Гидравлический привод колес автомобиля

Что такое гидравлическая трансмиссия

Гидравлическая трансмиссия — совокупность гидравлических устройств, позволяющих соединить источник механической энергии (двигатель) с исполнительными механизмами машины (колесами автомобиля, шпинделем станка и т.д.)

Гидротранмиссию также называют гидравлической передачей. Как правило в гидравлической трансмиссии происходит передача энергии посредством жидкости от насоса к гидромотору (турбине).

В зависимости от типа насоса и мотора (турбины) различают гидростатическую и гидродинамическую трансмиссии.

Гидростатическая трансмиссия

Гидростатическая трансмиссия представляет собой объемный гидропривод.

В представленном ролике в качестве выходного звена использован гидродвигатель поступательного движения. В гидростатической трансмиссии используется гидродвигатель вращательного движения, но принцип работы, по-прежнему остается основанным на законе гидравлического рычага. В гидростатическом приводе вращательного действия рабочая жидкость подается от насоса к мотору.

В зависимости от рабочих объемов гидромашин могут изменяться момент и частота вращения валов. Гидравлическая трансмиссия обладает всеми достоинствами гидравлического привода: высокой передаваемой мощностью, возможностью реализации больших передаточных чисел, осуществления бесступенчатого регулирования, возможностью передачи мощности на подвижные, перемещающиеся элементы машины.

Способы регулирования в гидростатической трансмиссии

Регулирование скорости выходного вала в гидравлической трансмиссии может осуществлять путем изменения объема рабочего насоса (объемное регулирование), или с помощью установки дросселя либо регулятора расхода (параллельное и последовательное дроссельное регулирование). На рисунке показана гидротрансмиссия с объемным регулированием с замкнутым контуром.

Гидротрансмиссия с замкнутым контуром

Гидравлическая трансмиссия может быть реализована по замкнутому типу (закрытый контур), в этом случае в гидросистеме отсутствует гидравлический бак, соединенный с атмосферой.

В гидравлических системах замкнутого типа регулирование скорости вращения вала гидромотора может осуществляться путем изменения рабочего объема насоса. В качестве насос-моторов в гидростатической трансмиссии чаще всего используют аксиально-поршневые машины.

Гидротрансмиссия с открытым контуром

Открытой называют гидравлическую систему соединенную с баком, который сообщается с атмосферой, т.е. давление над свободной поверхностью рабочей жидкости в баке равно атмосферному. В гидротрасмиссиях отрытого типа возможно реализовать объемное, параллельное и последовательное дроссельное регулирование. На следующем рисунке показана гидростатическая трансмиссия с отрытым контуром.

Где используют гидростатические трансмиссии?

Гидростатические трансмиссии используют в машинах и механизмах где необходимо реализовать передачу больших мощностей, создать высокий момент на выходном валу, осуществлять бесступенчатое регулирование скорости.

Гидростатические трансмиссии широко применяются в мобильной, дорожно-строительной технике, экскаваторах бульдозерах, на железнодорожном транспорте — в тепловозах и путевых машинах.

Гидродинамическая трансмиссия

В гидродинамических трансмиссиях для передачи мощности используются динамические насосы и турбины. Рабочая жидкость в гидравлических трансмиссиях подается от динамического насоса к турбине. Чаще всего в гидродинамической трансмиссии используются лопастные насосное и турбинное колесо, расположенные непосредственно друг напротив друга, таким образом, что жидкость поступает от насосного колеса сразу к турбинному минуя трубопроводы. Такие устройства объединяющие насосное и турбинное колесо называются гидромуфтами и гидротрансформаторами, которые не смотря на некоторые похожие элементы в конструкции имеют ряд отличий.

Гидромуфта

Гидродинамическую передачу, состоящую из насосного и турбинного колеса, установленных в общем картере называют гидромуфтой. Момент на выходном валу гидравлической муфты равен моменту на входном валу, то есть гидромуфта не позволяет изменить вращающий момент. В гидравлической трансмиссии передача мощности может осуществляться через гидравлическую муфту, которая обеспечит плавность хода, плавное нарастание крутящего момента, снижение ударных нагрузок.

Гидротрансформатор

Гидродинамическая передача, в состав которой входят насосное, турбинное и реакторное колеса, размещенные в едином корпусе называется гидротрансформатором. Благодаря реактору, гидротрасформатор позволяет изменить вращающий момент на выходном валу.

Гидродинамическая передача в автоматической коробке передач

Самым известным примером применения гидравлической передачи является автоматическая коробка передач автомобиля, в которой может быть установлены гидромуфта или гидротрансформатор. По причине более высоко КПД гидротрансформатора (по сравнению с гидромуфтой), он устанавливается на большинство современных автомобилей с автоматической коробкой передач.

Гидравлический привод колес автомобиля

Гидравлический привод для автомобиля повышенной проходимости для соревнований по «трофи — рейдам»

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ ДЛЯ СОРЕВНОВАНИЙ ПО «ТРОФИ — РЕЙДАМ»

Научный руководитель – канд. техн. наук

Сибирский Федеральный университет

В настоящее время автоспорт приобретает все большую популярность во всем мире и наша страна не исключение. Ежегодно проводятся различные международные соревнования, в которых наша страна принимает активное участие, например, ралли-марафон «Дакар».

Особый интерес представляет новый вид автоспорта – трофи-рейд, смысл которого в преодолении бездорожья, обычно на полноприводных автомобилях (внедорожниках), специальных внедорожных мотоциклах, квадроциклах. Как правило, в трофи-рейдах, в отличие от автогонок, скорость прохождения маршрута не так важна – необходимо просто уложиться в зачетное время. Важнее успешно пройти все спецучастки и выполнить задания всех соревновательных этапов.

В этой связи в Сибирском федеральном университете был организован центр автомотоспорта, основной целью которого, является интеграция научно-технической деятельности студентов и преподавателей СФУ в научных исследованиях, экспериментальных установках, а также развитии автомотоспорта. В рамках одного из направлений деятельности Центра реализуется проект, целью которого является разработка автомобиля повышенной проходимости в соответствии с требованиями Российской автомобильной федерации (РАФ) для участия в соревнованиях.

В соответствии с требованиями РАФ и проанализированными выше автомобилями, для улучшения показателей проходимости и пассивной безопасности проектируемой машины коллективом Центра автомотоспорта СФУ была разработана пространственная рама, состоящая из труб прямоугольного и квадратного профиля, основным достоинством которой является высокое отношение крутильной жёсткости к массе. АТС с центральным расположением двигателя и гидрообъемной трансмиссией. Общий вид автомобиля представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 — Автомобиль СФУ 3111

Трансмиссией называется силовая передача, осуществляющая связь двигателя с ведущими колесами автомобиля. Она служит для передачи от двигателя к ведущим колесам мощности и крутящего момента, необходимых для движения автомобиля.

На данном автомобиле решено реализовать гидрообъемную трансмиссию вместо механической, так как переключение передач приводит к разрыву потока мощности и опасности срыва грунта колесами в момент включения передачи при движении по поверхностям с низкой несущей способностью. Эффективность двигателя в механической трансмиссии высока только на некоторых определенных режимах его работы, например, в режиме создания максимального крутящего момента и резко падает при отходе от них.

Ступенчатая трансмиссия, осуществляя жесткую связь двигателя с колесами, нагружает двигатель моментом, пропорциональным моменту дорожных сопротивлений, которые, в свою очередь, изменяются в широком диапазоне произвольно и независимо от водителя. В результате двигатель используется недостаточно эффективно, и эксплуатационный расход топлива весьма велик. Все эти обстоятельства приводят к выводу о необходимости применения на полноприводных автомобилях бесступенчатых трансмиссий, в нашем случае – гидрообъемной. Для достижения цели при проектировании гидрообъемной трансмиссии перед нами были поставлены следующие задачи: обеспечение полного привода, возможность включения и отключения переднего или заднего мостов для езды по асфальтобетонному покрытию, возможность включения межосевой блокировки, а так же обеспечение реверса (возможность движения задним ходом).

Вначале 1990-х гг., были проведены обширные исследования в области гидрообъемных трансмиссий, и была выдвинута идея для использования «гибкой» трансмиссии в автомобилях эксплуатируемых по бездорожью. Эта идея стала воплощаться в реальность когда в результате реорганизации НАМИ была основана небольшая научно-исследовательская фирма «НАМИ-Сервис. Ее руководителем стал . Результаты исследований позволили к концу 1990-х гг. сформулировать основные требования к конструкции «гибкой» трансмиссии полноприводного автомобиля высокой проходимости и приступить к разработке опытного образца. Так в 2003 году появился уникальный не имеющий аналогов в мире автомобиль под названием «Гидроход-49061» с гидрообъемной трансмиссией. Принципиальная гидравлическая схема трехконтурной гидрообъемной трансмиссии, принятой за основу при проектировании автомобиля «Гидроход» представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — принципиальная гидравлическая схема автомобиля «Гидроход-49061».

Где 1 – двигатель, 2 – раздаточный редуктор, 3 – насос, 4 – гидромотор, 5 – согласующий редуктор, 6 – колесо.

