2813.Планетарные передачи в автомобилестроении
..pdf
Рис. 8.27. Работизированная коробка передач: а – планетарные ряды 1–5; б – синхронизатор
Принцип действия роботизированных коробок передач абсолютно тот же. Единственное отличие заключается в том, что смыканием/размыканием сцепления и выбором передач в «роботе» занимаются сервоприводы – актуаторы. Чаще всего это шаговый электромотор с редуктором и исполнительным механизмом. Но встречаются и гидравлические актуаторы (рис. 8.28).
Управляет актуаторами электронный блок. По команде на переключение первый сервопривод выжимает сцепление, второй перемещает синхронизаторы, включая нужную передачу. Затем первый плавно отпускает сцепление. Таким образом, педаль сцепления больше не нужна – при поступлении команды электроника всё сделает сама. В автоматическом режиме команда на смену передачи поступает от компьютера, учитывающего ско-
191
рость движения, обороты двигателя, данные ESP, ABS и других систем. А в ручном – приказ на переключение отдаёт водитель при помощи селектора КПП или подрулевых лепестков.
а
б
Рис. 8.28. Управление коробкой передач: а – схема работы Sensodrive, применяемых на автомобилях марки Citroen: 1 – блок управления коробкой передач; 2 – актуатор сцепления; 3 – актуатор механизма переключения передач; 4 – датчик частоты вращения первичного вала коробки передач; 
– мультиплексная проводка; б – переключение передач
192
Фирма Ricardo на примере «робота» Easytronic от модели Opel Corsa заменила раздельные актуаторы для сцепления и выбора передачи одиночным электромагнитным актуатором. Благодаря этому уменьшились размеры и масса агрегата. И самое главное – механизм выбора передачи стал работать в 8 раз быстрее, а общий период разрыва потока мощности сократился до 0,35 с.
Рис. 8.29. Коробка передач модели Opel Corsa: а – серийный Easytronic; б – рисунок разработки Ricardo
Проблема «робота» – отсутствие обратной связи по сцеплению. Человек чувствует момент смыкания дисков и может переключить скорость быстро и плавно, а в электронике все происходит по-другому: чтобы избежать рывков и сохранить сцепление, «робот» надолго разрывает поток мощности от двигателя к колёсам во время переключения. Получаются дискомфортные провалы на разгоне. Этого можно избежать, сократив время при переключениях, что влечет рост цены всей конструкции.
Массово использует преселективные коробки концерн Volkswagen, применяющий DSG (S tronic у Audi) как на переднеприводных, так и на полноприводных моделях с продольно и поперечно установленными двигателями. Аббревиатура DSG (Direct Shift Gearbox – коробка прямого включения) стала нарицательной для коробок с двумя сцеплениями – хотя на самом деле это просто товарный знак.
В начале 80-х годов появилась трансмиссия с двумя сцеплениями DCT (Dual Clutch Transmission). Рассмотрим её работу на примере шестиступенчатой коробки DSG концерна Volkswagen (рис. 8.30). У коробки два вторичных вала с расположенными на них ведомыми шестернями и синхронизаторами – как у шестиступенчатой МКПП Golf. Первичных валов тоже два: они вставлены друг в друга по принципу матрёшки. Каждый из валов соединяется с двигателем через отдельное многодисковое сцепление. На
193
внешнем первичном валу закреплены шестерни второй, четвёртой и шестой передач, на внутреннем – первой, третьей, пятой и заднего хода. Допустим, автомобиль начинает разгон с места. Включается первая передача (муфта блокирует ведомую шестерню первой передачи). Замыкается первое сцепление, и крутящий момент через внутренний первичный вал передаётся на колёса. Одновременно с включением первой передачи электроника прогнозирует последующее включение второй – и блокирует её вторичную шестерню. Именно поэтому такие коробки ещё называют преселективными. Таким образом, включены две передачи сразу, но заклинивания не происходит, – ведущая шестерня второй передачи находится на внешнем валу, сцепление которого пока разомкнуто.
