5.3 Автоматична трансмісія

Примітка
Поняття «автоматична трансмісія» застосовується в цьому випадку дуже широко і, для того щоб не виникало питань при вивченні матеріалу, слід внести ясність у те, якими бувають коробки передач з немеханічним керуванням перемиканням передач.

Існує кілька способів реалізації керування автомобілем, не відриваючись від рульового колеса на перемикання передач, як у механічній коробці. Під цими способами слід розуміти установку різних механізмів, що дозволяють позбутися третьої педалі (педалі зчеплення).

Розглянемо три різні принципи конструктивної реалізації автоматичних трансмісій:

• Використання автоматичної коробки передач із гідротрансформатором і планетарними передачами.
• Використання автоматичних безступінчастих коробок передач — ремінного і тороїдного варіаторів.
• Використання роботизованих коробок передач.

Про кожний із наведених вище варіантів конструкції коробок передач ми поговоримо нижче, для початку необхідно просто запам’ятати їх.

Автоматична коробка передач із гідротрансформатором і планетарними передачами

Однією з перших проблем, яку необхідно було вирішити конструкторам, — позбавити водія постійної необхідності витискати педаль вимикання зчеплення при перемиканні передач. На допомогу прийшла гідромуфта, яка в подальшому вдосконаленні перетворилася в гідротрансформатор.

Гідротрансформатор

Призначення гідротрансформатора

Наявність гідротрансформатора в передачі, крім спрощення керування автомобілем, забезпечує також плавне рушання автомобіля з місця і його рівномірне прискорення. З огляду на те, що тяга на колесах зростає поступово, зменшується ймовірність їх буксування, а разом поліпшується прохідність автомобіля.

Малюнок 5.18 Елементи гідротрансформатора.

Гідротрансформатор, інтегрований у силову передачу автомобіля, вирівнює також коливання навантажень, внаслідок чого знижується знос двигуна і механізмів силової передачі автомобіля.

Гідротрансформатор, інтегрований у силову передачу автомобіля, вирівнює також коливання навантажень, внаслідок чого знижується знос двигуна і механізмів силової передачі автомобіля.

Будова гідротрансформатора

У найпростішому гідротрансформаторі є три робочі колеса з лопатками (малюнки 5.19 і 5.20): обертові насосне і турбінне колеса та нерухоме колесо-реактор. Зсередини лопатки коліс закриті круглими стінками, для того щоб усередині коліс утворилася кільцева порожнина круглої форми у розрізі невеликого діаметру. При розташуванні близько один до одного всіх трьох коліс із лопатками всередині утворюється кільцева замкнута порожнина, де циркулює (як показано стрілкою на малюнку 5.19) залита в гідротрансформатор робоча рідина (спеціальне масло).

Насосне колесо з’єднане з корпусом (ротором) і через нього — з колінчастим валом двигуна. Турбінне колесо пов’язане через ведений вал із коробкою передач. Реактор закріплений нерухомо на втулці, з’єднаній із картером (або встановлений на муфті вільного ходу, як показано на малюнку 5.19). Ротор гідротрансформатора з розташованими в ньому робочими колесами встановлений на підшипниках усередині закритого картера.

Малюнок 5.19 Схема гідротрансформатора.

Малюнок 5.20 Спрощений вигляд гідротрансформатора.

Робота гідротрансформатора

Примітка
Щоб робоча рідина (мастило) постійно заповнювала порожнину робочих коліс і охолоджувалася, при роботі гідротрансформатора вона безперервно закачується з мастильного резервуара в робочу порожнину коліс насосом і зливається назад у резервуар.

Під час роботи гідротрансформатора мастило, що закачується в робочу порожнину коліс, захоплюється лопатками обертового насосного колеса, відкидається відцентровою силою назовні, потрапляє на лопатки турбінного колеса і, внаслідок створюваного при цьому напору, приводить його до руху разом із веденим валом. Далі мастило надходить на лопатки нерухомо закріпленого реактора, що змінює напрямок потоку рідини, і потім знову в насосне колесо, безперервно циркулюючи по замкненому колу внутрішньої порожнини робочих коліс (як зазначено стрілкою на малюнку 5.19), беручи участь при цьому в загальному обертанні коліс.

Примітка
Наявність нерухомого реактора, лопатки якого розташовані так, що змінюють напрямок потоку рідини, яка проходить крізь нього, сприяє виникненню на лопатках реактора деякого зусилля. Це зусилля викликає появу реактивного моменту, який впливає через рідину на лопатки турбінного колеса, на додачу до моменту, що передається на нього від насосного колеса. Таким чином, наявність реактора дає змогу отримувати на валу турбінного колеса крутний момент, відмінний від моменту, що передається двигуном.

