Как работает автоматическая коробка передач

Как работает автоматическая коробка передач

Вы никогда не задумывались, откуда ваша коробка передач знает когда переключать передачи? Почему это, когда вы останавливаетесь, двигатель не глохнет? Мы расскажем вам, как работают автоматические коробки передач в автомобилях.
Автоматические коробки передач - в значительной степени черная магия, для обывателя. Огромное количество движущихся частей делает их очень трудно понятными. Давайте попробуем упростить немного процесс, чтобы получить общее представление о том, как все это работает в традиционной системе, на основе гидротрансформатора.
Ваш двигатель подключается к коробке передач в месте под названием колокол корпуса. Корпус колокола содержит гидротрансформатор для автоматической коробки передач, в отличие от сцепления у автомобилей с механическими коробками передач. Гидротрансформатор является гидравлической муфтой, чья работа заключается, в том чтобы подключить двигатель, а точнее передать крутящий момент к вашей АКПП, и ведущим колёсам. Коробка передач содержит механизмы планетарных передач, которые отвечают за изменение передаточных чисел. Чтобы получить более точное представление о том, как работает вся система автоматической коробки передач, давайте посмотрим внимательнее на гидротрансформатор и планетарные передачи.

Гидротрансформатор (Torque Converter)

В первую очередь, пластина вашего двигателя (в основном маховик для рассматриваемого типа АКПП) присоединяется неподвижно непосредственно к гидротрансформатору. Поэтому, когда коленчатый вал вращается, тоже самое происходит с корпусом гидротрансформатора. Целью гидротрансформатора является создание средства с помощью которого можно подключать и отключать мощность двигателя к трансмиссии. Гидротрансформатор занимает место сцепления обычной механической коробки передач. Как гидротрансформатор работает? Посмотрим на видео выше, оно объясняет основные принципы, лежащие в основе гидромуфты. После того, как вы смотрели, продолжим чтение, чтобы посмотреть, как гидротрансформатор отличается от стандартной гидромуфты.

Основными компонентами гидротрансформатора являются: рабочее колесо, турбина, статор и муфта блокировки (lock-up clutch). Рабочее колесо является частью корпуса преобразователя крутящего момента, который соединен с двигателем. Оно приводит в действие турбину с помощью вязких сил. Турбина соединена с входным валом коробки передач. В сущности, двигатель вращает крыльчатку, которая подаёт энергию силы на жидкость, которая затем вращает турбину, посылая крутящий момент трансмиссии.
Трансмиссионная жидкость в циклическом потоке работает между ротором и турбиной. Гидромуфта в видео выше страдает от серьезных потерь энергии и вспенивания (а также последующего накопления тепла), а трансмиссионная жидкость возвращающаяся из турбины имеет компонент скорости, противодействующий вращению рабочего колеса. То есть, жидкость возвращения из турбины работает против вращения рабочего колеса и, следовательно против оборотов двигателя.
Статор размещается между рабочим колесом и турбиной. Его цель состоит в минимизации потери от перемешивания потоков масла и увеличении крутящего момента, перенаправляя жидкость, в момент её возвращения из турбины к рабочему колесу. Статор направляет жидкость так, что большинство её энергии направлено по ходу рабочего колеса, помогая рабочему колесу в движении, и тем самым увеличивая крутящий момент, развиваемый двигателем. Эта способность изменять крутящий момент, и есть та особенность, которая отличает гидротрансформаторы от гидравлической муфты.
Статор расположен на базе односторонней муфты. Он может вращаться только в одном направлении, когда турбина и рабочее колесо движущегося примерно с той же скоростью (как во время вождения по шоссе с равномерной скоростью). Статор либо вращается вместе с колесом или вообще не вращается. Статоры не всегда умножают крутящий момент. Они предоставляют вам больший крутящий момент, когда машина остановлена, или во время ускорения, но не во время равномерной езды по шоссе.
В дополнение к односторонней муфте статора, некоторые гидротрансформаторы содержат муфты блокировки (lock-up clutch) чья работа заключается, в том чтобы зафиксировать турбину с корпусом гидротрансформатора так, что турбина и рабочее колесо будут механически соединены. Устранение элемента гидромуфты и замена его механическим соединением гарантирует, что весь крутящий момент передается на входной вал коробки передач.

