящего момента, основанный на системе Trilok, включает в себя три лопастных колеса:

  • Насосное колесо, жестко соединенное с кор­пусом;
  • Турбинное колесо, жестко соединенное с пер­вичным валом коробки передач;
  • Направляющее колесо, называемое также ре­актором, с муфтой свободного хода.

 

Принцип действия и конструкция гидродина­мического трансформатора крутящего момента (трансформатор Trilok) в основном идентичны гидродинамической муфте (рис. 3 «Гидротрансформатор крутящего момента, состоящий из насоса, направляющего колеса и турбины«).

 

Гидротрансформатор крутящего момента, состоящий из насоса, направляющего колеса и турбины

 

В гидродинамической муфте вытекающее из турбины масло движется против направления вращения насоса. В гидротрансформаторе TriTok направление те­чения изменяется с помощью направляющего ко­леса, установленного между насосом и турбиной и способного во время работы изменять частоту своего вращения от максимальных значений до полной остановки.

Направляющее колесо оснащено муфтой сво­бодного хода, основная задача которой состоит в том, чтобы жестко блокировать до полной оста­новки вращение направляющего колеса до тех пор, пока поток масла, проходящий через направ­ляющее колесо, не отклонится.

 

В результате отклонения потока масла на направляющем колесе возникает крутящий момент, который воздействует также на тур­бинное колесо. Это означает, что в зоне преоб­разования крутящий момент насосного колеса и крутящий момент направляющего колеса суммируются и преобразуются в крутящий мо­мент отбора мощности на турбинном колесе. Соответственно, развиваемый двигателем кру­тящий момент, передающийся на трансмиссию, увеличивается.

Максимальное увеличение крутящего момен­та достигается при трогании автомобиля с места, когда насосное колесо вращается, а турбинное стоит неподвижно. Поток масла отклоняется мак­симально (рис. 4).

 

 

При увеличении частоты вращения турбинного колеса угол отклонения потока масла становится менее выраженным. Крутящий момент реактора уменьшается, а вместе с ним и крутящий момент, отданный турбинным колесом на трансмиссию (рис. 5).

 

 

При соотношении частоты вращения прим. 1:0,88 между насосным и турбинным коле­сами поток масла перестает отклоняться на­правляющим колесом. Масло попадает только на заднюю сторону лопастей направляющего колеса.

Начиная с этого момента (так называемый момент перехода на режим гидромуфты) направ­ляющее колесо вращается вместе с насосным и турбинным колесами. Увеличение крутящего мо­мента равно 0. Гидротрансформатор крутящего момента работает, как обычная гидродинамиче­ская муфта (рис. 6).

 

 

В зависимости от нагрузки на двигатель и ско­рости движения различаются три рабочих диапа­зона (зоны действия) гидротрансформатора:

  • Зона действия гидротрансформатора, в ко­торой происходит увеличение крутящего мо­мента. Она начинается с момента трогания автомобиля с места и заканчивается в момент перехода на режим гидромуфты;
  • Зона перехода на режим гидромуфты, в ко­торой гидротрансформатор работает без на­правляющего колеса как обычная гидродина­мическая муфта;
  • Зона торможения.

 

Зона действия гидротрансформатора

 

Максимальный крутящий момент (примерно в два раза выше, чем крутящий момент колен­чатого вала двигателя), передается от турбин­ного колеса через первичный вал на подклю­ченную механическую планетарную передачу, если автомобиль и, соответственно, турбинное колесо стоят неподвижно, в то время как дви­гатель с полной мощностью вращает насосное колесо.

При этом двигатель замедляется до опреде­ленной частоты вращения коленчатого вала. Эта частота вращения обозначается как частота вра­щения при торможении до полной остановки (англ.: stall speed).

 

Когда автомобиль трогается с места, часто­та вращения турбинного колеса начинает уве­личиваться в той же пропорции, что и скорость движения, и постепенно приближается к частоте вращения коленчатого вала двигателя, которая увеличивается в меньшей степени. По мере уве­личения частоты вращения турбинного колеса уменьшается крутящий момент.

Наконец, когда частота вращения турбинного колеса достигает прим. 85% от частоты вращения насосного колеса, крутящий момент перестает увеличиваться. Действие направляющего колеса прекращается. Поток масла проходит через на­правляющее колесо, не опираясь на его лопасти: Момент перехода на режим гидромуфты достигнут.

 

Зона перехода на режим гидромуфты

 

При дальнейшем увеличении скорости движе­ния гидротрансформатор работает как обычная гидродинамическая муфта, так как направляю­щее колесо уже не оказывает свое воздействие на поток масла. В момент перехода на режим гидромуфты угол, под которым поток трансмис­сионного масла выходит из турбинного и входит в направляющее колесо, изменяется настолько, что масло попадает на лопасти направляющего колеса с задней стороны, то есть в направлении вращения коленчатого вала двигателя. В резуль­тате муфта свободного хода освобождает от бло­кировки направляющее колесо, которое вращает­ся в потоке масла между насосным и турбинным колесами.

