2813.Планетарные передачи в автомобилестроении

6.ПЛАНЕТАРНЫЕ РЯДЫ

6.1.Необходимость планетарных рядов

Хотя гидротрансформатор (ГТ) и способен увеличивать крутящий момент, система планетарных рядов в автоматической коробке передач (АКП) необходима по следующим причинам:

–при преодолении автомобилем подъемов или во время его резкого разгона в трансмиссии необходимо создавать крутящий момент больший, чем может создать один ГТ;

–автомобиль должен быть способен двигаться не только вперед, но

иназад.

6.2.Механические трансмиссии

Вотличие от простой механической трансмиссии, в которой используются параллельные валы и сцепляющиеся между собой шестерни, в автоматических трансмиссиях в подавляющем большинстве используются планетарные передачи.

Преимущества планетарной передачи заключаются в ее компактности, использовании лишь одного центрального вала и в способе переключения передач, осуществляемом путём блокировки одних и разблокирования других элементов планетарного ряда.

Вавтомобиле с простой механической трансмиссией водитель для переключения передач вынужден постоянно и последовательно выжимать педаль сцепления и отпускать педаль газа. Автоматическая трансмиссия автоматически переключает передачи в нужное время. Для этого водителю достаточно лишь манипулировать педалью газа, нажимая или отпуская ее.

Планетарная передача обеспечивает ровное, без рывков, переключение скоростей движения автомобиля без потерь мощности двигателя, толчков и ударов, обычно ассоциируемых с моментом переключения передачи в простой трансмиссии (см. приложение).

6.3.Структура и теория планетарного ряда

Планетарный ряд (planetary gear) состоит из следующих элементов

(рис. 6.1, 6.2):

–солнечной шестерни (sun gear);

–сателлитов (pinion gears);

–эпицикла (internal gear);

–водила (carrier).

121

Если заставить двигаться сателлиты, а следовательно, и водило еще медленнее (рис. 6.4), то скорость, с которой водило передвигается эпициклом, уменьшается по отношению к скорости вращающейся в обратном направлении солнечной шестерни. В результате скорость вращения водила будет меньше, чем в предыдущем случае со второй передачей. Такое соотношение скоростей водила и эпицикла осуществляется при включении в АКП первой, или пониженной, передачи.

Рис. 6.3. Принцип второй передачи в АКП

Рис. 6.4. Принцип первой, или пониженной, передачи в АКП

Рис. 6.5. Принцип третьей передачи в АКП

123

Если в планетарном ряду эпицикл и солнечная шестерня вращаются в одинаковом направлении (рис. 6.5) и с одинаковой скоростью, водило вращается в том же направлении и с той же скоростью. Такое соотношение скоростей данных элементов планетарного ряда осуществляется при включенной третьей передаче.

Если водило зафиксировано и солнечная шестерня вращается по часовой стрелке (рис. 6.6), сателлиты вращаются и двигают эпицикл против часовой стрелки. В этом случае если считать, что солнечная шестерня передает входной момент, а эпицикл – выходной, то применительно к автоматической трансмиссии получим передачу заднего хода.

Рис. 6.6. Принцип задней передачи в АКП

Рис. 6.7. Принцип четвертой передачи в АКП

Если солнечная шестерня заблокирована, а водило вращается по часовой стрелке (рис. 6.7), сателлиты вращаются в том же направлении вокруг солнечной шестерни. Скорость вращения эпицикла складывается из собственной скорости вращения сателлитов и скорости их вращения вокруг неподвижной солнечной шестерни. Другими словами, эпицикл вращается быстрее, чем водило (рис. 6.8). Такое соотношение в трансмиссии характерно для четвертой передачи.

124

7. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

7.1. Работа автоматической коробки передач

Автоматическая коробка передач (АКП) (рис. 7.1) состоит из следующих основных узлов: гидротрансформатора, планетарного ряда, системы управления и контроля. Коробка переднеприводных автомобилей дополнительно содержит внутри корпуса главную передачу и дифференциал (см. приложение).