Однако такая схема не может быть использована на легковом автомобиле, из-за габаритов и массы оборудования. Так для автомобиля АТС СФУ 3111 мы предложили схемное решение с одним гидравлическим насосом и двумя гидравлическими моторами, которые приводят в движение мосты, а не отдельно каждое колесо. К тому же использование одного гидронасоса и подключение гидромоторов непосредственно к мостам упрощает схему тем, что можно пренебречь использованием редукторов. Ниже на рисунке 3 представлена гидравлическая схема, используемая на автомобиле.

Рисунок 3 – принципиальная гидравлическая схема автомобиля АТС СФУ 3111.

Гидропривод состоит из бака, гидронасоса Н, фильтра Ф, предохранительного клапана КП, гидрораспределителя Р1 переключение которого обеспечивает реверс хода а так же нейтральное положение замыкающее гидромоторы в одну цепь и освобождая гидронасос от нагрузки, гидрораспределителя Р2 (гидравлическая межосевая блокировка), гидрораспределителей Р3 и Р4 которые позволяют отключать передний или задний мосты и переливных клапанов установленных в сливной гидролинии.

Для достижения межосевой блокировки нами был сконструирован гидрораспределитель Р2 не имеющий аналогов. Уникальность этого гаспределителя в том, что в нем работают две секции одновременно, а при переключении его начинают работать срезу две другие секции, что кардинально меняет работу гидропривода.

Гидравлическая межосевая блокировка (гидрораспределитель Р2) работает следующим образом. При включении левой (по схеме) позиции гидрораспределителя жидкость нагнетающаяся насосом Н попадает в первую и третью полость гидрораспределителя Р2 (смотреть слева по схеме). Таким образом гидромоторы включены параллельно, это позволяет работать гидросистеме даже если один гидромотор заблокируется (например колеса упрутся в бревно), при переключении гидрораспределителя Р2 мы замыкаем гидромоторы в одну цепь (последовательно) это позволяет избежать остановки автомобиля при попадании колес одного из мостов в почву где сила трения о грунт значительно меньше чем у другого. Переливные клапаны служат для слива жидкости при температурном расширении, когда один из мостов отключен.

DAF представил гидропривод для передней оси: новый или старый?

В компании DAF, невзирая на обстановку, недавно провели презентацию строительных тягачей, где показали новую систему РХР. На деле, правда, эта система — не что иное, как хорошо известный подключаемый гидропривод передних колес под названием HydroDrive.

Устроена эта система следующим образом: в передних ступицах установлены гидромоторы с крутящим моментом до 6435 Нм при максимальном давлении в системе 360 бар. К валу отбора мощности двигателя пристыкован гидронасос, а на раме смонтированы бак с рабочей жидкостью и блок клапанов.

В штатных режимах тягач располагает лишь приводом на заднюю ось, но, если возникает потребность в полном приводе, система включается. Водитель нажимает клавишу, клапаны открываются, масло поступает в гидромоторы — и тягач начинает «грести» не только задними, но и передними колесами. Помимо этого, система активируется и автоматически — если датчики регистрируют скольжение при обычной езде.

Но почему дафовцы представили эту систему как новинку — непонятно. Ведь она известна давным-давно и есть почти у каждого из европейских конкурентов.

Одним из первых подобное решение продемонстрировал на своих тягачах MAN, еще в 2005 году. Чуть позже оно появилось и на Мерседесах. А в 2010-м французы из Renault показали такую же систему в действии на своих машинах, переименовав в OptiTrack. Неудивительно, что через год ее начала предлагать и хозяйская фирма Volvo. Все они были похожи, даже поставщиками агрегатов выступали одни и те же фирмы. В частности, гидромоторы несли чешскую марку Poclain Hydraulics.

Но самое примечательное, что гидропривод передней оси был в программе и у ДАФа. Его, в том числе и для старших тягачей XF, предлагал местный партнер-передельщик Ginaf — под собственным именем HydroAxle+. Но зачем тогда заново демонстрировать его публике под другим названием?

В нем и кроется ответ: РХР расшифровывается как Paul Xtra Power. Эта фирма хорошо известна как производитель нестандартных машин для компании Mercedes. В частности, именно Paul поставляет и собирает такие гидромосты для немецкого гиганта — в значительных количествах.

Хотя в гражданской программе DAF давно нет полноприводных моделей, он авторитетный поставщик таких машин для нидерландской армии — наподобие танкового тягача XF 6×6

Больший тираж позволяет уменьшить цену. Если система фирмы Ginaf оценивается в 18 тысяч евро, то ее аналог у того же МАНа дешевле почти на треть — стоит около 13 тысяч евро. Экономия для покупателя значительная. Пока система РХР будет доступна для тягачей DAF CF и XF, а к концу года появится и ее вариант для шасси.

Гидропривод транспортного средства 4-Trac

Принципиальная схема гидропривода 4-Trac (привода на все колеса)

Гидравлическая схема привода

Обозначения:
102 Фильтровальный патрон — 10 мкм
109 Масляный радиатор
110 Масляный бак
112b Сетчатый фильтр привода ходовой части и рулевого управления
203 Привод 4-Trac, радиально-поршневой гидромотор слева
204 Привод 4-Trac, радиально-поршневой гидромотор справа
205 Шестеренчатый насос рабочей гидравлики — 19 или 14 см3/об.
207 Аксиально-поршневой нерегулируемый гидромотор — 100 см3/об.
208 Привод ходовой части, регулируемый гидронасос.. Rexroth 90 R 100/130
209 Питательный насос — 26 см3/об.
211 Аксиально-поршневой регулируемый гидронасос — Rexroth 100 / 130 см3/об.
217 Насос привода корзины радиатора — 5,5 см3/об.
218 Шестеренчатый насос рулевого управления — 11 см3/об.
313 Сервоцилиндр
401 Диафрагма A
406 Диафрагма — Ø 0,8 мм
412 Диафрагма — Ø 2 мм
515 Гидроаккумулятор — 0,75 л
606 Сервоклапан
701 Клапан регулирования потока 4-Trac
706-5 Клапан ограничения давления
708 Клапан отсечки давления — 420+30 бар
709 Питательный клапан — 0,7 бар
710 Байпасный клапан — 3 бар
711 Клапан ограничения высокого давления — 430+30 бар
713 Мультифункциональный клапан назад
714 Мультифункциональный клапан вперед
716 Клапан ограничения давления питания — 30±2,5 бар
719 Промывочный клапан
720 Подпорный клапан — 7 бар
721 Переключающий клапан
731 Клапан обратной линии (обратный клапан)
732 Обратный клапан
747 Клапан короткого замыкания
750 Тормозной дроссельный клапан
751 Внешний питательный клапан (обратный клапан)
773 Регулятор давления
774 Подпорный клапан
777 Главный управляющий клапан Привод 4-Trac (привод на все колеса) вкл./выкл.
788 Привод 4-Trac Overdrive, промывочный клапан
789 Привод 4-Trac Overdrive, подключающий клапан
Y1 Электромагнитный клапан привода на все колеса / 4Trac (управляющий клапан)
Y124 Тормозной дроссель гидравлики ходовой части (HBM)
Y126 Электромагнитный клапан Привод 4-trac Overdrive

Клапанный узел MUD HOG

Описание функций:

Через соответствующую сторону высокого давления в контуре высокого давления (А/В) производится переключение перекидного клапана (702), так что через соответствующую сторону низкого давления всегда имеется подпиточное давление на электромагнитном клапане (Y1). В зависимости от коммутационного положения электромагнитного клапана (Y1) подпиточное давление подается в зону пружины -ВЫКЛ.- или на противоположную сторону — ВКЛ.- управляющего золотника (777). Управляющий золотник (777) затем открывает поток масла (А/В) через соответствующий клапан регулирования потока (701) к колесным двигателям через выводы А1-А2 или В1-В2. Соответствующая обратная линия колесных двигателей В1-В2 или А1-А2 проходит через клапан обратной линии (731) на другой уровень клапанного узла к стороне низкого давления (В/А).
Клапаны регулирования потока (701) управляют дифференцированным потоком масла к колесным двигателям, с целью предотвращения ухода масла на более легкоходную сторону одного из обоих колесных двигателей. При этом колесный двигатель с большей нагрузкой создает подпорное давление на золотнике регулирования потока, который затем прикрывает кромку управления на противоположной стороне и обеспечивает балансировку уровня давления нагрузки обеих сторон.

Быстродействующий клапан (782)

При выключении привода 4-Track включается также быстродействующий клапан (782) и разгружает при этом напорную сторону двигателей через линия утечек масла в корпус. Небольшой поток масла через диафрагму (406) обеспечивает надежное положение покоя поршней в двигателях, так как обратный клапан (732-2) обеспечивает подпор корпуса двигателя.

Радиально-поршневой гидромотор POCLAIN

Описание функций:

Колесный двигатель выполнен в виде радиально-поршневого двигателя, при буксировке нет необходимости механически отсоединять его от привода. Если на двигатель передается усилие от ведущего колеса, то криволинейная направляющая (В) вытесняет десять поршней (К) в цилиндрический ротор (Z), благодаря чему колесная ступица может свободно вращаться. При подключенном приводе на все колеса масло подается на вывод А или В двигателя, в зависимости от направления движения. Распределительный блок (V) подает его при этом на поршни (К), находящиеся в ниспадающей позиции криволинейной направляющей (В).

Ролик на поршне (К) вследствие этого отталкивается от криволинейной направляющей (В) и приводит цилиндрический ротор (Z) во вращательное движение, которое через зубчатое зацепление переносится на колесную ступицу. Если поршень (К) перемещается по возрастающему профилю криволинейной направляющей (В), то масло вытесняется на сторону низкого давления контура высокого давления через цилиндрический ротор (Z) и распределительный блок (V).