Що повільніше обертається турбінне колесо порівняно з насосним колесом (наприклад, при зростанні навантаження від руху автомобіля під гору), то більше лопатки реактора змінюють напрямок потоку робочої рідини, що проходить крізь нього, і то більший додатковий момент передається від реактора до турбінного колеса, внаслідок чого збільшується крутний момент на його валу.

Примітка
Властивість гідротрансформаторів автоматично змінювати (або трансформувати) співвідношення крутних моментів на валах залежно від співвідношення кількості обертів на ведучому і веденому валах (і, отже, від величини зовнішнього навантаження) є їх основною особливістю. Таким чином, дія гідротрансформатора аналогічна дії коробки передач із автоматичною зміною передавальних чисел.

Цікаво
Максимальне значення коефіцієнта корисної дії (ККД) для наявних конструкцій гідротрансформаторів коливається в межах 0,85—0,90.

Гідротрансформатор і муфта вільного ХОДУ

Однак конструктори не хотіли зупинятися на досягнутому і вирішили, що необхідно розширити можливості гідротрансформатора, щоб поліпшити його пристосованість до різних режимів роботи. Рішення було простим і цікавим водночас. Вони взяли і встановили реакторне колесо на муфту вільного ходу, давши можливість гідротрансформатору працювати в режимі гідромуфти. Такі гідротрансформатори називаються комплексними.

Примітка
Муфта вільного ходу (інша назва — «обгінна муфта») — це вузол, який припиняє передачу крутного моменту від веденого вала назад до ведучого в разі, якщо з якої-небудь причини ведений вал починає обертатися швидше. Найбільш наочний приклад — це привод ведучого колеса у велосипеді: коли треба, ви обертаєте педалі, і тяга від них передається на колесо через муфту, а розігнавшись, перестаєте виконувати важку працю — педалі не обертаються, колесо котиться дорогою без проблем. Ще один приклад — це ключ із «тріскачкою»: в один бік блокується і затягує болт, при зворотному ході головка ключа залишається на місці, а ручка з характерним тріском повертається у вихідну позицію.

Робота комплексного гідротрансформатора

Особливість роботи такого гідротрансформатора полягає в наступному: коли кількість обертів веденого вала є значно меншою за кількість обертів ведучого вала, що відповідає підвищеному навантаженню на веденому валу (наприклад, автомобіль починає рух), тоді потік рідини, яка виходить із турбінного колеса, вдаряється об лопатки реактора з внутрішнього (щодо напрямку обертання) боку. При цьому, прагнучи обертати колесо в зворотний бік від загального обертання, потік, створюваний зусиллям, заклинює реактор нерухомо на муфті вільного ходу. При нерухомому реакторі вся система працює як гідротрансформатор, описаний вище, забезпечуючи необхідну трансформацію крутного моменту і сприяючи подоланню навантажень, що змінюються. Якщо ж навантаження на ведений вал знижується (автомобіль їде з постійною швидкістю трасою), а кількість обертів турбінного колеса різко підвищується, то рідина, що надходить з лопаток турбіни, вдаряється в лопатки реактора із зовнішнього боку, прагнучи обертати його в бік загального обертання. У такому разі муфта вільного ходу розблоковується, і реакторне колесо починає вільно обертатися в загальному напрямку з насосним колесом. Внаслідок відсутності нерухомих лопаток на шляху потоку рідини трансформація (зміна) моменту припиняється, і вся система працює як гідромуфта, тобто фактично з’єднує колінчастий вал із валом коробки передач безпосередньо, подібно механічному зчепленню.

Автоматична коробка передач у зборі

Однак гідротрансформатор — це лише частина всієї системи. Щоб досягти всіх тих параметрів, які має механічна коробка передач, необхідно вводити ступені з різними передавальними числами. І що більше буде цих ступенів, то ефективнішим буде використання потужності та крутного моменту двигуна в різних дорожніх умовах. Для забезпечення таких умов використовуються планетарні передачі.

Примітка
Малюнки 5.21 и 5.22 наочно демонструють складність будови автоматичної коробки передач.

Основні режими роботи автоматичної коробки передач

Практично будь-яка автоматична коробка передач має такі режими, що стали, так би мовити, стандартними з кінця 1950-х років:

Р (англ. «Park») — паркувальне блокування (ведучі колеса заблоковані, блокуються безпосередньо вали всередині коробки передач, це жодним чином не пов’язано зі стоянковим гальмом).

R (англ. «Reverse») — задній хід (забороняється вмикати цей режим до повної зупинки автомобіля, на сучасних АКП є блокування).

N (англ. «Neutral») — нейтральний режим (необхідний для повного роз’єднання двигуна і ведучих коліс у разі короткочасної стоянки або буксирування на незначну відстань).

D (англ. «Drive») — рух уперед (рух із автоматичним перемиканням передач від першої до останньої, залежно від дорожньої обстановки і режиму руху).

Примітка
Режим роботи «Kick-down» («Кік-даун») — режим прискорення. Жодним чином його не можна увімкнути за допомогою селектора перемикання режимів роботи АКП. Вмикається лише при різкому натисканні педалі акселератора майже до упору, при цьому електроніка перемикається на одну або відразу кілька передач «вниз» (на пониження), щоб отримати максимальне прискорення автомобіля, наприклад при обгоні.

L (англ. «Low») — знижена передача, «тихий хід» (для руху в складних дорожніх умовах або при паркуванні автомобіля).

Іноді на АКП застосовуються додаткові режими роботи. Так, якщо є режим, зазначений цифрою 2, це означає, що коробка передач буде працювати тільки в межах першої та другої передач, тобто не вище другої. А якщо додатково є положення «1», значить коробка передач буде працювати не вище першої передачі.

Малюнок 5.23 Приклад селектора вибору режимів роботи автоматичної коробки передач.

Tiptronic: автоматичне перемикання і контроль над автомобілем

Ідея належить компанії Porsche. Інженери та конструктори замислилися над тим, а що як водієві автомобіля з АКП дати можливість обирати передачі самостійно. Вдавшись до незначних операцій та конструкторських доробок, вони отримали украй цікавий режим роботи АКП: начебто і передачі перемикає сам водій, але педалі зчеплення немає, а ось відчуття повного контролю над автомобілем є.

Підхопивши настільки цікаве рішення, всі автовиробники почали монтувати на автомобілі АКП Tiptronic. Дехто пішов далі — керування в «ручному режимі» перевели на підкермові пелюстки, поріднивши тим самим звичайні дорожні легкові автомобілі зі спортивними болідами.

Примітка
Характерною зовнішньою особливістю АКП з Tiptronic є додаткове положення селектора перемикання, який може переміщатися вперед/назад або вправо/ вліво, і наявність значків «+» і «-» на панелі селектора, які означають перемикання передач «вгору » і «вниз» відповідно.

Малюнок 5.24 Приклад селектора вибору режимів роботи автоматичної коробки передач із системою Tiptronic.

Безступінчаста коробка (ремінний варіатор)

Опис

Щодо автоматичної коробки, описаної вище, передачі хоч і вмикаються автоматично, але вони усе-таки перемикаються в заданому діапазоні. А що як діапазон цей зберегти, а від передач позбутися (не у прямому сенсі слова) — зробити плавну зміну передавальних відношень від найнижчої до найвищої передачі. На допомогу прийшов варіатор. Найбільше поширення отримав фрикційний клинопасовий, а на сьогодні — ланцюговий варіатор (приклад якого представлено на малюнку 5.25).

Малюнок 5.25 Приклад будови варіаторної автоматичної коробки.

Варіатор є украй простим механізмом, тому, власне, і почав останніми роками набувати усе більшої популярності серед автовиробників.

Складається цей механізм із двох шківів і натягнутого між ними ременя (ланцюга). Особливістю цих шківів є те, що кожен із них складається з двох половинок (в плані схожих на усічені конуси), які можуть розсуватися і зсуватися (як показано на малюнку 5.26). Один зі шківів — ведучий (приєднаний через муфту до колінчастого вала двигуна), другий — ведений (передає далі тягу на колеса).

Принцип роботи

На початку руху, коли до ведучих коліс необхідно підвести максимальний крутний момент, половинки ведучого шківа максимально розведені, а веденого шківа — встановлені з мінімальним зазором (ліва частина малюнка 5.26). У цьому разі ремінь начебто провалюється між двома половинками ведучого шківа. Таким чином, фактичний робочий діаметр ременя на ведучому шківі мінімальний, а на веденому шківі — максимальний, чим досягається найвище передавальне відношення і, відповідно, найвищий крутний момент. У міру набору швидкості частини ведучого шківа потроху зсуваються, а частини веденого шківа розсуваються. Передавальне відношення плавно змінюється (права частина малюнка 5.26).

Примітка
У варіатора діапазон передавальних чисел обмежений лише розмірами шківів.

Малюнок 5.26 Принцип роботи варіатора.

Одним із основних вад такого типу варіатора був невеликий ресурс клинового ременя, що знаходиться між шківами. Із розвитком технологій клиновий ремінь замінили на ланцюг (приклад ланцюга на малюнку 5.27) або, в окремих випадках, на складений металевий ремінь.

Малюнок 5.27 Ланцюг, що застосовується в сучасних варіаторах.

Режим ручного керування варіатором

У сучасних автомобілях при використанні варіатора стали застосовувати так звані віртуальні передачі. Під кермом встановлюють пелюстки для перемикання цих передач вгору і вниз, а на селекторі є окремі положення, позначені, як і у випадку з Tiptronic, символами «+» і «–». Віртуальними передачі називають тому, що якраз самих передач тут і немає, а є тільки кілька (залежно від уяви виробника) фіксованих положень веденого і ведучого шківів варіатора.