 

Разница частоты вращения насосного и тур­бинного колес продолжает уменьшается и после прохождения момента перехода на режим гидро­муфты — но при такой же передаче крутящего мо­мента — пока не будет достигнут КПД примерно 96 %.

Для поддержания нормального течения мас­ла всегда должно происходить небольшое про­скальзывание.

 

Зона торможения

 

Когда турбинное колесо вращается быстрее, чем насосное, например, при сбрасывании газа в режиме принудительного холостого хода, направ­ление действия гидротрансформатора изменяется на противоположное: турбинное колесо приводит в движение насосное колесо и, тем самым, проис­ходит торможение двигателем. При этом направляющее колесо не оказывает никакого действия.

 

Муфта блокировки гидротрансформатора крутящего момента

 

Постоянное ужесточение требований к сни­жению расхода энергии на автомобилях ста­ло причиной все более частого использова­ния муфт блокировки гидротрансформатора, предназначенных для блокировки ограничива­ющего мощность проскальзывания насосного и турбинного колес, друг относительно друга. Гидродинамический трансформатор с муфтой блокировкиМуфта блокировки обеспечивает механическое соединение насосного и турбинного колес, де­лающее невозможным гидродинамическую передачу мощности (рис. 7 «Гидродинамический трансформатор с муфтой блокировки«). В результате передача крутящего момента осуществляется без проскальзывания.

Муфта блокировки представляет собой встроенную в гидротрансформатор дисковую муфту с демпфером крутильных колебаний (угол поворота от 40° до 45°). Она жестко соединена с турбинным колесом с помощью зубчатого венца со шпоночными канавками, однако может смещаться в осевом направле­нии. При разъединенной муфте блокировки масло свободно течет через полый первичный вал коробки передач в гидротрансформатор. При этом оно попадает сначала в полость между корпусом гидротрансформатора и дис­ковой муфтой, отжимая ее от корпуса гидро­трансформатора. Когда муфта блокировки соединена, поток масла изменяет направление и течет, как в простом гидротрансформато­ре, между опорной трубой и корпусом гидро­трансформатора, прижимая дисковую муфту к корпусу гидротрансформатора до достиже­ния геометрического замыкания. Давление в полости между дисковой муфтой и корпусом гидротрансформатора падает, прямой поток превращается в обратный. Изменение направления потока масла неразрывно связано с уве­личением давления (5-6 бар) и реализуется с помощью специального электромагнитного клапана в автоматической коробке передач. Подключение муфты блокировки зависит от различных факторов, к примеру, включенной ступени коробки передач, скорости движения, температуры охлаждающей жидкости двига­теля. В современных автоматических короб­ках передач муфта блокировки подключается чаще всего уже на третьей и четвертой пере­дачах.

 

Использование муфты блокировки гидро­трансформатора ведет к уменьшению расхода топлива и препятствует чрезмерному нагреву масла в коробке передач, так как усилие в гидротрансформаторе передается чисто меха­ническим способом без увеличения крутящего момента.

 

Муфта блокировки гидротрансформатора крутящего момента с регулировкой проскальзывания

 

На рисунках 8 «Муфта блокировки гидротрансформатора разъединена» и 9 «Муфта блокировки гидротрансформатора соединена» изображена муфта блокировки гидротрансформатора крутящего момента с регулировкой проскальзывания. В этом режиме муфта блокировки соединена не до полного геометрического замыкания, поэтому между сторонами привода и отбора мощности (насосным и турбинным колеса­ми) всегда имеет место определенное про­скальзывание. Благодаря этому крутильные колебания не передаются в полном объеме от двигателя на коробку передач и, тем са­мым, на всю трансмиссию.

 

Муфта блокировки гидротрансформатора разъединена

 

Так как крутиль­ные колебания зависят от типа двигателя, для каждого рабочего состояния предусмотрен набор характеристик, который используется электронным блоком   управления коробкой передач для регулировки асинхронной часто­ты вращения путем управления давлением масла. Высокая эффективность этой системы выражается в том, что те ступени коробки пе­редач, которые прежде в целях обеспечения комфорта требовали разъединения муфты блокировки, теперь допускают движение со значительно меньшим механическим про­скальзыванием. Ступени,  на которых прежде была возможна полная блокировка, сохраня­ются.

 

Муфта блокировки гидротрансформатора соединена

 

На сегодняшний день все гидротрансформа­торы крутящего момента легковых автомобилей оснащены муфтами блокировки. При этом муф­ты блокировки могут быть однодисковыми или многодисковыми в зависимости от величины крутящего момента.

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *