2813.Планетарные передачи в автомобилестроении

Это происходит следующим образом: клапан переключения находится под давлением масла от скоростного регулятора давления, с одной стороны, и от клапана-дросселя – с другой (рис. 7.6) Если машина ускоряется медленно, давление от гидравлического клапана скорости нарастает, что приводит к открытию клапана переключения. Поскольку педаль акселератора нажата не полностью, клапан-дроссель не создает большое давление на клапан переключения. Если же машина ускоряется быстро, клапан-дроссель создает большее давление на клапан переключения, препятствуя его открытию. Чтобы преодолеть это противодействие, давление от скоростного регулятора давления должно превысить давление от клапана-дросселя, но это произойдет при достижении автомобилем более высокой скорости, чем при медленном разгоне.

Рис. 7.6. Гидравлическая система управления

Каждый клапан переключения соответствует определенному уровню давления: чем быстрее движется автомобиль, тем более высшая передача включится. Блок клапанов представляет собой систему каналов с расположенными в них клапанами и плунжерами. Клапаны переключения подают гидравлическое давление на исполнительные механизмы: муфты фрикционов и тормозные ленты, посредством которых осуществляется блокировка различных элементов планетарного ряда и, следовательно, включение (выключение) различных передач. Тормоз – это механизм, который осуществляет блокировку элементов планетарного ряда на неподвижный корпус АКПП. Фрикцион же блокирует подвижные элементы планетарного ряда между собой.

Электронная система управления так же, как и гидравлическая, ис-

пользует для работы два основных параметра: скорость движения автомобиля и нагрузку на двигатель. Но для определения этих параметров приме-

131

няются не механические, а электронные датчики. Основными из них являются датчики: частоты вращения на входе коробки передач, частоты вращения на выходе коробки передач, температуры рабочей жидкости, положения рычага селектора, положения педали акселератора. Кроме того, блок управления АКПП получает дополнительную информацию от блока управления двигателем и других электронных систем автомобиля (например, от автомобильного блокиратора скоростей). Это позволяет более точно, чем

вобычной АКПП, определять моменты переключений и блокировки гидротрансформатора. Программа переключения передач по характеру изменения скорости при данной нагрузке на двигатель может легко вычислить силу сопротивления движению автомобиля и ввести соответствующие поправки в алгоритм переключения, например, попозже включать повышенные передачи на полностью загруженном автомобиле.

АКПП с электронным управлением так же, как и простые гидромеханические коробки, используют гидравлику для включения муфт и тормозных лент, но каждый гидравлический контур управляется электромагнитным, а не гидравлическим клапаном.

Применение электроники существенно расширило возможности АКПП. Они получили различные режимы работы: экономичный, спортивный, зимний. Резкий рост популярности «автоматов» был вызван появлением режима Autostick, который позволяет водителю самостоятельно выбирать нужную передачу. Каждый производитель дал такому типу коробки передач свое название: Audi – Tiptronic, BMW – Steptronic. Благодаря электронике в современных АКПП стала доступна и возможность их «самообучения», т.е. изменения алгоритма переключений в зависимости от стиля вождения. Электроника предоставила широкие возможности для самодиагностики АКПП. И речь идет не только о запоминании кодов неисправностей. Программа управления, контролируя износ фрикционных дисков, температуру масла, вносит необходимые коррективы в работу АКПП.

Как показал опыт внедрения автоматов-роботов, робототехника является новой формой технической и организационной ячейки, наиболее полно отвечающей потребностям современного производства. Робототехника – гибкая, экономная и рациональная форма применения деталей и изделий более высокой стоимости и лучшего качества средними и малыми сериями. Робототехника реализует стремление к снижению напряженности человека

вработе.

Условия эксплуатации транспортных средств диктуют необходимость (рис. 7.7, а) значительного изменения крутящего момента (в 6 раз и более) на ведущих колесах. При этом желательно автоматическое увеличение мо-

132

мента в случае уменьшения скорости из-за ухудшения условий движения и наоборот. Такая зависимость момента от скорости приводит к необходимости иметь постоянную или незначительно изменяющуюся мощность двигателя для любой частоты вращения, что обеспечивает наиболее полную загрузку двигателя в случае значительных изменений условий движения. Зависимость крутящего момента от частоты вращения двигателя приводит к максимальному упрощению трансмиссии (рис. 7.7, б).

а

б

Рис. 7.7. Электронная система управления

133

Автоматическая коробка передач воспринимает эксплуатационные условия автомобиля (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Система управления АКПП

Представим работу управления АКПП. Функционирование модуля сводится:

–к получению входных сигналов, посылаемых от различных выключателей и датчиков;

–определению требуемого давления в линии, момента переключения передач, срабатывания блокировки и торможения двигателем;

–вырабатыванию требуемых выходных сигналов к соответствующим соленоидам.

Рассмотрим механизм переключения передач (рис. 7.9), составляющие части которого выполняют следующие функции:

–передает подводимую мощность на переднюю солнечную шестерню 9;

–передает подводимую мощность на переднее планетарное водило 11;

–подключает переднее планетарное водило 11 к одноходовой муфте переднего хода 17;

–подключает переднее планетарное водило 11 к задней шестерне внутреннего зацепления 14;

–блокирует переднюю солнечную шестерню 9;

134

зубьев другой шестерни). Для изменения передаточного числа предназначены коробки передач, оснащенные парами шестерен с различными передаточными отношениями.

На низких передачах вал двигателя вращается существенно быстрее колес, а на высоких скоростях двигатель снижает обороты, в то время как автомобиль движется со скоростью 150 км/ч.

В заднеприводных автомобилях (рис. 7.10) коробка передач обычно располагается сзади двигателя на уровне педали газа. Вал соединяет трансмиссию с редуктором, расположенным на заднем мосту, и передает момент задним колесам. Передача крутящего момента в такой схеме организована просто: непосредственно от двигателя через гидротрансформатор и трансмиссию на карданный вал и задний привод, где момент распределяется к двум задним колесам.

Рис. 7.10. Заднеприводная компоновка привода

На переднеприводных автомобилях коробка передач и главная передача конструктивно находятся в одном корпусе (такая схема называется «трансэксл»). Передняя ось соединяется с данной конструкцией напрямую и передает крутящий момент передним колесам. В примере на рис. 7.11 момент передается от двигателя через гидротрансформатор к трансмиссии, а оттуда – на редуктор переднего моста, где разделяется и передается двум ведущим колесам.

Рис. 7.11. Переднеприводная компоновка привода

136

Существуют также различные варианты конструкции автоматической коробки передач для переднеприводных автомобилей с продольным расположением двигателя, для авто с четырьмя ведущими колесами, заднеприводные варианты с монтажом трансмиссии прямо на заднем мосту и передачей от двигателя и гидротрансформатора через коленвал, как, например, в Chevrolet Corvette или в Porsche, где вместе монтируются двигатель, задний мост и трансмиссия.

7.4. Компоненты трансмиссии

Современная автоматическая трансмиссия – сочетание множества умных механических, гидравлических и электронных технологий. Основные компоненты АКПП – это планетарные ряды, обеспечивающие повышающие и понижающие передачи, система тормозов и фрикционов, гидротрансформатор и гидравлическая система, использующая специальную трансмиссионную жидкость, подаваемую под давлением масляным насосом на систему клапанов для контроля фрикционов и тормозных лент. Сальники в гидравлической системе предотвращают утечку масла. Гидротрансформатор – соответствует сцеплению в механической коробке. Центробежный регулятор сигнализирует клапанам переключения передач о различной силе давления масла для их включения/выключения. Работа АКПП контролируется специальным компьютером.

Автоматическая коробка передач содержит множество шестеренок в различных комбинациях. В механических КПП шестерни сцепляются между собой на параллельных валах, перемещаясь вдоль валов при переключении рычага передач из одной позиции в другую. При этом задействуются шестерни того размера, который необходим для соответствующей передачи. В АКПП шестерни не меняют своего положения и всегда задействованы одни и те же. Такой режим работы достигается за счет планетарного ряда, который состоит из солнечной шестерни, сателлитов, эпицикла и водила. Шестерни-сателлиты соединяются общим водилом. Сателлиты вращаются вокруг солнечной шестерни, а она, в свою очередь, вращается вокруг собственной оси.

Рассмотрим пример того, как эпицикл соединяется с входным валом (от двигателя), водило – с приводом, а солнечная шестерня заблокирована. Когда мы вращаем эпицикл, сателлиты находятся в зацеплении с шестерней, остающейся неподвижной, заставляя водило вращать выходной вал в том же направлении, что и входной, но с пониженной скоростью (редукция передачи соответствует 1-й передаче в МКПП) (рис. 7.12).