Рис. 7.1. Автоматическая коробка передач: 1 – гидротрансформатор; 2 – планетарный ряд; 3 – тормозная лента; 4 – устройство управления

Чтобы понять, как работает автоматическая коробка планетарных передач (АКПП), необходимо представлять себе, что такое гидромуфта и планетарная передача. Гидромуфта – устройство, состоящее из двух лопастных колес, установленных в одном корпусе, который заполнен специальным маслом. Одно из колес, называемое насосным, соединяется с коленвалом двигателя, а второе, турбинное, – с трансмиссией. При вращении насосного колеса отбрасываемые им потоки масла раскручивают турбинное колесо. Такая конструкция позволяет передавать крутящий момент примерно в соотношении 1:1. Для автомобиля такой вариант не подходит, так как необходимо, чтобы крутящий момент изменялся в широких пределах. Поэтому между насосным и турбинным колесами стали устанавливать еще одно колесо – реакторное, которое в зависимости от режима движения автомобиля может либо быть неподвиж-

126

ным, либо вращаться. Когда реактор неподвижен, он увеличивает скорость потока рабочей жидкости, циркулирующей между колёсами. Чем выше скорость движения масла, тем большее воздействие оно оказывает на турбинное колесо. Таким образом момент на турбинном колесе увеличивается, т.е. мы его трансформируем, поэтому устройство с тремя колесами – это уже не гидромуфта, а гидротрансформатор. Но и гидротрансформатор не может преобразовывать скорость вращения и передаваемый крутящий момент в нужных пределах, кроме того, он не может обеспечить движение задним ходом, поэтому к нему присоединяют набор из отдельных планетарных передач с разным передаточным коэффициентом – как бы несколько одноступенчатых КПП в одном корпусе. Планетарная передача представляет собой механическую систему, состоящую из нескольких шестерён – сателлитов, вращающихся вокруг центральной шестерни. Сателлиты фиксируются с помощью водила. Внешняя кольцевая шестерня имеет внутреннее зацепление с планетарными шестернями. Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни. Различные передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга.

Переключение передач осуществляется системой управления, которая на ранних моделях была полностью гидравлической, а на современных на помощь гидравлике пришла электроника.

АКПП включает в себя: 1) Гидротрансформатор (ГТ) – соответствует сцеплению в механической трансмиссии, но не требует непосредственного управления со стороны водителя. 2) Планетарный ряд – соответствует блоку шестерен в механической коробке передач и служит для изменения передаточного отношения в автоматической трансмиссии при переключении передач. 3) Тормозная лента, передний фрикцион, задний фрикцион – компоненты, посредством которых осуществляется переключение передач. 4) Устройство управления. Этот узел состоит из маслосборника (поддон коробки передач), шестеренчатого насоса и клапанной коробки. Клапанная коробка представляет собой систему каналов с расположенными в них клапанами и плунжерами, которые выполняют функции контроля и управления. Это устройство преобразует скорость движения автомобиля, нагрузку двигателя и степень нажатия на педаль газа в гидравлические сигналы. На основе этих сигналов, за счет последовательного включения и выхода из рабочего состояния фрикционных блоков, автоматически изменяются передаточные числа.

В АКПП в подавляющем большинстве случаев применяется планетарная передача, а не валы с шестернями, как в механической коробке. Планетарная передача более компактна, она обеспечивает более быстрое и плавное переключение скоростей без разрыва в передаче мощности двигателя. Пла-

127

нетарные передачи отличаются долговечностью, так как нагрузка передается несколькими сателлитами, что снижает напряжения зубьев. В одинарной планетарной передаче крутящий момент передается с помощью каких-либо (в зависимости от выбранной передачи) двух ее элементов, из которых один является ведущим, второй – ведомым. Третий элемент при этом неподвижен. Для получения прямой передачи необходимо зафиксировать между собой два любых элемента, которые будут играть роль ведомого звена, третий элемент при таком включении является ведущим. Общее передаточное отношение такого зацепления j = 1. Таким образом, один планетарный механизм может обеспечить три передачи для движения вперед (понижающую, прямую и повышающую) и передачу заднего хода. Передаточные отношения одиночного планетарного ряда не дают возможности оптимально использовать крутящий момент двигателя, поэтому необходимо соединение двух или трех таких механизмов. Существует несколько вариантов соединения, каждое из которых носит название по имени своего изобретателя.