Описание функций:

Для функции 4-Track Overdrive используются 2-ступенчатые радиально-поршневые двигатели. Функция Overdrive ВЫКЛ. Внутри каждого радиально-поршневого двигателя (203/204) два роторных комплекта параллельно соединены друг с другом через подключающий клапан (789). При двойном объеме поглощения скорость движения (скорость вращения) радиально-поршневых двигателей (203/204) снижается при одновременном увеличении передаваемого момента вращения.

Функция Overdrive ВКЛ. При включенном электромагнитном клапане 4-trac Overdrive (Y126) два роторных комплекта соединяются друг с другом последовательно через подключающий клапан (789). При уменьшенном объеме поглощения снижается передающий момент радиально-поршневых двигателей (203/204) при одновременном повышении скорости движения (скорости вращения).

Регулируемый двигатель

Описание функций: 1/4

Привод на все колеса представляет собой управляемый ведущий мост, каждое колесо которого приводится в действие аксиально-поршневым регулируемым двигателем со встроенным колесным редуктором. Гидравлическое обеспечение выполнено параллельно с гидростатическим замкнутым контуром машины. При возникновении проскальзывания (снижения тяги) на ведущем или управляемом ведущем мосту оно опознается и устраняется регулированием. Также и при затруднительных тяговых условиях система старается обеспечивать максимальную скорость уборки. Система определяет действительную скорость вращения каждого двигателя и на основе соответствующих данных машины (диаметр колеса, механическое передаточное отношение, количество импульсов в минуту и т.д.) рассчитывает окружную скорость колеса.

Эталон — при движении по прямой скорость самого медленного колеса используется в качестве базовой для остальных колес. Принимается, что эта скорость отображает скорость транспортного средства. Регулируемый двигатель быстро вращающегося колеса переводится в направлении небольшого объема поглощения (Qмин.). Передаваемый приводной момент медленно вращающегося колеса увеличивается.

Регулирование аксиально- поршневых регулируемых двигателей (2063, 2064)

Регулируемый двигатель при этом находится в своем исходном положении с минимальным объемом поглощения. При помощи электромагнитной катушки с широтно-импульсной модуляцией (Y281, Y282) при этом из соответствующего контура высокого давления через переключающий клапан установочного давления двигателя привода ходовой части (7128, 7129) генерируется переменное давление управления на гидроцилиндр сервоуправления двигателем привода ходовой части (3146, 3147).

LTA ВЫКЛ. Вся система не активна.

В этом случае электромагнитные катушки регулирования аксиально- поршневого двигателя системы 4-Trac (Y281, Y281) обесточены. Регулируемые двигатели системы 4 -Trac (2063, 2064) установлены на минимальный объем поглощения (Qмин. = 0 литров).

При разблокированном выключателе движения по дорогам (S52) и включенной системе 4-Trac (S4) электромагнитные катушки регулирования аксиально-поршневого двигателя системы 281-Trac (Y281, Y281) отдельно управляются с широтно-импульсной модуляцией в зависимости от:

— актуальной скорости
— смещения рычага движения
— соответствующего угла поворота
— направления движения производится регулирование объема поглощения аксиально- поршневых двигателей.
— Скорость Частота, замеренная сенсорами скорости вращения аксиально- поршневых двигателей системы 4-Trac (B203, B204), опознается в качестве скорости вращения (эффект Холла) и вводится в модуль управляемого ведущего моста (A79) в качестве сигнала. При скорости 0 км/час через электромагнитные катушке течет полный ток ок. 1300 мА, двигатели (2063, 2064) полностью выведены (Qмакс. = 50 см3).
— Рычаг движения
Начиная с 50% смещения рычага движения аксиально-поршневые двигатели (2063, 2064) переводятся в направление Qмин.
— Угол поворота рулевого управления
При движении на поворотах скорости колес устанавливаются в пропорциональной зависимости от их круга поворота, то есть воздействие рулевого управления учитывается в процессе регулирования.

Необходимый сигнал, касающийся положения рулевого управления, поступает от сенсора угла поворота колес автопилота (B6 . см. электрооборудование, схему 28) и по шине CAN подается на модуль управляемого ведущего моста (A79). Необходимо соответствующим образом отконфигурировать движение по прямой и размеры шин

Направление движения (Опознавание направления вращения)

Сенсоры скорости вращения системы 4-Trac (B203, B204) дополнительно могут опознавать соответствующее направление движения (направление вращения). При резком замедлении машины благодаря опознаванию направления вращения аксиально- поршневые двигатели переводятся на минимальный объем поглощения (Qмин. = 0 литров), этим предотвращается вращение двигателей в обратную сторону.
Сенсоры скорости вращения системы 4-Trac (B203, B204) работают по принципу сенсора Холла, они благодаря двум сигнальным микросхемам (A/B) могут опознавать полярность магнитного поля. При этом полярность северный полюс соответствует низкому уровню сигнала, а южный полюс — высокому уровню сигнала.

Сигнальные микросхемы установлены со смещением на 22° относительно кольцевой оси и благодаря этому обеспечивают перекрытие, равное ½ от длины полюса. Это означает, что при определенном направлении вращения микросхема A видит один полюс первой, и лишь затем этот же полюс опознается микросхемой B. Генерированные сигналы смещены по фазе на 90°. Правильное положение установки сенсоров скорости вращения системы 4-Trac (B203, B204) задано конструктивным образом.

Регулирование против проскальзывания слева — справа Различия в скорости вращения опознаются сенсором скорости вращения аксиально-поршневого двигателя системы 4-Trac (B203, B204). Регулируемый двигатель быстро вращающегося колеса переводится в направлении небольшого объема поглощения (Qмин.). Передаваемый приводной момент медленно вращающегося колеса увеличивается. впереди сзади. Также и здесь регулируемый двигатель (впереди / сзади) быстро вращающегося моста или колес переводится в направлении небольшого объема поглощения (Qмин.). Передаваемый приводной момент медленно вращающегося моста / колес увеличивается. Коммуникация между модулем привода ходовой части (A49) и модулем управляемого ведущего моста (A79) для опроса скорости вращения выполняется по шине CAN.

Автоматические коробки передач. Классификация, характеристики

1. Назначение и требования к автоматическим коробкам передач АКП

Коробка передач предназначена для преобразования крутящего момента и частоты вращения, развиваемых коленчатым валом двигателя для получения различных тяговых усилий на ведущих колесах при трогании автомобиля с места и его разгоне, при движении автомобиля и преодолении различных дорожных препятствий.

Коробка передач дает возможность двигаться с малыми скоростями, которые не могут быть обеспечены ДВС, коленчатый вал которого развивает невысокую минимально устойчивую частоту вращения. Коробка передач должна обеспечить возможность движения задним ходом и длительное отсоединение двигателя от трансмиссии при его пуске, на стоянке или при движении автомобиля накатом.

Коробка передач – это агрегат автомобиля, преобразующий крутящий момент двигателя для различных условий движения. Выключение сцепления и переключение передач составляют львиную долю физических усилий, затрачиваемых на управление автомобилем. Коробки передач с автоматическим переключением применяют для того, чтобы уменьшить эти физические усилия. Также повышается уровень активной безопасности благодаря тому, что все внимание водителя направлено на контроль ситуации на дороге.

Достижения в области электроники позволяют объединить работу электронных функциональных компонентов и гидравлической системы и обеспечить безопасное высокоэффективное автоматическое управление автомобилем.

Хотя конструктивно автоматические коробки передач существенно отличаются от механических коробок передач, но так как функция как узла у них одинаковая, то и требования к автоматическим коробкам передач предъявляются схожие:

1. обеспечение необходимых динамических и экономических качеств автомобиля;
2. создание условий для возможности длительного отсоединения двигателя от трансмиссии при нейтральном положении;
3. обеспечение простоты и удобства управления;
4. создание условий для бесшумной работы;
5. обеспечение высокого КПД.

Кроме того, к автоматическим коробкам передач предъявляют требования, общие для большинства механизмов автомобиля, — надежность работы, простота обслуживания, малые габаритные размеры и масса, а также невысокая стоимость. И хотя как более сложный узел по данным параметрам АКП уступают механическим, автопроизводители постоянно совершенствуют как конструктивное исполнение АКП, так и принцип действия.

2. Классификация автоматических коробок передач

Конструкции автоматических коробок передач (АКП) зависят от типа автомобиля, его назначения, взаимного расположения двигателя и ведущих колес, и характера изменения передаваемого крутящего момента.

Классифицировать АКП можно по нескольким признакам:

• по конструкции: гидромеханическая, фрикционная, механическая автоматизированная;
• управлению: полуавтоматическое, автоматическое, автоматическое в режиме ручного переключения передач;
• изменению крутящего момента: ступенчатая, бесступенчатая, комбинированная;
• общей компоновке: заднеприводные, переднеприводные продольные, переднеприводные поперечные, полноприводные на базе заднеприводных, полноприводные на базе переднеприводных поперечных и полноприводные на базе переднеприводных продольных.

Расположение агрегатов трансмиссии в автомобиле во многом определяется тем, к каким колесам осуществляется подвод мощности двигателя. В настоящее время используются три схемы подвода мощности к ведущим колесам автомобиля (на примере ГМП):

1) подвод мощности к передним колесам (переднеприводные автомобили); в этом случае все агрегаты трансмиссии компонуются в едином картере, который жестко крепится к двигателю (рис. 1);

Рис. 1. Гидромеханическая коробка передач переднеприводного автомобиля

Рис. 2. Гидромеханическая коробка передач заднеприводного автомобиля

2) подвод мощности к задним колесам (заднеприводные автомобили); в этом случае гидротрансформатор и коробка передач расположены в передней части автомобиля и жестко крепятся к картеру двигателя; с другими агрегатами трансмиссии, находящимися в заднем мосту, они соединяются с помощью карданного вала (рис. 2);

3) подвод мощности ко всем колесам (полноприводные автомобили); в этом случае в состав трансмиссии вводится дополнительный агрегат – раздаточная коробка. Раздаточные функции в современных автомобилях выполняют механические и гидромеханические устройства с электронным управлением: вискомуфта, пластинчатая муфта «Халдекс», кулачковая муфта, межосевой дифференциал повышенного трения «Torsen» (рис. 3).

Рис. 3. Гидромеханическая коробка передач полноприводного автомобиля

Классификацию автоматических коробок передач по конструкции более подробно можно представить в следующем виде (рис. 4).

В автоматических трансмиссиях используются механические редукторы как планетарного типа, так и с неподвижными осями валов, которые для краткости называют вальными коробками передач. Эти коробки (планетарные и вальные) включают фрикционные элементы для переключения передач без разрыва потока мощности.

В последнее время, особенно на легковых автомобилях малого класса, используются бесступенчатые вариаторы фрикционного типа с гибкой связью и механические коробки передач с автоматизированным управлением. Коробки передач, в которых используются вариаторы, называют бесступенчатыми. Автоматизированные коробки передач конструктивно представляют собой обычную механическую КП, которой с помощью гидро- или электроприводов управляет электроника. Электроника управляет агрегатами трансмиссии либо самостоятельно (рычаг КП в положении «автомат»), либо согласно пожеланиям водителя (передачи переключаются вручную). Прямой механической связи между рычагом КП и механизмом управления нет. Рассмотрим подробнее типы автоматических коробок передач.

Рис. 4. Классификация автоматических коробок передач по конструкции

2.1 Гидромеханическая трансмиссия

Гидромеханическая передача (ГМП) стала самым распространенным видом автомобильной автоматической трансмиссии. Из-за широкого распространения именно ее за рубежом называют «автоматическая трансмиссия» .

Это комбинированная трансмиссия, которая состоит из механизмов механической и гидравлической трансмиссий. В гидромеханической трансмиссии передаточное число и крутящий момент изменяются ступенчато и плавно. Она включает в себя гидротрансформатор и саму коробку переключения передач, состоящую из планетарных механизмов, пакетов фрикционов, клапанов и гидропривода (рис. 5).

Рис. 5. Устройство гидромеханической коробки передач

Гидротрансформатор устанавливают вместо сцепления, и в нем передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии происходит за счет гидродинамического напора жидкости. Гидротрансформатор плавно автоматически изменяет крутящий момент в зависимости от нагрузки. При этом крутящий момент от гидротрансформатора передается коробке передач, в которой передачи включаются с помощью фрикционных механизмов.

Применение гидротрансформатора обеспечивает плавное трогание автомобиля с места, уменьшает число переключений передач, что снижает утомляемость водителя, почти в два раза повышается долговечность двигателя и механизмов трансмиссии вследствие уменьшения в трансмиссии динамических нагрузок и крутильных колебаний. Снижается также вероятность остановки двигателя при резком увеличении нагрузки.

До второй половины 90-х годов передачи в агрегатах данного типа переключались автоматически. Водитель мог только ограничивать включение передач верхнего диапазона – третью и четвертую или только четвертую. Долгие годы такие «автоматы» с гидротрансформатором по ряду позиций (уровню обеспечиваемого комфорта, сохранности ресурса двигателя) превосходили «механику». Однако многим водителям они все же не нравились из-за невозможности участвовать в выборе передач. С развитием электроники в АКП внедрили режим ручного переключения передач: рычаг следует перемещать вперед-назад либо вправо-влево, осуществляя переход на повышенную или пониженную передачу.

Такие коробки назвали секвентальными (от англ. sequential – последовательный). Впрочем, каждыйавтопроизводительприсвоил им собственное название, например, у концерна VW они именуются «Tiptronic», у BMW – «Steptronic», y Volvo – «Geartronic» и т. д.

Последние конструкторские разработки были направлены на увеличение чисел (ступеней) передач. Так, в свое время появилась шестиступенчатая АКП компании ZF на автомобилях BMW-X5, а чуть позже и «автомат» с семью передачами «7G-Tronic» концерна Daimler-Chrysler. Переключения стали более плавными и быстрыми, чем прежде. При этом автомобили, оснащенные этими трансмиссиями, в среднем расходуют на 5% меньше топлива, сократилось время разгона до первой сотни, улучшилась эластичность.

Совершенствуются и системы управления автоматическими коробками. Управляющая гидравлика осталась разве что на простых моделях, на остальных переключениями заведует электроника. Она отдает приказы электрическим, пневматическим или гидравлическим исполнительным механизмам, блокирующим нужные шестерни планетарных передач. Компьютерные технологии заставили агрегаты работать точнее и быстрее. Например, при резком нажатии на педаль газа (режим «кик-даун») коробка не перебирает передачи последовательно, а перескакивает по схеме VII–V–III, раньше в такой ситуации перебирались все передачи.

Процессоры последнего поколения, связанные с другими системами автомобиля скоростной CAN-шиной, при разгоне отключают кондиционер, чтобы передать на колеса всю мощность двигателя. Кроме того, проще стало с унификацией – такую коробку легче адаптировать к другому мотору.

У современных гидродинамических коробок передач муфта блокировки гидротрансформатора замыкается практически сразу после начала движения – это минимизирует пробуксовки в трансмиссии, ведущие к потере мощности.

В зависимости от производителя АКП отличаются друг от друга программным обеспечением электронного блока управления. Алгоритм переключения передач – «спорт» (sport), «зима» (winter) – в более ранних конструкциях задавался водителем путем нажатия соответствующей кнопки. Последние «автоматы» способны определять стиль вождения водителя и автоматически изменять алгоритм переключения передач.

В спортивном режиме, например, тяга двигателя используется на все сто процентов. Включение каждой последующей передачи происходит при частотах коленчатого вала, близких к частотам, на которых развивается максимальный крутящий момент. При дальнейшем ускорении частота вращения коленчатого вала доводится до значений, при которых двигатель развивает максимальную мощность. Автомобиль в этом случае развивает большие ускорения по сравнению с теми, что осуществляются при работе «экономичной» или «нормальной» программ .

2.2 Фрикционная трансмиссия

Фрикционные передачи, в отличие от других типов бесступенчатых передач, изменяют крутящий момент за счет использования только одного вида энергии – механической.

Рис. 6. Схема бесступенчатой фрикционной трансмиссии

Бесступенчатая фрикционная трансмиссия первых автомобилей выполнялась по лобовой схеме (рис. 6). Передаточное отношение изменялось при перемещении ведомого вала 2 относительно ведущего шкива 1 рычагом 4, а пересечением оси последнего осуществлялось реверсирование. Выключение передачи (функция сцепления) производилось рычагом 3, отодвигающим подпружиненный ведущий шкив 1 .

Хотя с точки зрения современного машиностроения лобовая передача – не лучший вариант КП, на первых порах она удовлетворяла все запросы и подкупала своей простотой. Кроме того, наряду с плавным изменением крутящего момента в этом механизме легко реализовывалась и функция сцепления – подпружиненный ведущий диск простейшим рычагом легко выводился из контакта с ведомым.

Такая передача просуществовала на автомобилях до 30-х годов. Но с ростом мощности двигателей ее возможности были полностью исчерпаны.

В настоящее время широко используются бесступенчатые трансмиссии или вариаторы CVT (от англ. Continuously Variable Transmission – бесступенчато варьируемая трансмиссия). Эти механизмы отличают простота и надежность конструкции.

В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобилях получили распространение два вида вариаторов: клиноременный и тороидный.

Рис. 7. Принципиальная конструкция клиноременного вариатора

Особенностью конструкции клиноременного вариатора являются разрезные конусные шкивы ведущего и ведомого валов, соединенные приводным ремнем (рис. 7).

Момент здесь передается, как и в любой ременной передаче, но ее передаточное отношение может меняться. Для этого сдвигают и раздвигают конические диски, образующие шкивы ременной передачи, – обычно это делается гидравлическим приводом под контролем электроники. Причем перемещение конусов на обоих шкивах происходит одновременно.

Если раздвигать ведущие диски и сдвигать ведомые, то радиус обкатывания на ведущих дисках уменьшается, а на ведомых увеличивается – таким образом, увеличивается момент и уменьшается скорость (рис. 8, положение А). Когда оба шкива находятся в среднем положении, передаточное отношение равно единице (положение Б). Если раздвигать ведомые диски и сдвигать ведущие, то радиус обкатывания на ведущих увеличивается, а на ведомых уменьшается – увеличивается скорость и уменьшается момент (положение В) .

Рис. 8. Положения работы вариатора

Первоначально клиноременные вариаторы использовались на снегоходах, картингах, мотоциклах. Система управления клиноременным вариатором этих транспортных средств была настроена таким образом, чтобы в процессе разгона двигатель работал на постоянных оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту, а разгон осуществлялся за счет изменения передаточного отношения клиноременного вариатора.

Долгое время применение таких передач ограничивалось прочностными характеристиками ремня.

Тороидный вариатор также относится к группе бесступенчатых фрикционных передач. Его принципиальное отличие заключается в том, что между ведущим и ведомым дисками расположены ролики, которые, поворачиваясь на нужный угол, меняют передаточное отношение. Усилие, с которым давят ролики на диски, доходит до десяти тонн, поэтому детали производят из высокопрочной стали, применяют трансмиссионное масло со специальными добавками.

Торовые вариаторы бывают двух типов: с диаметральным расположением роликов (рис. 9,а) и с хордальным расположением роликов (рис. 9,б). Принцип работы их одинаков: к ведомой чашке приложен нагружающий момент (например, она связана через карданный вал и главную передачу с ведущими колесами автомобиля). Крутящий момент двигателя подводится на ведущую чашку вариатора. Если чашки и ролики прижаты друг к другу в осевом направлении, то в контактах между ними возникают касательные силы (они перпендикулярны плоскости рисунка). На ведущей чашке эти силы пытаются вращать ролики вокруг их осей, а на ведомой касательные силы сопротивления препятствуют вращению роликов. Таким образом вариатор передает крутящий момент. Передаточное отношение вариатора определяется отношением радиусов качения ролика на ведомой и ведущей чашке: i = r2 / r1 .

Соответственно, для изменения этого отношения необходимо поворачивать ролики на угол (рис. 9,б).

Рис. 9. Схемы торовых вариаторов диаметрального (а) и хордального (б) типов

Развитие электроники в 90-е годы позволило сделать бесступенчатые трансмиссии многорежимными – бесступенчато изменяющими передаточное число и имеющими фиксированные ступени, как в обычной механической коробке передач. При этом механизм переключения ступеней используется секвентальный.

В процессе работы блок управления выбирает обороты двигателя, на которых силовой агрегат обеспечивает наилучшую динамику – при разгоне меняется лишь передаточное число, а двигатель продолжает работать на том же режиме.

Электронная система управления позволяет последовательно переключать в ручном режиме «виртуальные» передачи, обеспечивает торможение двигателем и увеличивает обороты мотора с ростом скорости. Если педаль газа нажата только на четверть, мотор раскрутится лишь до 3000 оборотов. При интенсивном разгоне компьютер перестает заботиться об акустическом комфорте, выводя двигатель на обороты максимальной мощности.

Конструктивно слабыми местами существующих сегодня автомобильных вариаторов являются: для клиноременного – ремни, а для тороидного – пятно контакта диска и ролика. Поэтому здесь применяются специальные высокотехнологичные материалы, что делает надежность вариаторов достаточно высокой, близкой к надежности гидромеханических трансмиссий, но все же из-за нагрузок на ремень или пятно контакта вариаторы пока не могут работать с двигателями большой мощности.

Без соответствующей системы управления вариатор мало что даст, так как в отличие от гидротрансформатора он не меняет передаточного отношения «сам по себе». И распространение бесступенчатых трансмиссий, конечно же, не было бы возможно без успехов в микроэлектронике.

2.3 Автоматизированные коробки передач

Конструктивно они представляют собой обычную механическую коробку передач, которой с помощью гидроили электроприводов управляет электроника. Электроника управляет агрегатами трансмиссии либо самостоятельно (рычаг КП в положении «автомат»), либо согласно пожеланиям водителя (передачи переключаются вручную). Прямой механической связи между рычагом КП и механизмом управления нет. Посредниками между ними являются электроника и гидропривод (или электропривод). На случай ошибок в системе часто предусмотрена защита, которая не позволит водителю совершить серьезную ошибку – например, не вовремя включить задний ход или передачу, не соответствующую возможностям двигателя в данном режиме.

Автоматизированные коробки передач – не новинка. Еще в 30-е годы ХХ века «преселективные» коробки с электромагнитным или электрогидравлическим приводом механизма переключения устанавливались на дорогие автомобили. Гораздо позже ими оснастили болиды «Формулы-1». А в 90-е годы они появились и на серийных моделях – Ferrari (Selespeed), BMW (SMG), Alfa Romeo (Selespeed), Ford (Durashift EST), Opel (Easytronic), Toyota (SMT) и т. д.

Именно с развитием электроники автоматизированные коробки передач прочно обосновались как на легковых, так и на грузовых автомобилях.

Итак, автоматизированные коробки передач с автоматическим сцеплением. Эти коробки не имеют ничего общего с секвентальными трансмиссиями. Они состоят из обычной механической коробки передач и автоматического сцепления. Электронный блок управления на основании показаний ряда датчиков следит за положением рычага и педали газа и в нужный момент выключает сцепление. Он оперирует также данными от датчиков двигателя и ABS, чтобы обеспечить максимально плавные переключения и не заглушить мотор при экстренном торможении.

Рис. 10. Детали АКП с автоматическим сцеплением: 1 – сцепление; 2 – блок управления; 3 – рычаг с тягами; 4 – электромотор привода сцепления

Такими коробками передач оснащаются некоторые модели Toyota, Saab, Mercedes А-class и т. д. На рис. 10 показан комплект, который позволяет автоматизировать процесс включения и выключения сцепления.

Далее следуют автоматизированные коробки передач с автоматическим сцеплением и автоматическим переключением. В автоматизированных механических коробках передач сцеплением и переключением передач заведует электроника: ее команды исполняют пневматические, гидравлические цилиндры или соленоиды (рис. 11). Педаль сцепления отсутствует, а рычаг переключения похож на селектор «автомата».

Рис. 11. Автоматизированная коробка передач: 1 – датчик положения сцепления; 2 – электрический насос; 3 – актюатор сцепления; 4 – гидроаккумулятор; 5 – датчик выбора передач; 6 – актюатор выбора передачи; 7 – актюатор переключений; 8 – датчик переключений; 9 – вал выбора передач

Во время движения крутящий момент передаётся по одному сцеплению, диск сомкнут (допустим, на 1-й передаче по первому сцеплению); в то же время второй диск второго сцепления разомкнут, а само сцепление настроено на вторую передачу. В момент переключения первый диск размыкается, а второй синхронно смыкается. И теперь уже второе сцепление передаёт крутящий момент, а первое сцепление настраивается на 3-ю передачу и переходит в «ждущий» режим, чтобы в момент надобности подсоединиться. И всё повторяется заново.

2.4 Гидрообъемная трансмиссия (гидростатическая передача)

Гидростатические передачи принадлежат к типу передач с бесступенчатым изменением передаточного отношения.

В отличие от гидротрансформаторов, где используется динамический напор жидкости H = V_ж 2 /(2·g), в гидрообъемных передачах реализуется гидростатический напор H = P/γ (P – давление жидкости, Па, γ – удельный вес, Н/м 3 ), или иначе напор вытесняемых объемов рабочей жидкости.

В гидрообъемной трансмиссии двигатель внутреннего сгорания приводит в действие гидронасос, соединенный трубопроводами с гидромоторами, валы которых связаны с ведущими колесами автомобиля. От насоса рабочая жидкость под давлением (магистраль высокого давления) через клапан и фильтр поступает в гидромотор. В гидромоторе происходит перепад давления жидкости. От гидромотора, отдав потенциальную энергию, жидкость по магистрали низкого давления через фильтр и клапан поступает к насосу. Затем весь цикл движения жидкости повторяется. Наиболее часто гидроагрегаты располагают раздельно: насос соединяют с двигателем внутреннего сгорания, а гидромоторы устанавливают как вне колеса, так и встраивают в колесо (гидромотор-колесо). В последнем случае высокомоментные гидромоторы могут соединяться с колесом непосредственно. Такая схема удобна для компоновки гидроагрегатов и применяется для многоприводных машин и автопоездов.

Бесступенчатое изменение крутящего момента на ведомом валу передачи достигается за счет регулирования основных параметров потока – расхода и давления в одном или обоих гидроагрегатах, а реверсирование происходит за счет изменения направления движения жидкости от насоса к гидромотору при помощи клапана. Можно выделить три способа регулирования гидростатической передачи:

1. регулирование насоса;
2. регулирование мотора;
3. регулирование насоса и мотора.

Гидрообъемные передачи применяются в тракторостроении, сельскохозяйственных, строительных и дорожных машинах, а также в автопоездах высокой проходимости и карьерных самосвалах.

Гидрообъемные передачи по типу гидромашины подразделяются на поршневые, лопастные, винтовые, шестеренчатые.

На транспорте наибольшее распространение получили аксиально- и радиально-поршневые машины. Эти насосы обратимы – они могут работать как в режиме гидронасоса, так и в режиме гидромотора, преобразующего энергию жидкости в механическую работу, совершаемую вращающимся валом.

Схема аксиально-поршневого регулируемого насоса приведена на рис. 12.

В корпусе насоса 1 установлен наклонный диск 2. Угол наклона диска 2 к валу 3 может изменяться в определенных пределах. На валу 3 жестко закреплен ротор 4, в отверстиях которого расположены поршни 5. Под действием пружины 6 ползунки 7, шарнир-

Рис. 12. Схема аксиально-поршневого регулируемого насоса

но соединенные с поршнями 5, находятся в постоянном контакте с рабочей плоскостью диска 2. При вращении ротора 4 поршни 5 совершают переносное движение, вращаясь вокруг оси вала 3 вместе с ротором, а также движутся возвратно-поступательно относительно ротора.

Рис. 13. Распределительный диск

В корпусе 1 неподвижно закреплен распределительный диск 8 с двумя дуговыми пазами (рис. 13), один из которых соединен с линией всасывания, а другой – с линией нагнетания. При вращении вала 3 по часовой стрелке (если смотреть со стороны, где вал выступает из корпуса) с линией всасывания соединен паз А, а с линией нагнетания – паз Б. При движении поршня по дуге a-в-с поршневой объем увеличивается, происходит всасывание жидкости. При движении поршня по дуге c-d-a жидкость вытесняется в линию нагнетания. Подачу можно бесступенчато регулировать путем изменения угла наклона диска 2.

Рис. 14. Схема радиально-поршневого насоса

Схема радиально-поршневого насоса показана на рис. 14. В корпусе насоса 1 неподвижно закреплена ось 2, на которой установлен вращающийся вокруг нее ротор 3. В радиальных отверстиях, выполненных в роторе, расположены поршни 4. Статор 5 установлен в корпусе 1 таким образом, что центр его внутренней (рабочей) поверхности не совпадает с центром оси 2. В оси 2 выполнены четыре осевых отверстия, два из которых соединены с линией всасывания, а два других – с линией нагнетания. В случае вращения ротора по часовой стрелке с линией всасывания соединены отверстия, расположенные ниже горизонтального диаметра, а с линией нагнетания – расположенные выше него.

Эксцентриситет статора е может бесступенчато изменяться от максимальной величины до нуля с помощью регулировочного устройства. В реверсивных насосах центр статора может располагаться по разные стороны от центра вращения ротора, благодаря чему может изменяться направление потока жидкости (линии всасывания и нагнетания меняются ролями).

Аксиально-поршневые машины более компактны и работают с более высоким числом оборотов (чаще как гидронасос). Радиально-поршневые хорошо компонуются в колесах автомобилей и развивают большой крутящий момент (поэтому чаще используются как гидромотор).

Американская компания Folsom Technologies, специализирующаяся на гидрообъемных трансмиссиях, предлагает их применение и на легковых автомобилях. В картере, напоминающем корпус обычного «автомата», поместили насос, гидромотор и управляющую электронику (рис. 15).

Рис. 15. Гидрообъемная трансмиссия ф. Folsom Technologies

Регулируя подачу и давление масла, можно менять величину передаваемого крутящего момента. Причем такая трансмиссия позволяет тормозить двигателем, поскольку насос и мотор являются обратимыми.

На конгрессе SAE были показаны два типа таких вариаторов: для переднеприводных автомобилей мощностью 50–100 л. с. и для машин классической компоновки с двигателями 300–350 л. с.

По словам производителей, на основе подобных трансмиссий легко создавать гибридные машины – достаточно смонтировать на шасси гидроаккумулятор и соединительные трубопроводы. Тогда при рекуперативном торможении ведущие колеса, вращая гидромотор, будут закачивать рабочую жидкость под давлением в гидроаккумулятор. А при трогании с места запасенная энергия поможет разогнать автомобиль или обеспечит запас хода в несколько километров с неработающим ДВС. И если переднеприводной агрегат – пока опытная разработка, то вариатор для заднеприводных машин полностью готов к серийному производству.

Преимущества гидростатических передач:

• бесступенчатое изменение в широком диапазоне крутящего момента и плавная передача его на ведущие колеса;
• возможность замены всех механизмов механической трансмиссии (а не только коробки передач и сцепления) одной-двумя парами «гидронасос–гидромотор»;
• удобство компоновки (возможность свободного и дистанционного расположения агрегатов вследствие отсутствия необходимости взаимной центровки, в результате чего гидромоторы можно располагать непосредственно в колесах);
• легкость реверсирования передачи и получения одинаковых скоростей при движении автомобиля вперед и назад;
• возможность длительной и устойчивой работы двигателя под нагрузкой при малых скоростях;
• повышение проходимости автомобиля в результате непрерывного потока мощности и плавного изменения крутящего момента;
• возможность торможения самой гидростатической передачей.

К основным недостаткам можно отнести:

• большие габаритные размеры и массу;
• относительно низкий КПД (0,75–0,85);
• необходимость применения высокосортных масел стабильной вязкости и надежных высокопроизводительных фильтров для их очистки;
• сложность в изготовлении и потребность в надежных уплотнениях.

2.5 Электрическая трансмиссия

Это бесступенчатая передача, в которой крутящий момент изменяется плавно, без участия водителя, в зависимости от сопротивления дороги и частоты вращения коленчатого вала двигателя. В электрической трансмиссии двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор, питающий соединенные с ведущими колесами электродвигатели, мощность которых практически одинакова на любых оборотах. Лишенный прямой связи с колесами ДВС может постоянно работать в благоприятных режимах, однако такая длинная цепь агрегатов приводит к потерям энергии и, кроме того, увеличивает массу автомобиля.

Ведущее колесо с установленным внутри электродвигателем называется электромотор-колесом. Крутящий момент от электродвигателя к колесу передается через колесный редуктор. При применении быстроходных электродвигателей в ведущих колесах используют понижающие передачи.

В России конструкция электромотор-колеса появилась в конце 70-х годов. В Новосибирском электротехническом институте было создано устройство, которое обладало уникальными по своим техническим характеристикам свойствами (рис. 16).

Рис. 16. Электромотор-колесо

2.6 Электромеханическая трансмиссия

Это комбинированная трансмиссия, которая состоит из элементов механической и электрической трансмиссий.

В электромеханической трансмиссии двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор. Ток, вырабатываемый генератором, подводится к электродвигателю. Крутящий момент от электродвигателя через механическую трансмиссию подводится к ведущим колесам. Электромеханическая трансмиссия применяется на автомобилях с гибридной силовой установкой.

Существует множество разновидностей схем гибридных силовых установок, но самыми распространенными стали параллельная (рис. 17,а) и последовательная (рис. 17,б).

Рис. 17. Схемы гибридных установок: а) параллельная: 1 – ДВС; 2 – планетарная передача; 3 – генератор; 4 – аккумуляторы; 5 – инвертор; 6 – электромотор; б) последовательная: 1 – ДВС; 2 – электромотор-генератор; 3 – блок управления; 4 – аккумуляторы; 5 – коробка передач

В последовательной схеме автомобиль приводится в движение исключительно электродвигателем. Двигатель внутреннего сгорания приводит генератор, который вырабатывает электроэнергию для подзарядки аккумуляторов, питающих электромотор. Пример – Honda Insight.

В параллельной схеме для привода колес служат как электромотор, так и ДВС (одновременно или поочередно). Параллельная схема пока доминирует над последовательной.

3. Преимущества и недостатки АКП

По сравнению с обычной коробкой передач автоматическая коробка обладает следующими преимуществами.

1. Автоматическая коробка передач упрощает процесс управления силовым агрегатом. В процессе движения автомобиля с автоматической коробкой передач для изменения скорости используются только две педали: педаль акселератора и педаль тормоза. Педаль сцепления отсутствует.
2. Автоматическая коробка передач также упрощает процесс торможения автомобиля. На автомобиле с механической коробкой при торможении приходится пользоваться двумя педалями – сцепления и тормоза, причем необходимо переносить ногу на педаль тормоза с педали акселератора. При наличии автоматической коробки водитель осуществляет торможение, пользуясь одной широкой педалью, которая удобна для торможения как правой, так и левой ногой.
3. Наличие гидротрансформатора повышает проходимость автомобиля по снегу, песку и другим непрочным грунтам и т. д., обеспечивая на ведущих колёсах устойчивую силу тяги и любые малые скорости их вращения, увеличивая тем самым сцепление колес с дорогой. Кроме того, проведенными в НАМИ испытаниями установлено, что при движении по неровной дороге максимальная амплитуда колебаний крутящего момента на карданном валу автомобиля с гидротрансформатором существенно меньше, чем у автомобиля с механической коробкой, причем при механической коробке передач амплитуды колебаний почти в два раза могут превышать максимальный момент двигателя. Установлено также, что при трогании с места автомобиля с обычной механической коробкой передач на снежной целине крутящий момент для преодоления сопротивлений в 1,3–2 раза больше, чем при трансмиссии с гидротрансформатором. Во время испытаний на снежной целине автомобиль с механической коробкой передач почти во всех случаяхтрогался с места с пробуксовкой ведущих колес, вызывая углубление колеи и тем самым увеличивая сопротивление движению. Было определено, что из ста заездов в сложных дорожных условиях автомобиль с гидротрансформатором в 87 заездах показал лучшие результаты, чем автомобиль с механической коробкой, а в 13 заездах результаты были одинаковы.
4. При интенсивном городском дорожном движении или при движении по пересеченной местности водителю автомобиля с механической трансмиссией приходится через 30–40 секунд выключать сцепление и переключать передачи. Это приводит к повышенной утомляемости водителя и ухудшению его самочувствия, а также к увеличению ошибок при вождении автомобиля. Проведенные сравнительные исследования показали, что у таких водителей в среднем на 10% увеличивается частота пульса и дыхания, уменьшается содержание кислорода в крови (по сравнению с водителями, которые управляют автомобилями с автоматическими коробками передач). Таким образом, наличие автоматической коробки способствует комфортабельности вождения, улучшению самочувствия водителя и сохранению его здоровья, а также повышает безопасность движения.

Основными недостатками автоматических коробок передач являются:

• сложность конструкции;
• увеличенная масса и габариты;
• увеличенные потери мощности, обусловленные обслуживанием автоматической системы управления, т. е. приводом масляных насосов, а также потерями на трение в дисках выключенных сцеплений и наличием дополнительных потерь в гидротрансформаторе.

В реальных условиях эксплуатации можно полагать, что топливная экономичность автомобилей с автоматическими и механическими коробками передач примерно одинакова из-за ошибок, которые допускает среднестатистический водитель при управлении механической коробкой передач и связанных главным образом с неправильным выбором моментов переключения передач.

Вместе с тем следует признать, что при испытаниях в стандартных ездовых циклах до последнего времени показатели легковых автомобилей с механическими коробками передач были лучше, чем у тех же автомобилей с автоматическими коробками передач, что объясняется наличием дополнительных потерь, указанных выше. Однако в последнее время в связи с созданием более совершенных автоматических коробок передач ситуация стала изменяться.

Применение электронно-гидравлических систем управления, а также расширение силового и кинематического диапазона автоматических коробок передач при рациональном выборе главной передачи позволило на некоторых моделях легковых автомобилей улучшить топливную экономичность на 2–5% в ездовых циклах по сравнению с теми же автомобилями, которые имеют механическую коробку передач.

4. Характеристики автомобилей с АКП

4.1 Цены автомобилей с АКП

Одним из существенных недостатков АКП является высокая стоимость самих АКП и, соответственно, автомобилей, укомплектованных АКП. Цена самих АКП во многом зависит от их конструкции (типа), года выпуска модели АКП, производителя. В табл. 1 представлены комплектации автомобилей, отличающиеся только коробкой передач.

Сравнить стоимость разных вариантов трансмиссий можно на примере автомобилей VW Golf и Polo. Так, доплата по сравнению с 6-ступенчатой МКП за установку 6-ступенчатой АКП на автомобиль VW Golf составляет в среднем 2000$, за установку DSG – 1800$, а за установку 4-ступенчатой АКП на автомобиль VW Polo – 1070$.

Не стоит также забывать о затратах на содержание и ремонт АКП. Если вы покупаете новый автомобиль, то несколько лет можете ездить спокойно (АКПП или вариатор отремонтируют бесплатно). А вот стоимость негарантийного ремонта ниже у «гидроавтоматов». При том что и ресурс вариаторов более низкий. Интересно и то, что часть случаев отказа вариаторов связана с электроникой и гидравликой – замена этих блоков управления стоит не менее $3000, замена же цепи невелика – $300–500.

(6-скоростная роботизированная трансмиссия

Что же касается резкого роста продаж моделей с вариаторами, то это прежде всего обусловлено тем, что агрегаты данного типа проще и дешевле, значит, сравнительно недорогие автомобили все чаще будут и с CVT. Но не стоит списывать со счетов и 4-ступенчатые «автоматы», которые еще долго будут ставить на автомобили малых классов. Сегодня их можно встретить даже на свежих моделях. По запросу российских дилеров такая АКПП ставится на Mazda-2.

4.2 Динамические качества и топливная экономичность автомобилей с АКП

Как упоминалось выше, многие характеристики АКП зависят от типа АКП. Несомненно, на такие качества, как топливная экономичность и динамика разгона коробка передач оказывает непосредственное влияние. Нулевой отметкой для оценки данных характеристик служит автомобиль с механической коробкой передач (при прочих равных условиях). Рассмотрим усредненно три типа АКП, устанавливаемых на большинство серийных автомобилей: традиционные АКП (гидротрансформаторы), вариаторы (CVT) и автоматизированные коробки передач.

Данные о расходах топлива обычно базируются на стендовых испытаниях автомобиля с беговыми барабанами и основываются на европейском стандарте (ЕU), который введен с 01 января 1996 года.

Данные о величинах q_г (расход в городском цикле) и q_з (расход в загородном цикле) публикуются производителями автомобилей в соответствующих проспектах и каталогах. Для более полной оценки используется также понятие расхода в смешанном цикле q_с, который учитывает время работы автомобиля как в городских, так и в загородных условиях (табл. 1). Величина q_с определяется по формуле

Величины q_c и q_з могут быть определены как экспериментально, так и расчетом. Определение указанных параметров расчетными методами имеет важное значение при проведении поисковых работ на стадии проектирования, так как позволяет глубже понять влияние отдельных параметров двигателя и трансмиссии на топливную экономичность автомобиля и более обоснованно подойти к выбору ряда конструктивных параметров.

Отметим также, что иногда расход топлива указывается по стандарту ЕСЕ, в котором приводится расход топлива для скоростей 90 и 120 км/час, а также в городском цикле (q_г). Приведенные ниже исследования в основном базируются на данных смешанного цикла q_c, как наиболее полно соответствующих реальному расходу топлива при эксплуатации автомобиля. Данные о топливной экономичности для АКП различных типов представлены на рис. 18. Здесь показана зависимость топливной экономичности автомобиля в смешанном ездовом режиме. Данные получены путем сравнения расхода топлива одинаковых моделей автомобилей, оснащенных автоматическими коробками передач (АКП) и с ручным переключением (МКП). При этом используется параметр

, где q_са и q_см – расходы топлива автомобилем в смешанном цикле с автоматической (АКП) и механической (МКП) коробками передач соответственно. Положительные значения φ_т показывают экономию топлива в % в смешанном цикле у автомобилей с автоматическими коробками передач по сравнению с автомобилями, оснащенными механическими коробками передач, а отрицательные – перерасход. При φ_т = 0 показатели топливной экономичности АКП и МКП совпадают.

Рис. 18. Расход топлива в смешанном цикле автомобиля с различными типами трансмиссий в зависимости от мощности двигателя

График (рис. 18) позволяет установить следующее. С увеличением мощности двигателя недостатки АКП перед МКП уменьшаются. Это связано с тем, что при большей мощности удельный вес дополнительных потерь (дисковых и на привод масляного насоса для системы управления) снижается. Из графика также видно, что большое влияние на топливную экономичность оказывает диапазон изменения передаточных чисел в коробке передач. С увеличением диапазона легче обеспечить работу двигателя по кривой минимального удельного расхода топлива или близкой к ней.

В результате, чем больше диапазон, тем выше КПД двигателя и лучше показатели автомобиля.

Четырехступенчатая АКП обычно включает два планетарных ряда, управляемых пятью фрикционными элементами. Это обеспечивает относительную компактность, благодаря чему эти АКП находят широкое применение на задне- и переднеприводных автомобилях малого и среднего класса как с продольным, так и с поперечным расположением двигателя. Их основной недостаток – невысокий кинематический диапазон Dк = 3,5 – 4,3, что отрицательно отражается на расходе топлива. При этом четырехступенчатые АКП уступают как пятиступенчатым механическим коробкам передач, так и АКП, имеющим пять или шесть передач.

Пятиступенчатые АКП с диапазоном Dм = 4,5 – 5,0 значительно экономичнее своих четырехступенчатых предшественниц, что видно из рис. 18. Их наиболее удачные представители – коробки модели 722.6 фирмы Mercedes обеспечивают автомобилям снижение расхода топлива в смешанном цикле на 2–3% даже в сравнении с пятиступенчатыми механическими коробками передач. Можно предположить, что такие высокие показатели удалось получить благодаря рациональной кинематической схеме, позволившей реализовать плотный ряд передаточных чисел на высших передачах, что обеспечило экономичную работу двигателя по кривой, близкой к минимальному расходу топлива. Вместе с тем необходимо отметить, что для реализации пятиступенчатой АКП приходится дополнять конструкцию третьим планетарным рядом, что увеличивает массогабаритные показатели примерно на 10–20% по сравнению с четырехступенчатыми АКП. Отметим, что не все пятиступенчатые АКП имеют лучшую топливную экономичность по сравнению с МКП.

Это относится к пятиступенчатым планетарным и вальным коробкам передач, которые используются на автомобилях, где имеется передний привод с поперечным размещением двигателя. Чтобы разместить пятиступенчатую автоматическую коробку передач в моторном отсеке, приходится использовать трехвальные схемы, позволяющие существенно уменьшить длину автоматической коробки. При этом всё-таки имеет место некоторое снижение КПД планетарной коробки по сравнению с соосным вариантом АКП.

Однако благодаря тому, что кинематический диапазон пятиступенчатых АКП больше, чем у четырехступенчатых АКП, они превосходят четырехступенчатые АКП, что показано на рис. 18. При этом указанные зависимости с учетом разброса изображены в виде полосы.

Дальнейшее улучшение показателей как по топливной экономичности, так и по разгонным качествам делает возможным использование шестиступенчатых АКП, выполненных по схеме Лепелетье. Напомним, что этот планетарный редуктор имеет диапазон Dм = 6,04 и весьма удачную кинематическую схему, которая позволяет реализовать шесть ступеней (включающие две повышающие передачи), что обеспечивается практически двумя планетарными рядами и пятью фрикционными элементами. По указанным причинам эта шестиступенчатая АКП (например, ZF) компактнее и легче на 13% предшествующей ей пятиступенчатой коробки 5-НР-24. Упрощение конструкции планетарной передачи позволило не только улучшить массогабаритные характеристики коробки передач, но и способствовало уменьшению потерь. Данные, характеризующие топливную экономичность легковых автомобилей с шестиступенчатыми АКП, также представлены на рис. 18.

Остановимся далее на автоматических бесступенчатых коробках передач АБКП. Привлекательность вариатора в том, что он отслеживает постоянно изменяющиеся условия работы двигателя в очень широком диапазоне, что отражено в его названии – «трансмиссия с постоянным изменением передаточного отношения» (CVT). То есть, несмотря на то что динамический диапазон вариатора практически равен диапазону 6–7-ступенчатой АКПП, число «ступеней» бесконечно. В свою очередь, это дает возможность для каждого режима движения подобрать наиболее подходящую «передачу», что недоступно для ступенчатой АКПП.

АБКП Ecotronic не оправдали в полной мере надежд относительно топливной экономичности. По расходу топлива (рис. 18) они примерно на 5–7% уступают пятиступенчатым MKП и находятся на уровне лучших четырехступенчатых АКП. Причина увеличения расхода топлива по сравнению с пятиступенчатой МКП связана с тем, что КПД вариатора VDT (83–90%) ниже, чем у механической коробки передач, и этот недостаток не может компенсировать даже более высокий диапазон регулирования.

Другой тип АБКП (Multitronic), установленный на серийном автомобиле Audi А6 с двигателем 2,8 л, как отмечалось выше, обладает рядом преимуществ по сравнению с вариатором VDT: на 2,5% большим КПД и меньшим предельным радиусом изгиба, позволяющим при приемлемых габаритах реализовать больший диапазон регулирования, равный D = 6,0–6,2.

Характеристики, заявленные производителем, подтверждают, что при диапазоне D = 6,0 – 6,2 серийные автомобили Audi c АБКП Multitronic позволяют получить экономию топлива по сравнению с пятиступенчатой МКП в смешанном ездовом цикле до 2%. Указанное достижение можно рассматривать как знаменательное, так как оно достигнуто впервые для АБКП.

Статистика выпуска автомобилей с АКП

Рис. 19. Распределение коробок передач по типам (статистика на 2010 год)

Статистика выпуска автомобилей каждый год изменяется, существенные различия имеются в зависимости от класса автомобиля, типа автоматических коробок передач, страны-потребителя и т. д. На рис. 19 в виде круговой диаграммы представлен прогноз распределения коробок передач по типам (статистика на 2010 год).

Рис. 20. Диаграмма установки коробок передач на автомобилях класса В

Автомобили малого класса (класса В) с двигателями объемом 1,6…1,8 л широко представлены на рынке России. Этот класс выпускают все европейские и азиатские производители. Практически все модели этого класса в базовой комплектации предлагаются с механической коробкой передач, АКП на них устанавливаются в качестве опции (рис. 20).

Поскольку этот класс автомобилей является экономичным, то есть дешевым, то и устанавливаемые АКП должны быть самыми дешевыми. По данным компании CSM Worldwide, традиционные 4-ступенчатые АКП обходятся производителю в 300–400 евро, передачи с двумя сцеплениями – 950 евро, а бесступенчатые до 1400 евро. Исходя из этих соображений, за редким исключением этот класс автомобилей обеспечивается именно 4-ступенчатыми АКП.

Как видно из табл. 2, широко используются различные АКП производства компании Aisin Warner. В этом классе автомобилей не выпускают АКП такие монстры, как ZF, Ford и Hydromatic (GM). Ниже представлены основные потребители продукции этой фирмы. Общий выпуск АКП на заводах Aisin Warner в 2005 году превысил 5 млн штук в год.

Многие фирмы используют АКП производства JATCO. Эта компания принадлежит фирме Nissan. Суммарный выпуск АКП модели F03A для автомобилей класса В превысил 10 млн штук.

Распространенность автоматических коробок передач в различных странах мира также сильно варьируется, на рис. 21 представлен график распределения АКП в процентах от общего количества автомобилей.

Рис. 21. Распространенность автоматических коробок передач в различных странах мира

Производство АКП сосредоточено в основном в США (около 7 млн АКП), Японии (около 8 млн), Корее, Германии и Франции. Некоторое количество (в основном сборочные заводы) находятся в Индии, Бельгии, Австралии, Китае. Естественно, что и производство автомобилей с АКП в основном сосредоточено там же, хотя некоторые фирмы, например Volvo, устанавливают АКП производства компании Aisin Warner, находящейся в Японии и принадлежащей Toyota. Доля производимых в этих странах автомобилей с АКП максимальна.

5. Особенности компоновки автомобиля с автоматической трансмиссией

Конструкция автоматической трансмиссии, как и механической должна учитывать непосредственно компоновочную схему самого автомобиля. Среди легковых автомобилей распространены следующие компоновочные схемы.

Наиболее распространенные:

• переднеприводная с поперечным расположением двигателя;
• заднеприводная с продольным расположением двигателя в передней части автомобиля;
• полноприводные модификации от вышеперечисленных.

Редко распространенные:

• переднеприводная с продольным размещением двигателя;
• заднеприводная с продольным расположением двигателя сзади автомобиля;
• заднеприводная с поперечным расположением двигателя сзади автомобиля.

Несмотря на многообразие компоновочных схем автомобилей, составные части и узлы одного и того же типа автоматических трансмиссий практически одинаковы. Имеются некоторые различия в компоновке и устройстве автоматической коробки передач для переднеприводного и заднеприводного автомобилей. Для заднеприводной компоновочной схемы с продольным расположением двигателя характерна однорядная редукторная часть (рис. 22,а). Для переднеприводных автомобилей – 2или 3-вальная редукторная часть, при этом в картере автоматической коробки передач предусмотрена секция главной передачи с межколесным дифференциалом (рис. 22,б). В остальном основные функции и принцип действия одинаковы.

Рис. 22. Варианты конструкции автоматических коробок передач: а) для заднеприводной компоновочной схемы автомобиля с продольным расположением силового агрегата; б) для переднеприводной компоновочной схемы автомобиля с поперечным расположением силового агрегата

Основные отличительные особенности детально-узлового состава комплектации современного легкового автомобиля с механической и автоматической трансмиссиями можно видеть в табл. 3.

• педаль сцепления;
• педаль тормоза;
• педаль акселератора механического или электронного типа

• педаль тормоза,
• педаль акселератора электронного типа, поддерживающая режим «kick-down»*

* – «kick-down» – устройство, принудительно включающее низшую передачу при резком нажатии на педаль акселератора для достижения наибольшего ускорения.

При проектировании автомобилей уже на ранней стадии необходимо рассматривать различные варианты комплектаций автомобиля. При этом желательно учитывать не только те комплектации, которые предусмотрены ближайшим планом производства, но и возможное перспективное развитие комплектаций с целью повышения потребительской привлекательности. Особенно это актуально для автоматических трансмиссий. Так, например, если разработка какой-либо бюджетной модели не предусматривает применения автоматической трансмиссии из-за ее дороговизны, все же не стоит сбрасывать ее со счетов и постараться учесть вышеперечисленные особенности такой трансмиссии. В случае изменения конъюнктуры потребительского спроса попытки интеграции автоматической трансмиссии в уже разработанный кузов и компоновку автомобиля могут столкнуться с проблемами, требующими значительных затрат на доработку конструкции и подготовку производства. В этой связи следует обратить внимание на такой ранее указанный недостаток, как большие габаритные размеры автоматической коробки передач в сравнении с механической коробкой передач. На рис. 23 приведен пример сравнения габаритных размеров автоматической и механической коробок передач для переднеприводной компоновочной схемы автомобиля с поперечным расположением силового агрегата.

Рис. 23. Сравнение габаритов автоматической и механической коробок передач

Здесь можно выделить две характерные зоны, где автоматическая коробка при той же длине превосходит в размерах механическую. Зона А – влияет на такой параметр, как клиренс автомобиля и может занимать пространство, необходимое для расположения и перемещения рычага передней подвески (рис. 24). Зона Б – затрагивает пространство под расположение шлангов системы охлаждения двигателя (рис. 25).

Рис. 24. Сравнение положения автоматической и механической коробок передач относительно передней подвески автомобиля

Это лишь часть «подводных камней», с которыми может столкнуться проектировщик при организации пространства моторного отсека автомобиля, связанных с большими габаритными размерами автоматической трансмиссии. Сюда стоит отнести вероятность интеграции аккумуляторной батареи больших размеров в связи с увеличенной ее мощностью под холодный запуск двигателя; трудности с поиском свободного пространства под размещение электронного контроллера управления работой коробки передач; размещение радиатора и шлангов системы охлаждения самой автоматической коробкой передач и др. Поэтому на стадии начальных проектных работ следует уделять внимание унификации кузовных элементов и компоновки автомобиля для различных вариантов комплектаций автомобиля.

Рис. 25. Сравнение положения автоматической и механической коробок передач относительно шлангов системы охлаждения двигателя

Источник https://hydro-pnevmo.ru/topic.php?ID=59

Источник https://lakkroll.ru/gidravlicheskiy-privod-koles-avtomobilya/

Источник https://extxe.com/8336/avtomaticheskie-korobki-peredach-klassifikacija-harakteristiki/