137

Вторая передача получается соединением двух планетарных передач с общим водилом сателлитов.

Если заблокировать любые два из трех элементов планетарного ряда, привод будет вращаться со скоростью входного вала, т.е. получаем 3-ю передачу. На рис. 7.13 показано, как вышеописанная система выглядит в настоящей АКПП. Входной вал

соединяется с эпициклом, выход-

Рис. 7.12. Пример планетарной передачи, ной – с водилом. Солнечная шестер-

в свою очередь, связан с фрикционами. Снаружи барабан покрыт тормозной лентой, которая, затягиваясь, обеспечивает временную фиксацию элементов планетарного ряда.

Рис. 7.13. Планетарная передача в АКПП

Муфта используется для фиксации водила и солнечной шестерни, что заставляет их вращаться с одной скоростью. Если муфта расцеплена, а тормозная лента разжата, система приводится в нейтральное положение. Вращение входного вала проворачивает сателлиты против движения солнечной шестерни, но так как ее ничего не блокирует, она вращается свободно, не воздействуя на привод. Если блокировать солнечную шестерню тормозной лентой, планетарный ряд переходит на 1-ю передачу. Для переключения на повышающую передачу лента разжимается, и вступает в работу муфта. В результате привод вращается с той же скоростью, что и входной вал.

138

Комбинации двух и более планетарных рядов в различных вариантах соединения предоставляют больший выбор количества передач (есть автомобили с восьмью передачами, управляющимися компьютером).

7.5. Кинематические схемы планетарных механизмов АКПП

Как уже отмечалось, планетарные механизмы появились на автомобилях в начале ХХ столетия. Первым серийно выпускаемым автомобилем с планетарной, но не автоматической коробкой передач был знаменитый Ford-Т. Эта коробка позволяла реализовать две передачи переднего хода, одна из которых прямая, и одну передачу заднего хода. Она состояла из двух планетарных рядов (характерной особенностью которых было положительное значение внутреннего передаточного отношения при остановленном водиле), двух ленточных тормозов и одной блокировочной муфты (рис. 7.14). При этом водило для этих двух планетарных рядов является общим элементом и одновременно ведущим звеном 0.

Рис. 7.14. АКПП Ford-T

При затяжке тормоза звена 2 коробка работает в редукторном режиме, а при включении тормоза звена 1 реализуется передача заднего хода. Включение блокировочной муфты, установленной между ведущим звеном О и ведомым Х, приводит к полной блокировке планетарного механизма, что соответствует прямой передаче. Конструкция этой коробки была далеко не совершенной, кроме того, двух передач было явно недостаточно, тем не менее она долгое время использовалась на автомобилях ФОРД-Т.

Прежде чем рассмотреть кинематические схемы построения планетарных механизмов современных АКПП, познакомимся с основными элементами планетарных механизмов. Любой планетарный механизм (рис. 7.15) состоит

139

из ведущего звена (О), ведомого звена (Х), звеньев (1, 2, 3, …), планетарных рядов (ПР1, ПР2, …) и трех типов элементов управления: тормозов (Т1, Т2, …), блокировочных муфт (М1, М2, …) и муфт свободного хода (А1, А2, …).

Как правило, современные АКПП состоят из двух или трех планетарных рядов, причем используются в основном планетарные ряды второго класса, т.е. планетарные ряды с отрицательным внутренним передаточным отношением.

Тормоз предназначен для остановки (блокировки с картером) звеньев планетарного механизма. При включении тормоза какого-либо звена его угловая скорость становится равной нулю, так, например, при включении тормоза Т1 (см. рис. 7.15) угловая скорость первого звена ω1 = 0. Тормоз может быть ленточным (Т1), дисковым (Т2), или в качестве тормоза может быть использована муфта свободного хода (А1).

Блокировочная муфта служит для жесткого соединения (блокировки) любых двух звеньев планетарного механизма. При ее включении угловые скорости звеньев, которые она соединяет, становятся равными. Например, включение муфты М1 (см. рис. 7.15) приведет к тому, что угловая скорость второго звена станет равной угловой скорости ведущего звена О. В качестве блокировочных муфт в АКПП используются дисковые муфты (М1) или муфты свободного хода (А2).

Рис. 7.15. Пример АКПП

В теории планетарных механизмов планетарные коробки передач принято классифицировать по числу степеней свободы, которыми они обладают в случае полного выключения всех элементов управления. Коробки бывают:

140