Рис. 8.30. Шестиступенчатая коробка DSG концерна Volkswagen
Когда машина достаточно разгонится и компьютер решит повысить передачу, размыкается первое сцепление и одновременно замыкается второе. Крутящий момент теперь идёт через внешний первичный вал и пару второй передачи. На внутреннем валу уже выбрана третья. При замедлении те же операции происходят в обратном порядке. Переход происходит практически без разрыва потока мощности и с очень быстрой скоростью. Серийная коробка Golf переключается за восемь миллисекунд (на Ferrari
Enzo – 15 мс).
Роботизированная коробка AMG Speedshift, устанавливаемая на новейший SL 63 AMG, представляет собой модифицированную мерседесовскую АКП 7G-Tronic (рис. 8.31). Только крутящий момент вместо тяжёлого и инертного гидротрансформатора передаёт одинарное многодисковое «мокрое» сцепление. Благодаря применению сложных электрогидравлических актуаторов время переключения составляет 0,1 с.
194
Рис. 8.31. Состояние DSG при движении на первой передаче. Муфтами блокированы шестерни 1-й и 2-й передач
Рис. 8.32. Пример АКПП с муфтами, блокирующими зубчатые колеса
Сегодня коробки DCT есть не только у Volkswagen, но и у компаний
BMW, Ford, Mitsubishi и FIAT.
195
8.13. Коробка-автомат с гидротрансформатором
Гидротрансформатор (рис. 8.33) состоит из двух лопастных машин – центробежного насоса и центростремительной турбины. Между ними расположен направляющий аппарат – реактор. Насосное колесо жёстко связано с коленчатым валом двигателя, турбинное – с валом коробки передач. Реактор же, в зависимости от режима работы, может свободно вращаться, а может быть заблокирован при помощи обгонной муфты.
Рис. 8.33. Трансмиссия автомобиля Toyota
Полезная энергия в гидротрансформаторной трансмиссии расходуется на нагрев масла гидротрансформатором. Также немало энергии расходует насос, который создаёт рабочее давление в управляющих магистралях. Отсюда более низкий КПД. Именно по этой причине механические роботизированные коробки и вариаторы более предпочтительны.
Гидротрансформатор (рис. 8.34, 8.35) является идеальным демпфером крутильных колебаний и способен гасить сильные толчки, которые передаются от двигателя на трансмиссию и наоборот, что очень благоприятно сказывается на ресурсе двигателя, трансмиссии и ходовой части. Однако у гидротрансформатораесть недостатки: онне позволяетзавестиавтомобильизсостояния покоя.
196
Рис. 8.35. Схема устройства гидротрансформатора
Передача крутящего момента от двигателя к коробке передач осуществляется потоками рабочей жидкости (масла), которая отбрасывается лопатками насосного колеса на лопасти колеса турбинного. Между насосным колесом и турбиной обеспечены минимальные зазоры, а их лопастям придана специальная геометрия, которая формирует непрерывный круг циркуляции рабочей жидкости, т.е. жёсткая связь между двигателем и трансмиссией отсутствует. Это обеспечивает работу двигателя и остановку автомобиля с включённой передачей, а также способствует плавности передачи тягового усилия.
Траектория движения масла в гидротрансформаторе показана на рис. 8.37. Чтобы увеличить скорость и повысить крутящий момент на турбинном колесе, реактор блокируется. При этом КПД передачи несколько снижается.