Цікаво
До керування автомобілем із варіатором необхідно звикнути, оскільки через відсутність передач електроніка намагається підтримувати оберти двигуна в найбільш ефективному діапазоні роботи, тому може виникнути враження, що двигун «виє» і постійно перевантажений. Проте і від цього недоліку багато виробників примудряються позбутися способом впровадження більш досконалих систем керування.

Безступінчаста коробка (тороїдальний варіатор)

Тороїдальний варіатор — це рідкість, проте гарна спроба автовиробників позбутися основної вади варіаторів клинопасових — власне ременя. Тороїдальний варіатор — це два встановлені один навпроти одного конуси з увігнутими стінками. Між цими конусами встановлені та притиснуті з дуже великим зусиллям два ротори, які мають можливість переміщатися поверхнями конусів, як показано на малюнку 5.28.

Малюнок 5.28 Принцип роботи тороїдального варіатора.

Один із конусів — ведучий, другий — ведений. Обертання від ведучого конуса передається на ведений через шківи. На початку руху, коли передавальне відношення має бути максимальним, шківи повернуті та встановлені так, що у ведучого конуса вони знаходяться максимально близько до вершини, а у веденого — до основи. Виходить, що фактичний діаметр шківа ведучого менший фактичного діаметра шківа веденого на величину передавального відношення. Один конус обертається, це обертання через шків передається на другий конус. Щоб змінити передавальне відношення, необхідно перемістити шківи в зворотний бік — у бік збільшення фактичного діаметра ведучого шківа.

Примітка
Тороїдальний варіатор називається на честь фігури тор, і це жодним чином не пов’язано з давнім скандинавським асом, богом грому і блискавки — Тором.

Вади

Одним із недоліків цього типу варіаторів є те, що основні робочі деталі виконані з металу. А як відомо зі шкільного курсу фізики, тертя металу об метал має дуже низький коефіцієнт корисної дії. Щоб це компенсувати, всі робочі деталі необхідно виготовляти з високоміцних матеріалів і притискати один до одного з дуже великим зусиллям. Доповнює ці вади ще й дорожнеча, причому як виготовлення, так і обслуговування.

Малюнок 5.29 Зовнішній вигляд тороїдального варіатора.

Преселективна роботизована (автоматизована) коробка передач

Нині все частіше на слуху такі типи коробок передач, як преселективні роботизовані (автоматизовані). Що це означає? А те, що в конструкції є вали ведучі, із жорстко встановленими на них шестернями, і є два ведені вали із шестернями і синхронізаторами, що вільно обертаються. На кожному валу встановлені шестерні парних і непарних передач відповідно, тобто на одному валу вмикаються тільки, наприклад, перша, третя і п’ята передачі, а на другому — друга, четверта і шоста. І кожен із цих двох валів має своє зчеплення. Все разом керується і перемикається електронікою і сервомеханізмами.

Принадність цієї конструкції в тому, що за фактом ми маємо механічну коробку передач з усіма її перевагами, але з можливістю перемикання передач без розриву потоку потужності від двигуна до коліс.

Примітка
Один із основних недоліків усіх механічних коробок передач — це розрив потоку потужності, тяги від двигуна до коліс, при перемиканні передач, пов’язаний із необхідністю вимикати зчеплення.

Робота коробки передач

На малюнку 5.30 представлено схема роботи преселективної коробки передач. Є два зчеплення: одне для вала з «парними» рядами передач, друге — для вала з «непарними». Ведучі вали своєю чергою передають обертання на ведені, а ті — на один вихідний вал, як показано на схемі.

Примітка
«Парним» або «непарним» називаємо вал залежно від того, шестерні яких передач вмикаються на ньому.

Яким же чином досягається плавність перемикання без розриву потоку потужності?

Водій увімкнув першу передачу, зчеплення «непарного» вала замкнулося і передає тягу від колінчастого вала на ведений і далі на вихідний вал та колеса. При перемиканні на другу передачу «непарне» зчеплення ще не вимикається, а «парне» починає вмикатися, тобто «парний» вал починає отримувати частину тяги від двигуна, в певний момент «непарне» зчеплення повністю вимикається, а «парне» вже на всю передає тягу від двигуна на другий ведений вал. Передачі перемкнулися, а потік потужності не переривався.

Малюнок 5.30 Схема преселективної коробки передач.

Таким чином отримали відмінний спосіб поєднати переваги механічної коробки передач з перевагами автоматичної коробки.

Проте не все так прекрасно на практиці, як у теорії і на випробувальних стендах автовиробників. Багатьом досі не вдалося позбутися поштовхів під час початку руху автомобіля і збільшити ресурс зчеплень.

Малюнок 5.31 Зовнішній вигляд преселективних коробок передач.