Автоматическая коробка передач и принцип её работы

Введение

Если Вы ездили хотя бы раз на «автомате», тогда Вам известны принципиальные отличия между автоматическими и механическими коробками передач:
-в автоматической КПП нет педали сцепления и нет рычага переключения передач.
-Вам только надо выбрать режим движения вперед — drive, все остальное происходит автоматически.
Этот компас посвящен принципам работы АКПП (Автоматическая коробка переключения передач). Мы начнем с ключевого механического решения – планетарная передача. Затем рассмотрим, из чего состоит автомат, познакомимся с его управлением и обсудим нюансы процесса управления АКПП.
Как и у механики, основная задача «автомата» – позволить двигателю работать в узком диапазоне входных скоростей и получать широкий диапазон скоростей на выходе.

Без трансмиссии машины ехали бы на одном передаточном числе, которое подбиралось бы исходя из желаемой скорости передвижения. Если такая скорость была бы 120 км/ч, то передаточное число соответствовало бы 3-й передаче современной механики.
Полагаем, что Вы никогда не пытались ездить только на 3-й передаче. А если попробовать, то станет очевидно, что машина совсем не ускоряется на средних оборотах, а на высоких скоростях двигатель ревет около красной зоны. Такая машина очень быстро бы поломалась.
Итак, коробка переключения передач максимально эффективно использует крутящий момент двигателя для работы на определенной скорости.
Ключевое отличие между механикой и автоматом заключается в следующем: механика включает и выключает разные наборы шестерней для того, чтобы выходной вал получал различные передаточные числа, в то время как «автомат» использует один и тот же набор шестерней для получения различных передаточных скоростей.
АКПП
Плюсы и минусы АКПП
Устройство АКПП

Работа АКПП

Планетарная передача & Передаточные числа

Если разобрать "автомат" и заглянуть внутрь, то мы обнаружим огромное скопление частей на маленьком пространстве.
Помимо прочего, Вы увидите:
-сложную планетарную передачу
-Набор тормозных лент для включения частей планетарной передачи
-Набор фрикционов для включения других частей планетарной передачи
-Невероятно странная гидравлическая система, которая управляет тормозными лентами и фрикционами
-Большой насос для перегонки трансмиссионного масла
Основной секрет автомата – планетарная передача. Размером с дыню, эта часть автомата производит его все передаточные числа. Все остальное в трансмиссии помогает планетарной передаче выполнять эту задачу. "Автомат" состоит из двух полных планетарных передач, связанных вместе в один компонент.
Любая планетарная передача состоит из трех составляющих:
-Солнечная шестерня
-Сателлиты
-Коронная шестерня
Каждый из этих компонентов может работать на вход и на выход, а также может быть зафиксирован. Выбирая, какой компонент, какую роль выполняет, мы определяем передаточное число всего соединения.
Посмотрим на одинарную планетарную передачу.
Одна из планетарных передач нашей трансмиссии имеет коронную шестерню с 72 зубьями и солнечную шестерню с 30 зубьями. Мы можем получить много передаточных чисел для этой пары:

Если затормозить два из трех компонентов планетарной передачи, то передаточное число всего механизма станет равным 1:1. Обратите внимание, что первое передаточное соотношение – это понижение – выходная скорость ниже входной. Второе соотношение - овердрайв – выходная скорость выше входной. Последнее соотношение – снова понижение, при этом направление движения на выходе противоположное. Из этой конструкции можно получить еще несколько передаточных соотношений, но именно эти имеют отношение к автоматической трансмиссии.
Итак, этот тип передачи может производить все различные передаточные числа без необходимости включать и выключать передачи. С двумя такими передачами мы получаем 4 передачи и одну передачу назад – все, что нужно нашей коробке переключения передач. Позднее мы посмотрим, как наши две планетарные передачи работают в едином узле.
Устройство и работа автоматической коробки передач
Покупка новой и контрактной АКПП. Особенности, которые нужно знать.

Конструкция планетарной передачи

Эта автоматическая передача использует набор шестерен и выглядит как одинарная планетарная передача, но на самом деле работает как две планетарные передачи, соединенные вместе. У нее одна коронная шестерня, которая всегда выдает крутящий момент на выход, но две солнечные шестерни и два набора сателлитов.
Фото выше показывает расположение сателлитов в водиле. Обратите внимание, что сателлит справа сидит ниже сателлита слева. Сателлит справа не зацепляется с коронной шестерней – он соединяется с другим сателлитом. Только сателлит слева зацепляется с коронной шестерней.
Вот так выглядит водило сателлитов. Короткие шестерни сателлитов соединены только с малой солнечной шестерней. Длинные сателлиты зацепляются с большей солнечной шестерней и с малыми сателлитами.

Описание АКПП
Правила пользования АКПП
Форум. АКПП vs МКПП
Вопросы и ответы АКПП
Конструкция АКПП
Автоматическая или механическая коробка передач?

Передачи "автомата"

Первая передача
На первой передаче меньшая солнечная шестерня приводится в движение по часовой стрелке при помощи гидротрансформатора. Водило сателлитов пытается вращаться против часовой стрелки, но удерживается на месте однонаправленным фрикционом (который позволяет осуществлять вращение только по часовой стрелке), коронная передача вращается по направлению входного вращения. Малая солнечная передача имеет 30 зубьев, а коронная - 72, то есть передаточное число К:
К = -R/S = - 72/30 = -2.4:1
Направление вращения отрицательное 2.4:1, что означает, что входное вращение вала противоположно выходному. Но на самом деле выходное вращение одинаково по направлению с входным – вот где срабатывает трюк с двойной планетарной передачей. Первый набор сателлитов вращает второй, и именно второй набор вращает коронную шестерню; эта комбинация меняет направление вращения. Можно заметить, что большая солнечная шестерня вынуждена проворачиваться при выключенном фрикционе; направление вращения противоположно вращению турбины (против часовой стрелки).
Вторая передача
Вторая передача получается соединением двух планетарных передач с общим водилом сателлитов.
На первом этапе водило сателлитов использует большую солнечную шестерню как коронную шестерню. Итак, первая часть состоит из солнца (малая солнечная шестерня), водила сателлитов и короны (большая солнечная передача).
Входной крутящий момент идет через малую солнечную шестерню; коронная шестерня (большая солнечная шестерня) удерживается стационарно тормозной лентой, а выходом становится водило сателлитов. На этом этапе с солнечной шестерней на входе и водилом сателлитов на выходе при фиксированной коронной передачи передаточное число рассчитывается по формуле:
1 + R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1
Водило сателлитов проходит 2.2 круга за одно вращение малой солнечной передачи. На втором этапе водило сателлитов служит входом для второй планетарной передачи, большая солнечная шестерня (находится в покое) служит солнцем, а коронная шестерня – выходом. Передаточное число рассчитывается по формуле:
1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1
Чтобы рассчитать общее передаточное число второй передачи, умножаем первое передаточное число на второе, 2.2 x 0.67= 1.47:1 понижение. Все это на первый взгляд очень запутанно, но это работает.
Третья передача
Большинство автоматов имеют передаточное число 1:1 на этой передаче. Из предыдущей главы Вы помните, что для получения этого передаточного числа достаточно заблокировать 2 из 3-х частей планетарной передачи. При устройстве данного механизма это еще проще – достаточно затормозить обе солнечные шестерни на гидротрансформаторе.
Если обе солнечные шестерни вращаются в одном направлении, сателлиты блокируются, потому что они могут вращаться только в противоположных направляниях. В результате коронная шестерная блокируется с сателлитами и приводит к вращению всего механизма как единого целого, тем самым получается передаточное число 1:1.
Повышенная передача (овердрайв)
По определению овердрайв, в переводе повышенная передача, имеет выходную скорость выше, чем входную. Увеличение скорости – противоположность понижению. В данном типе трансмиссии выбор овердрайва приводит к двум результатам одновременно. Для увеличения КПД многие машины используют механизм, который блокирует гидротрансформатор таким образом, что крутящий момент двигателя напрямую идет к трансмиссии.
Для данной трансмиссии в режиме овердрайв вал, прикрепленный к корпусу гидротрансформатора (который жестко соединен с маховиком двигателя), соединяется фрикционом с водилом сателлитов. Малая солнечная шестерня свободно вращается, а большая удерживается в покое тормозной лентой овердрайва. С гидротрансформатором нет соединения; входной крутящий момент идет от корпуса гидротрансформатора. На этот раз при входе на водило, зафиксированной солнечной передаче и коронной шестерне на выходе получаем следующую формулу передаточного соотношения К:
К = 1 / (1 + S/R) = 1 / ( 1 + 36/72) = 0.67:1
Таким образом, выходной вал крутится на один оборот за 2/3 оборота входного. Если двигатель работает при 2000 об/мин, то выходная частота вращения будет 3000 об/мин. Это позволяет машине лететь по трассе тогда, когда сам двигатель работает медленно и спокойно.
Задняя передача
Задняя передача (reverse) очень напоминает первую передачу, но только вместо малой солнечный шестерни большая приводится в движение турбиной гидротрансформатора, а малая свободно вращается в противоположном направлении. Водило сателлитов удерживается тормозной лентой заднего хода вместе с корпусом гидротрансформатора. Получаем формулу:
К = -R/S = 72/36 = 2.0:1
Итак, передаточное число заднего хода немного меньше числа первой передачи.
Передаточные числа
Наша трансмиссия имеет 4 передачи вперед и одну передачу назад. В таблице ниже подведены передаточные числа, входные и выходные части:

Прочитав эти части, Вы, наверное, задаете себе вопрос, как разные передачи включаются и выключаются. Это делается набором фрикционов и тормозных лент трансмиссии. Как это происходит будет рассмотрено в следующей статье.

Описание АКПП

Муфты и тормозные ленты в АКПП

В прошлой главе мы остановились на том, как каждая передача создается в трансмиссии. Например, рассматривая овердрайв, мы говорили:
Для данной трансмиссии в режиме овердрайв вал, прикрепленный к корпусу гидротрансформатора (который жестко соединен с маховиком двигателя), соединяется муфтой с водилом сателлитов. Малая солнечная шестерня свободно вращается, а большая удерживается в покое тормозной лентой овердрайва. С гидротрансформатором нет соединения; входной крутящий момент идет от корпуса гидротрансформатора.
Чтобы выбрать овердрайв, многие части автомата должны быть соединены и разъединены при помощи муфт и тормозных лент. Большое солнце соединяется с корпусом гидротрансформатора при помощи муфты, малая солнечная шестерня отсоединяется от турбины гидротрансформатора муфтой, что позволяет ей свободно вращаться. Большая солнечная шестерня соединяется с корпусом гидротрансформатора тормозной лентой и не может вращаться. Каждая передача вызывает серию событий с включением и отсоединением различных муфт и тормозных лент. Давайте рассмотрим тормозные ленты.
Тормозные ленты
В данной трансмиссии две тормозные ленты. Эти ленты представляют собой стальные ленты, которые обматывают конкретную секцию блока шестерен автомата и соединяются с корпусом. Эти ленты приводятся в действие гидравлическими цилиндрами внутри самой трансмиссии.
На фото выше Вы видите одну из тормозных лент в корпусе трансмиссии. Блок шестерен удален. Металлический стержень соединяется с поршнем, который приводит в движение тормозную ленту.

Справа на фото Вы видите два поршня, которые управляют работой тормозных лент. Гидравлическое давление, которое доходит до цилиндра через набор клапанов, приводит к тому, что поршни давят на тормозные ленты, соединяя соответствующую часть блока шестерен с корпусом АКПП.

Муфты АКПП чуть сложнее. В данной трансмиссии 4 муфты. Каждая муфта управляется давлением масла, которое направлено на поршень внутри муфты. При уменьшении давления пружины разъединяют фрикционы. Левее Вы видите поршень и барабан фрикционов. Обратите внимание на резиновый сальник поршня – этот компонент всегда меняется при ремонте автоматической коробки передач.

На фотографии выше показываются чередующиеся части из фрикционных дисков и стальных пластин. Фрикционный материал имеет шлицы на внутренней стороне, где он стыкуется с одной из шестерен. Стальная пластина имеет шлицы снаружи, где она соединяется с корпусом фрикционной муфты. Эти фрикционные диски меняются на новые при ремонте трансмиссии.

Когда вы паркуете автомобиль...

Давление на фрикционы подается через каналы в валах. Гидравлическая система контролирует, какие фрикционы и тормозные ленты приводятся в действие в данный момент времени.
Когда Вы ставите машину на паркинг:
Кажется, все очень просто – достаточно заблокировать автомат, чтобы шестерни не вращались, но для этого механизма существует на самом деле ряд сложных требований:
-Вы должны иметь возможность снять машину с парковки, когда она стоит под наклоном (вес машины ложится на механизм паркинга).
-Вы должны иметь возможность поставить машину на паркинг, даже если штырь не совпадает со впадиной на выходном валу.
В положении паркинг что-то должно предотвращать парковочный механизм от произвольного разблокирования.
Механизм паркинга изящно решает эти вопросы. Сначала посмотрим на его части.
Механизм парковочного тормоза включает зубья на выходе, чтобы машина стояла на месте. Эта часть трансмиссии соединена с карданным валом, поэтому если эта часть не может вращаться, то машина не может передвигаться.

Этот стержень приводит в действие механизм парковки. Он соединен с кабелем, которые перемещаются рычагом АКПП машины.

Левее показан парковочный механизм, вошедший в корпус трансмиссии в том месте, где находятся шестерни. Обратите внимание, на форму его сторон в виде трапеции. Это позволяет снять тормоз, когда машина запаркована под наклоном – вес автомобиля помогает вытолкнуть парковочный механизм благодаря углам сторон трапеции.

Когда рычаг АКПП переводится в положение паркинг, шток толкает пружину против маленькой конусообразной втулки. Если парковочный штырь выровнен по отношению с углублением на выходном вале, то конусообразная втулка опустит штырь вниз. Если парковочный штырь попадает на выступ выходного вала, то пружина будет толкать конусообразную втулку, но штырь не войдет в контакт с углублением, пока машина немного не покатится, и зубья лягут соответствующим образом. Именно по этой причине Ваша машина немного двигается после выбора рычагом АКПП паркинга: она вынуждена сдвинуться после отпускания педали тормоза настолько, насколько это необходимо для попадания штыря в углубление.
Как только машина оказалась в паркинге, втулка удерживает штырь в нижнем положении таким образом, чтобы машина не могла покатиться при парковке на склоне.

Автоматическая трансмиссия: гидравлика, насосы и скоростной регулятор давления

Гидравлика
"Автомат" в Вашей машине решает множество задач. Вы даже не подозреваете, насколько велико это разнообразие. Например, вот некоторые задачи, стоящие перед "автоматом":
-Если машина находится на передаче овердрайв (4-ступенчатый автомат), трансмиссия автоматически выберет передачу исходя из скорости машины и расположения дроссельной заслонки.
-При мягком ускорении переключение передача происходит на более низких скоростях, чем при полностью открытой заслонке.
-Если утопить педаль газа в пол, автомат переключит в следующую низкую передачу.
-Если Вы переключаете селектор передач на одну передачу ниже, автомат переключается при условии приемлемой для данной передачи скорости. Если машина едет слишком быстро, она подождет, пока скорость не снизится и перейдет на передачу вниз.
-Если поставить АКПП на 2-ю передачу, она никогда с нее не сдвинется, даже при полной остановке.
Возможно, Вы видели нечто похожее. Это действительно "мозги" автомата, управляющие всеми функциями и более того. Вы видите каналы, которые направляют масло к разным компонентам трансмиссии. Каналы получаются литьем металла и выполнены очень практично; в противном случае множество шлангов потребовалось, чтобы заменить их. Сначала мы обсудим ключевые компоненты гидравлической системы; затем посмотрим, как они работают вместе.

Насос
Автоматическая коробка переключения передач имеет аккуратный насос, называемый шестеренчатым насосом. Он обычно расположен в крышке трансмиссии и отводит масло с поддона коробки передач для питания гидравлической системы. Этот насос еще питает радиатор охлаждения трансмиссии и гидротрансформатор.
Внутренняя шестерня насоса крепится к корпусу гидротрансформатора, то есть скорость ее вращения равна скорости вращения коленвала двигателя. Внешняя шестерня приводится в движение внутренней, вращение шестерен собирают масло с поддона и гонит его в гидравлическую систему на другой стороне.

Регулятор давления
Скоростной регулятор давления или гидравлический датчик скорости – это умный датчик, который говорит трансмиссии о том, как быстро едет автомобиль. Он расположен на выходном валу, поэтому, чем быстрее едет машина, тем быстрее вращается скоростной регулятор давления. Внутри скоростного регулятора давления находится прижимаемый пружиной клапан, который открывается в прямой зависимости от частоты вращения регулятора давления – чем быстрее вращается гидравлический датчик скорости, тем больше открывается клапан. Масло от насоса попадает в гидравлический датчик скорости через выходной вал.
Чем быстрее едет машина, тем больше открывается клапан, тем больше давление проходящей через этот клапан трансмиссионной жидкости.