По описанной выше схеме работает гидромуфта, которая просто передаёт крутящий момент, не трансформируя его величину. Чтобы изменять момент, в конструкцию гидротрансформатора введён реактор. Это такое же колесо с лопатками, но оно, имея связь с картером (корпусом) коробки передач, не вращается (заметим, до определённого момента). Лопатки реактора расположены на пути, по которому масло возвращается из турбины в на-
197
сос, и они имеют особый профиль. Когда реактор неподвижен (гидротрансформаторный режим), он увеличивает скорость потока рабочей жидкости, циркулирующей между колёсами. Чем выше скорость движения масла, тем выше его кинетическая энергия, тем большее воздействие она оказывает на турбинное колесо. Благодаря этому эффекту момент, развиваемый на валу турбинного колеса, удаётся значительно поднять.
Рис. 8.36. Траектория движения масла в гидротрансформаторе
В случае если передача в коробке уже включена, а автомобиль стоит и водитель давит на педаль тормоза, турбинное колесо находится в неподвижном состоянии, а момент на нём в полтора-два раза выше (в зависимости от конструкции) того, что развивает двигатель на этих оборотах. Кстати, момент на выходном валу гидротрансформатора будет тем больше, чем будут выше обороты двигателя. Стоит отпустить педаль тормоза, и автомобиль тронется. Разгон будет продолжаться до тех пор, пока момент на колёсах не сравняется с моментом сопротивления движению машины.
Когда турбинное колесо приближается по оборотам к скорости вращения насосного колеса, реакторное колесо освобождается и начинает вращаться вместе с двумя «напарниками». В этом случае говорят о том, что гидротрансформатор перешёл в режим гидромуфты. Так снижаются потери и увеличивается КПД гидротрансформатора (рис. 8.37).
198
Рис. 8.37. Гидротрансформатор ZF и многодисковое сцепление Sachs, блокирующее насосное и турбинное колёса
Поскольку в некоторых случаях надобность в преобразовании крутящего момента и скорости отпадает, в определённые моменты гидротрансформатор и вовсе может быть заблокирован при помощи фрикционного сцепления. Этот режим помогает довести КПД передачи практически до единицы, проскальзывание между лопаточными колёсами в этом случае исключено по определению.
В случае если автомобиль едет по прямой с постоянной скоростью и вдруг начинает подниматься в гору, его скорость начнёт падать, а нагрузка на ведущие колёса увеличится. На это изменение тут же отреагирует гидротрансформатор. Как только станет уменьшаться частота вращения турбины, реакторное колесо начнёт автоматически затормаживаться, в результате скорость циркуляции рабочей жидкости возрастёт, что автоматически приведёт к увеличению крутящего момента, который будет передаваться на вал от турбинного колеса (т.е. на колёса). В некоторых случаях увеличившегося момента хватит для того, чтобы преодолеть подъём без перехода на низшую передачу.
199
Рис. 8.38. Алюминиевый селектор управления автоматической трансмиссией BMW X5
Поскольку гидротрансформатор не может преобразовывать скорость вращения и передаваемый крутящий момент в широких пределах, к нему присоединяют многоступенчатую коробку передач, которая способна обеспечить и реверсивное вращение (иными словами – задний ход). Те коробки, которые работают в паре с гидротрансформаторами, обычно включают в себя ряд планетарных передач и имеют много общего с «ручными» коробками.
Когда передача работает в режиме повышения частоты, двигатель вращает водило. Выходной вал передачи при этом соединён с солнечной шестернёй, в это время кольцевая шестерня зафиксирована.
Если кольцевую шестерню отпустить и в это время при помощи фрикциона её зафиксировать относительно водила, передача будет прямой.
Передача получается понижающей в том случае, когда движок приводит в действие солнечную шестерню и водило зафиксировано. Мощность снимается с кольцевой шестерни.
В механической коробке шестерни находятся в постоянном зацеплении, при этом ведомые свободно вращаются на вторичном валу. Включая какую-либо передачу, мы механически блокируем соответствующую шестерню на ведомом валу. Работа автоматической коробки передач построена на таком же принципе. Но планетарные передачи (или редукторы) (рис. 8.39) имеют некоторые особенности. Они включают в себя несколько элементов: водило, сателлиты, солнечную и кольцевую шестерни.
200