Планетарный механизм Симпсона (рис. 7.2), состоящий из двух плане-

тарных редукторов, часто называют двойным рядом. Обе группы сателлитов, каждая из которых вращается внутри своей коронной шестерни, объединены в единый механизм общей солнечной шестерней. Планетарный ряд такой конструкции обеспечивает три ступени изменения передаточного отношения. Для получения четвертой, повышающей, передачи последовательно с рядом Симпсона установлен еще один планетарный ряд. Схема Симпсона нашла наибольшее применение в АКПП для заднеприводных автомобилей. Ее неоспоримые достоинства – высокая надежность и дол-

Рис. 7.2. Ряд Симпсона говечность при относительной простоте конструкции.

Планетарный ряд Равиньё (рис. 7.3) иногда называют полуторным, подчеркивая этим особенности его конструкции: наличие одной коронной шестерни, двух солнечных и водила с двумя группами сателлитов. Главным преимуществом схемы Равиньё является то, что она позволяет получить четыре ступени изменения передаточного отношения редуктора. Отсутствие отдельного планетарного ряда повышающей передачи позволяет сделать редуктор коробки очень компактным, что особенно важно для трансмиссий переднеприводных автомобилей. К недостаткам следует отнести уменьше-

128

Коробка передач Уилсона (рис. 7.4) состоит из трех планетарных редукторов. Коронная шестерня первого планетарного редуктора, водило второго редуктора и коронная шестерня третьего постоянно соединены между собой, образуя единое целое. Кроме того, второй и третий планетарные редукторы имеют общую солнечную шестерню, которая приводит в действие передачи переднего хода. Схема Уилсона обеспечивает 5 передач вперед и одну заднего хода.

Рис. 7.4. Коробка передач Уилсона

Рис. 7.5. Планетарная передача Лепелетье

Планетарная передача Лепелетье (рис. 7.5) объединяет в себе обыкно-

венный планетарный ряд и пристыкованный за ним планетарный ряд Равинье. Несмотря на простоту, такая коробка обеспечивает переключение 6 передач переднего хода и одну заднего. Преимуществом схемы Лепелетье является ее простая, компактная и имеющая небольшую массу конструкция.

129

Конструкторы постоянно совершенствуют АКПП, увеличивая количество передач, что улучшает плавность работы и экономичность автомобиля. Современные «автоматы» могут иметь до восьми передач.

7.2. Работа системы управления АКПП

Системы управления АКПП бывают двух типов: гидравлические и электронные. Гидравлические системы используются на устаревших или бюджетных моделях, современные АКПП управляются электроникой.

Устройством «жизнеобеспечения» для любой системы управления является масляный насос. Его привод осуществляется непосредственно от коленвала двигателя. Масляный насос создает и поддерживает в гидравлической системе постоянное давление, независимо от частоты вращения коленвала и нагрузки на двигатель. В случае отклонения давления от номинального функционирование АКПП нарушается ввиду того, что исполнительные механизмы включения передач управляются давлением.

Момент переключения передач определяется по скорости автомобиля и нагрузке на двигатель. Для этого в гидравлической системе управления существуют два датчика: скоростной регулятор и клапан-дроссель, или модулятор. Скоростной регулятор давления (или гидравлический датчик скорости) устанавливается на выходном валу АКПП. Чем быстрее едет машина, тем больше открывается клапан, тем больше давление проходящей через этот клапан трансмиссионной жидкости. Предназначенный для определения нагрузки на двигатель клапан-дроссель соединяется тросом либо с дроссельной заслонкой (в бензиновых двигателях), либо с рычагом двигателя (в дизелях). В некоторых автомобилях для подачи давления на клапан-дроссель используется не трос, а вакуумный модулятор, который приводится в действие разряжением во впускном коллекторе (при увеличении нагрузки на двигатель разряжение падает). Таким образом, эти клапаны формируют давления, пропорциональные скорости движения автомобиля и загруженности двигателя. Соотношение этих давлений и позволяет определять моменты переключения передач и блокировки гидротрансформатора. В «принятии решения» о переключении передачи участвует и клапан выбора диапазона, который соединен с рычагом селектора АКПП и, в зависимости от его положения, запрещает включение определенных передач. Результирующее давление, создаваемое клапаном-дросселем и скоростным регулятором, вызывает срабатывание соответствующего клапана переключения. При этом если машина ускоряется быстро, то система управления включит повышенную передачу позже, чем при спокойном разгоне.

130