Автоматическая трансмиссия: клапаны и модуляторы

Чтобы правильно переключаться, автоматическая трансмиссия должна знать, под какой нагрузкой находится двигатель. Есть два способа это сделать. Некоторые машины используют простой трос, соединяющий трансмиссию и клапан-дроссель. Чем сильнее выжата педаль газа, тем выше давление на клапан-дроссель. Другие машины используют вакуумный модулятор для подачи давления на клапан-дроссель. Модулятор улавливает разряжение давления во впускном коллекторе, которое падает при увеличении нагрузки на двигатель.
Рычаг автоматической коробки переключения передач соединен с клапаном выбора диапазона. В зависимости от выбора передачи, клапан выбора диапазона питает гидравлический контур, который запрещает выбор определенных передач. Например, если рычаг автоматической коробки переключения передач на 3-й передаче, то клапан выбора диапазона препятствует включению овердрайва.
Клапаны переключения подают гидравлическое давление на муфты фрикционов тормозные ленты, чтобы выбрать каждую передачу. Гидравлическая схема трансмиссии имеет несколько клапанов. Клапан переключения определяет, когда переходить с одной передачи на другую. Например, клапан переключения 1 - 2 определяет, когда надо переключаться с 1-й на 2-ю передачу. Клапан переключения находится под давлением масла от скоростного регулятора давления с одной стороны и от клапан-дросселя с другой. Масло подается насосом, масло направляется по одному из двух контуров для выбора нужной передачи.
Клапан переключения замедлит выбор более высокой передачи, если машина быстро ускоряется. Если машина ускоряется мягко, то передача переключится на меньшей скорости. Давайте рассмотрим, что происходит, когда машина ускоряется медленно.
Когда машина ускоряется, давление от гидравлического клапана скорости растет. Это приводит к движению клапана переключения, пока контур первой передачи не закрывается, и открывается контур второй передачи. Поскольку машина ускоряется с открытой не полностью дроссельной заслонкой, клапан-дроссель не создает большое давление на клапан переключения.
Когда машина ускоряется быстро, клапан-дроссель создает большее давление на клапан переключения. Это значит, что давление от скоростного регулятора давления должно быть выше (а значит скорость машины - быстрее) до того, как клапан переключения достаточно сдвинется для включения 2-й передачи.
Каждый клапан переключения соответствует определенному уровню давления; едет еще быстрее, то управление заберет клапан 2-на-3, потому что давление от скоростного регулятора давления достаточно высокое, чтобы включить клапан.

Трансмиссии с электронным управлением

Трансмиссии с электронным управлением устанавливаются на довольно свежие модели и все еще используют гидравлику для включения муфт и тормозных лент, но каждый гидравлический контур управляется электрическим соленоидом. Это упрощает процесс ремонта автоматов и позволяет использовать более продвинутые схемы управления работой агрегата.
В последней главе мы видели некоторые механические принципы управления автоматической трансмиссией. Трансмиссии с электронным управлением используют еще более навороченные схемы. Помимо контроля скорости автомобиля и положения дроссельной заслонки, контроллер трансмиссии может отслеживать частоту вращения коленвала, нажатие педали тормоза и даже систему АБС.
Используя эту информацию и продвинутую логику программирования искусственного интеллекта, трансмиссии с электронным управлением могут делать следующие вещи:
-Автоматически переключаться вниз при езде вниз по наклонной для контроля скорости и уменьшения износа тормозов
-Переключаться вверх при торможении на скользкой дороге для уменьшения тормозного крутящего момента, направленного на двигатель
-"Обучаться" необходимости включения верхней передачи при входе в поворот на извилистой дороге
Давайте остановимся на последнем свойстве. Допустим, Вы едете вверх по извилистой горной дороге. Когда Вы находитесь на прямых отрезках дороги, автомат переключается на 2-ю передачу для обеспечения подъемной мощности. Когда Вы подходите к повороту. Вы притормаживаете, убирая ногу с педали газа и даже нажимая на тормоз. Большинство АКПП в этой ситуации переключится на следующую передачу или даже на овердрайв, когда нога уходит с газа. При ускорении на выходе из поворота, они переключаются на нижнюю передачу. Но при езде с механикой Вы, скорее всего, выполняли бы этот маневр на одной и той же передаче. Некоторые автоматические коробки передач с продвинутыми системами управления могут опознать эту ситуацию после нескольких поворотов и "научиться" не переходить на верхнюю передачу в следующий раз.

Компас основан на статье с сайта www.howstuffworks.com

Автоматические коробки передач

Автоматическая коробка передач