Планетарная коробка автомат

Вступление

Автоматическая коробка передач (АКП, встречается АКПП, «Автоматическая коробка перемены (переключения) передач») — разновидность трансмиссии автомобилей, обеспечивающая автоматический (без прямого участия водителя) выбор соответствующего текущим условиям движения передаточного числа, в зависимости от множества факторов.

Исторически название «автоматическая коробка передач» закрепилось лишь за одной разновидностью таких коробок передач — гидромеханической планетарной коробкой передач.

История

К появлению классической гидромеханической автоматической коробки передач привели три изначально независимые линии разработок, которые были впоследствии объединены в её конструкции.

Наиболее ранней из них можно считать применявшиеся на некоторых конструкциях автомобилей первой четверти XX века, в том числе — Ford T, планетарные механические коробки передач. Хотя и всё ещё требующие от водителя определённого навыка для своевременного и плавного включения в работу соответствующей передачи, они уже позволяли довольно значительно упростить его работу, особенно в сравнении с использовавшимися в те годы коробками передач традиционного типа без синхронизаторов.

Хронологически вторым направлением разработок, приведшим впоследствии к появлению автоматической коробки передач, можно назвать работы по созданию полуавтоматических коробок передач, в которых была автоматизирована часть действий по переключению передач или для переключения передач был применён сервопривод.

Планетарный механизм был очень удобен для конструкторов автоматических передач в том отношении, что для управления его передаточным числом и направлением вращения выходного вала, осуществляемого за счёт торможения отдельных частей планетарной передачи, могли быть использованы сравнительно небольшие, и притом постоянные, усилия, с задействованием в качестве исполнительных механизмов фрикционов и ленточных тормозов, управление которыми при помощи сервоприводов в те годы не вызывало особых затруднений, так как уже было хорошо отработано, к примеру, на танках, где фрикционы использовались для разворота.

Третьей линией разработок было внедрение в трансмиссию гидравлического элемента, смягчающего толчки при переключении передач, что в те годы, при сравнительно примитивной управляющей автоматике, не способной гибко приспосабливаться к различным условиям движения, было необходимым условием создания успешной автоматической передачи.

Первую в мире полностью автоматическую коробку передач создала американская фирма — General Motors. В 1940 модельном году таковая стала доступна в виде опции на автомобилях марки Oldsmobile, затем Cadillac, впоследствии — Pontiac. Она несла коммерческое обозначение Hydra-Matic и представляла собой комбинацию гидромуфты и четырёхступенчатой планетарной коробки передач с автоматическим гидравлическим управлением. Hydra-Matic использовалась не только на автомобилях всех подразделений GM, но и на автомобилях таких марок, как Bentley, Hudson, Kaiser, Nash и Rolls-Royce, а также некоторых моделях военной техники.

В середине 1960-х годов окончательно утвердилась и (в США) была законодательно зафиксирована современная схема переключения диапазонов АКП — P-R-N-D-L. В прошлое ушли кнопочные переключатели диапазонов и старые модели без парковочной блокировки.

В конце 1980—1990-е годы происходит компьютеризация систем управления двигателем. Эти же системы, либо аналогичные им, стали применяться и для управления переключением передач. Это позволило как сделать переключения более плавными и комфортными, так и улучшить экономичность за счёт повышения эффективности работы трансмиссии.

Конструкция

Автоматическая гидромеханическая передача включает в себя гидротрансформатор крутящего момента (он же гидродинамический трансформатор, ГДТ) и автоматическую планетарную коробку передач.

Гидротрансформатор

Гидротрансформатор состоит из трех рабочих колёс — насосного (жёстко связанного с корпусом), турбинного и статора (реактора). Статор устанавливается между насосным и турбинным колёсами, он оснащён обгонной муфтой, которая затормаживает его вращение по мере набора оборотов насосным колесом, а при оборотах примерно в 3/4 от максимальных (так называемый «стоповый режим») — полностью блокирует. В некоторых вариантах исполнения его затормаживание также может осуществляться принудительно при помощи фрикционной муфты, что способствует более эффективной работе гидротрансформатора во всем диапазоне оборотов. Все детали гидротрансформатора требуют исключительно высокой точности изготовления, взаимной установки и балансировки, поэтому в подавляющем большинстве случаев ГДТ оформляется в виде неразборного и неремонтируемого в процессе эксплуатации узла.

Конструктивно гидротрансформатор устанавливается обычно так же, как сцепление относительно МКП — между двигателем и собственно картером АКП, внутри его колоколообразного расширения, служащего для закрепления на картере двигателя.

Основная функция гидротрансформатора (в отличие от простой гидромуфты) — преобразование крутящего момента, то есть, кратковременное увеличение его значения, передаваемого на АКП во время разгона автомобиля. Коэффициент трансформации (преобразования) крутящего момента может при этом достигать трёх — то есть, величина крутящего момента, подаваемого через ГДТ на первичный вал АКП, может кратковременно достигать величины втрое большей по сравнению с выдаваемой в данный момент двигателем. Такое увеличение величины крутящего момента обеспечивается за счёт накопления и последующего использования кинетической энергии относительного (от центра насосного колеса к его периферии за счёт центробежной силы) движения находящейся внутри гидротрансформатора жидкости. Также, благодаря отсутствию жёсткой кинематической связи между элементами гидротрансформатора, он, как и гидромуфта, выполняет функцию демпфера крутильных колебаний и обеспечивает гашение толчков, возникающих при переключении передач, что повышает комфортабельность и исключает ударные нагрузки в трансмиссии.

Органическим недостатком гидротрансформатора, вытекающим из его принципа работы, является «проскальзывание» турбинного колеса по отношению к насосному, что приводит к потерям энергии (КПД гидротрансформатора при равномерном движении автомобиля не превышает 85 %), соответственно — повышенному выделению тепла (в некоторых режимах гидротрансформатор может выделять больше тепла, чем сам двигатель) и увеличению расхода топлива. На современных автомобилях имеется возможность блокировки гидротрансформатора находящейся внутри него фрикционной муфтой при равномерном движении на высоких скоростях на высших передачах, что значительно снижает потери энергии на вязкое трение масла в гидротрансформаторе и, соответственно, расход топлива.

Планетарная коробка

АКП (планетарная часть автоматической передачи) состоят из планетарных редукторов (они же планетарные ряды), фрикционных и обгонных муфт, соединительных валов и барабанов.

Фрикционные муфты (в обиходе иногда называются «пакетами фрикционов») осуществляют переключение передач сообщением или разобщением элементов АКП — входного и выходного валов и элементов планетарных редукторов, а также их затормаживанием на корпус АКП.

Муфта выглядит как нечто среднее между сцеплением и синхронизатором в МКП и состоит из барабана и хаба, барабан имеет крупные прямоугольные шлицы внутри, хаб — крупные прямоугольные зубья снаружи. Между барабаном и хабом расположен пакет кольцеобразных фрикционных дисков, часть из которых выполнена из металла и имеет выступы снаружи, входящие в шлицы барабана, а часть — из пластмассы и имеет вырезы внутри, куда входят зубья хаба.

Сообщение фрикционной муфты производится сжатием пакета дисков гидравлически кольцеобразным поршнем, установленным в барабане.

Обгонная муфта свободно проскальзывает в одном направлении и заклинивает с передачей момента в другом. Обычно состоит из внешнего и внутреннего колец и расположенного между ними сепаратора с роликами. Используется для снижения ударов во фрикционных муфтах при переключении передач (передача момента начинается только при повышении оборотов двигателя после переключения, приводящего к попытке одной из деталей планетарного редуктора вращаться в обратную сторону и заклиниванию её в обгонной муфте), а также для отключения торможения двигателем в некоторых режимах работы трансмиссии.

Устройство управления АКП представляет собой набор золотников, управляющих потоками масла к поршням тормозных лент и фрикционных муфт. Положения золотников задаются как вручную механически рукояткой селектора, так и автоматически. Автоматика бывает гидравлической или же электронной.

• Гидравлическая автоматика использует давление масла от центробежного регулятора, соединенного с выходным валом АКП, а также давление масла от нажатой водителем педали газа. Это дает автоматике информацию о скорости автомобиля и положении педали газа, на основании которой переключаются золотники.
• Электронная автоматика использует соленоиды, перемещающие золотники. Кабели от соленоидов выходят вне пределов АКП и идут к расположенному где-то вне АКП блоку управления, иногда объединённому с блоком управления впрыском топлива и зажиганием. Решение о перемещении соленоидов принимается электроникой на основе информации о положении педали газа и скорости автомобиля, а также положении рукоятки селектора.

В некоторых случаях предусмотрена работоспособность АКП даже при полном выходе из строя электронной автоматики, но только с третьей передачей переднего хода, или же со всеми передачами переднего хода, но с необходимостью их ручного переключения рукояткой селектора

Средним временем переключения для большинства серийных автомобилей является время порядка 130—150 мс, для суперкаров — 50-60 мс, у болидов Формула-1 — 25 мс.

Основные режимы работы

• Р (англ. Park), П — парковочная блокировка (ведущие колеса заблокированы, блокировка находится внутри самой АКП и не связана с обычным стояночным тормозом);
• R (англ. Reverse), ЗХ на советских моделях — задний ход (недопустимо включать до полной остановки автомобиля, на современных трансмиссиях зачастую существует блокировка);
• N (англ. Neutral), Н — нейтральный режим (включается при кратковременной стоянке и при буксировке на небольшое расстояние);
• D (англ. Drive), Д — движение вперёд (как правило, задействуются все ступени, либо все, кроме повышающих передач);
• L (англ. Low), ПП (принудительно понижающая) или ТХ (тихий ход) — пониженная передача для движения в сложных дорожных условиях или в парадной колонне техники.

Кроме того — данная последовательность была эргономически обоснована, поскольку её выработке в США предшествовал достаточно длительный период эксплуатации автомобилей с не унифицированными между собой алгоритмами управления АКП, многие из которых на практике оказывалось неудобным или даже небезопасным. Например, водители, привыкшие к механическим коробкам передач тех лет с подрулевым рычагом, у которых для включения первой передачи необходимо было потянуть рычаг на себя и опустить до упора вниз, могли привычным движением случайно включить задний ход и попасть в ДТП на парковке или сбить пешехода при раскладке режимов P-N-D-L-R (АКПП Buick DynaFlow) или P-N-D-S-L-R (GM Hydramatic) — что привело к целому ряду исков к производителям от пострадавших. Кроме того, на старых изношенных автомобилях с раскладкой P-N-D-L-R наблюдались случаи самопроизвольного переключения из L в R на ходу при использовании приёма торможения двигателем или от тряски на неровной дороге, что приводило к поломкам коробки и авариям.

Именно в соответствии с полученным в этот период опытом положение, соответствующее режиму заднего хода R, стали располагать перед нейтральным положением селектора N. Впервые раскладка P-R-N-D-L была использована на автомобилях фирмы Ford.

Позднее стала использоваться механическая блокировка, не дающая переключиться в режимы P и R без выжима специальной кнопки.

Заключение

• Автоматическая коробка передач (АКПП) состоит из гидротрансформатора и планетарной коробки передач.
• Гидротрансформатор преобразует крутящий момент и выполняет функции демпфера и гашения толчков. 
• АКПП состоит из планетарных редукторов, фрикционных и обгонных муфт, соединительных валов и барабанов. 
• Фрикционные муфты переключают передачи, сообщая или разобщая элементы АКПП. 
• Устройство управления АКПП включает золотники, управляемые вручную или автоматически. 
• Основные режимы работы АКПП включают парковочную блокировку, задний ход, нейтральный режим, движение вперед и пониженную передачу. 

Распространение

Большинство автомобилей в Северной Америке продается с автоматической трансмиссией, в Европе ситуация обратная — около 80 % автомобилистов выбирают механическую коробку передач. На российском рынке доля новых автомобилей с АКП составила в 2009 году — 31,2 %, в 2010 — 33,8 %, в 2011 — 37,5 %, в 2012 — 41,5 %

Другие виды коробок

Наряду с классическими гидромеханическими АКП, работающими в паре с гидротрансформатором, существуют также «роботизированные» механические коробки передач с автоматизированным переключением, в которых работой сцепления и переключением передач управляет снабжённая сервомеханизмами автоматика.

Применяемая на некоторых автомобилях вариаторная передача, которая также обеспечивает автоматическое изменение передаточного числа трансмиссии, разновидностью автоматической коробки передач не является, как и коробкой передач вообще — вариатор осуществляет плавное изменение передаточного числа трансмиссии без каких либо фиксированных передач и, таким образом, является подвидом бесступенчатой трансмиссии.