Одной из задач конструкторских бюро ведущих автомобильных компаний всегда была и остается до сих пор задача по созданию условий для максимально гибкого управления крутящим моментом двигателя при минимизации производимых водителем действий. Когда-то во время движения водителю приходилось дергать три-четыре рычага и при этом нажимать одну из двух или трех педалей. По сравнению с этой акробатикой даже «механика» (кстати, привычная для многих) смотрится выигрышно. Но необходимость при старте двигать ногами во встречных направлениях, ловя момент сцепления, а также ситуации, при которых приходится часто отрывать руку от руля ради переключения передачи, намекают, что должны существовать и более удобные схемы.
Работы по замене механизма сцепления узлом, передающим крутящий момент от двигателя к коробке передач, увенчались в 1939 году первой коробкой нового типа, который для краткости мы именуем автоматической КПП. Корректнее было бы называть такие агрегаты гидромеханическими коробками, ведь сути эта система представляет собой механическую коробку передач, соединенную с двигателем посредством гидротрансформатора.
Гидротрансформатор состоит из трех лопастных колес. Колесо, соединенное с выходным валом двигателя, называется насосным, а то, что соединено с входным валом КПП, зовется турбинным. Внутреннее пространство гидротрансформатора заполнено маслом. Получая от двигателя крутящий момент, насосное колесо вращается и гонит масло на турбинное колесо, обеспечивая передачу момента к коробке. Так работали первые «автоматы». Добавление промежуточного, реакторного, колеса превратило гидромуфту в гидротрансформатор. Поток масла, вращавший турбинное колесо, все еще обладает значительной остаточной энергией. Реакторное колесо, или, статор, как его еще называют, направляет поток обратно на крыльчатку насосного колеса, заставляя его вращаться быстрее и увеличивая тем самым крутящий момент. Чем меньше скорость вращения турбины по отношению к скорости вращения насоса, тем большей остаточной энергией обладает масло, возвращаемое статором, и тем большим будет момент, создаваемый в гидротрансформаторе.
Статор связан с корпусом гидротрансформатора через обгонную муфту, которая может вращаться только в одном направлении. Благодаря форме лопаток статора и турбины при малых оборотах поток масла подается на обратную сторону лопаток статора. Таким образом, статор заклинивается, передавая на вход насоса максимально возможное количество остаточной энергии масла, что означает и максимизацию передачи крутящего момента. Так при трогании с места гидротрансформатор увеличивает момент примерно втрое.
По мере разгона автомобиля проскальзывание турбины относительно насоса уменьшается, и наступает момент, когда поток масла подхватывает колесо статора и начинает вращать его в сторону свободного хода обгонной муфты. Гидротрансформатор перестает увеличивать момент. КПД его в этом режиме не превышает 85%, что приводит к выделению излишнего тепла и к увеличению расхода топлива двигателем.
Для устранения данного недостатка используется блокировочная плита. Она механически подвижно связана с турбинным колесом. Поток масла, питающий гидротрансформатор, подается в пространство между плитой и корпусом трансформатора, обеспечивая их механическую развязку, и плита в таком положении никак не влияет на работу. Но при достижении автомобилем высокой скорости по команде от устройства управления АКПП направление потока масла изменяется так, что он прижимает блокировочную плиту к корпусу гидротрансформатора. Происходит механическая блокировка насоса и турбины посредством плиты, и двигатель жестко связывается с входным валом коробки передач. Этим предельно сокращаются потери. Естественно, при малейшем торможении автомобиля блокировка немедленно выключается.
Механическая коробка передач, соединенная с турбинным колесом гидротрансформатора, как правило, представляет собой коробку планетарного типа. Бывают и исключения, когда «механика» представляет собой обычные валы с шестернями (например, АКПП производства Honda), но это большая редкость.
Планетарная передача имеет ряд преимуществ, особенно актуальных именно в сочетании с автоматическим переключением: компактность, плавность работы и долговечность. Но и требования к точности изготовления здесь выше.
Одиночный планетарный редуктор напоминает упрощенную модель звездной системы. В центре – «солнечная» шестерная. Снаружи систему опоясывает шестерня «коронная», или эпицикл. А связывают «солнце» и «корону» несколько шестерней меньшего размера, которые именуются сателлитами и насаживаются на общее водило. Переключение скорости вращения в планетарном ряду происходит, когда меняется комбинация состояний его элементов («солнечная» шестерня, эпицикл, водило): они либо блокированы, либо свободно движутся. Например, блокировка только «солнечной» шестерни соответствует второй передаче, так как сателлиты вращаются медленнее «короны». Для включения задней передачи необходимо зафиксировать водило, и тогда эпицикл и «солнце» будут вращаться в противоположные стороны. Фиксация элементов планетарного ряда происходит по командам блока управления АКПП и осуществляется посредством ленточного тормоза или фрикционных блоков.
Как правило, для переключения передач в 3-скоростной автоматической трансмиссии используются два планетарных ряда, в 4-скоростной – три и так далее, но исключения тоже бывают. Совместную работу планетарных рядов координирует гидравлическая система управления. Она включает в себя масляный насос, центробежный регулятор, систему клапанов, исполняющие устройства и каналы подачи масла. При движении с места масляный насос создает давление, при котором обеспечивается такая схема фиксации элементов планетарного ряда, чтобы крутящий момент на выходе был минимальным. Это и есть первая передача. При наборе оборотов давление увеличивается, и в работу входит вторая ступень на уменьшенных оборотах, а первая ступень работает в режиме прямой передачи. С дальнейшим ростом числа оборотов двигателя вся коробка начинает работать в режиме прямой передачи. Как только нагрузка на колеса увеличится, центробежный регулятор начнет понижать давление от масляного насоса, и весь процесс переключения повторится в обратной последовательности. В «продвинутых» АКПП с возможностью включения пониженных передач в данном режиме выбирается такая комбинация клапанов масляного насоса, при которой включение высших передач просто невозможно.
АКПП намного облегчает процесс управления автомобилем, что исключительно приятно в городских условиях. Однако за все нужно платить. Во-первых, автомобиль с автоматической коробкой и его ремонт обойдутся дороже, а во-вторых, все еще сохраняются, несмотря на все старания конструкторов, потери момента при перемешивании масла в гидротрансформаторе. Впрочем, «накладные расходы» от обоих факторов сокращаются едва ли не с каждым годом.
Текст: Серик Туленов
Фотоматериал производителей.