Механизмы планетарных передач (Planetary Gears)

Теперь, когда мы выяснили, как двигатель передает мощность трансмиссии, пришло время, чтобы выяснить, как переключаются передачи. На обычной АКПП, переключение передач является следствием работы составного планетарного ряда. Понимание того, как планетарные передачи работают немного сложнее, так что давайте посмотрим эту работу на примере основной планетарной передачи.
Планетарный редуктор (planetary gearset), также известный как «эпициклическая зубчатая передача», состоит из солнечной шестерни (sun gear ) в центре, сателлитов (planet gears), которые вращаются вокруг солнечной шестерни, водила (planet carrier), соединяющего сателлиты, и коронной шестерни (ring gear ) на внешней стороне, которая находится также в зацеплении с сателлитами. Основная идея планетарной передачи заключается в следующем: с помощью набора муфт сцепления (состоящих из фрикционных и стальных дисков) и тормозов (к примеру тормозных лент), вы можете предотвратить движение некоторых компонентов планетарного механизма. При этом, вы можете изменить вход и выход системы и, следовательно, изменить общее передаточное число. Подумайте об этом так: планетарный ряд позволяет изменять передаточные числа без привлечения конкретных передач. Они все уже находятся в одном целом. Все, что вам нужно сделать, это использовать сцепления и тормоза, чтобы произошёл выбор, какие компоненты будут вращаться, а которые остаются неподвижными. Окончательное передаточное число зависит от того, какой компонент остаётся неподвижным. Например, если коронная шестерня является фиксированной, передаточное отношение будет гораздо короче, чем если солнечная шестерня является фиксированной. Следующее уравнение покажет вам передаточные числа в зависимости от того, какой компонент является фиксированным, а которые находятся в движении. R, С и S представляют собой зубчатый венец, водило и солнечную шестерню. Омега просто представляет угловую скорость передач и N является счетчиком зубов шестерёнок.

Таким образом: допустим, мы решили сохранить в неподвижном состоянии водило и сделать солнечную шестерню нашим входом (при этом коронная шестерня наш выход). Сателлиты могут вращаться, но они не могут двигаться, пока не может двигаться водило. Omega_c равна нулю, так что левая сторона этого уравнения как бы не существует. Это означает, что когда мы вращаем солнечную шестерню, она посылает крутящий момент через сателлиты к коронной шестерне. Чтобы выяснить, какое передаточное отношение будет в результате, мы просто решим это уравнение для Omega_r / Omega_s. В конечном итоге с -N_s/N_R, то есть передаточное отношение при зафиксированном водиле и коронной шестерне, являющейся выходом, а солнечная шестерня нашим входом = является отношение количества зубьев между солнечной шестерней и коронной шестерней. Значение является отрицательным, поскольку кольцо вращается в обратном направлении от солнечной шестерни.
Вы также можете заблокировать коронную шестерню и сделать солнечную шестерню входом, можете заблокировать солнечную шестерню и сделать водило вашим входом. В зависимости от того, что вы блокируете, вы получите разные передаточные числа, то есть вы получите различные "передачи". Чтобы получить передаточное отношение 1:1, просто надо блокировать все компоненты вместе (на самом деле, для этого достаточно зафиксировать два из них) тогда коленчатый вал будет вращается с той же скоростью, что и выходной вал коробки передач. Так как же тормоза и сцепления двигаются переключая передачи? Гидротрансформатор также отвечает за привода насоса трансмиссионной жидкости. Давление жидкости активизирует муфты и тормоза в планетарном редукторе. Шестеренчатый насос обычно типа «geroter» насос, в котором давление создаётся путём вращения ротора в корпусе насоса и, в момент вращения создаются камеры, которые изменяются в объеме. При увеличении объёма, создается вакуум-это на входе насоса. Когда объем уменьшается, жидкость сжимается под давлением шестерёнок-это выход насоса. Гидравлический блок управления посылает гидравлические сигналы переключения передач (через группы тормозов и сцеплений) и на блокировку гидротрансформатора.
Обратите внимание, что большинство современных автоматических трансмиссий используют планетарный редуктор типа «Ravigneaux». Этот редуктор имеет две солнечные шестерни (малая и большая), два комплекта сателлитов (внутренний и внешний), и одно водило сателлитов. Это по сути два простых планетарных механизма в одном.
Теперь, когда мы посмотрели на принцип работы гидротрансформатора и планетарных механизмов, давайте посмотрим на видео ниже, чтобы увидеть, как все это работает вместе: