ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА

Гидромеханическая передача (ГМП) успешно применяется на автомобилях уже более полуве­ ка и дает возможность заметно облегчить управление автомобилем.

Применение гидромеханической передачи на автомобиле позволяет получить следую­ щие преимущества:

1. Обеспечение автоматизации переключения передач и отсутствие необходимости иметь пе­ даль сцепления.

2. Повышение проходимости автомобиля в условиях бездорожья за счет отсутствия разрыва потока мощности при переключении передач.

3. Повышение долговечности двигателя и агрегатов трансмиссии за счет способности гидро­ трансформатора снижать динамические нагрузки.

В то же время как недостаток необходимо отметить потерю мощности и повышение рас­ хода топлива за счет более низкого КПД ГМП по сравнению с автомобилем, имеющим меха­ ническую коробку передач.

Гидромеханическая передачавключает в себя три основные части:

— гидротрансформатор;

— механическую коробку передач;

— систему управления.

На автомобилях ГМП впервые появилась в США: в 1940 г. коробка Hydramatic была установлена на автомобилях Oldsmobile. Справедливости ради необходимо отметить, что еще с начала 1930-х гг. на английских автобусах использовалась гидромеханическая трансмиссия Wilson, которая не была автоматической, но облегчала работу водителя. В настоящее время в США ГМП снабжаются 90 % легковых автомобилей, а также все го­ родские автобусы и значительная часть грузовых автомобилей. В Европе массовое при­ менение ГМП началось только в начале семидесятых годов прошлого века, когда эти пе­ редачи нашли применение в автомобилях Mercedes-Benz, Opel, BMW. В это же время в Европе строятся специализированные заводы по производству ГМП: фирма Borg-Warner строит завод в Англии (г. Летифорд), Ford — в г. Бордо (Франция), GM — в Страсбурге (Франция). В Японии появляются сразу два специализированных производства — Jatco и Aisin-Warner.

Гидротрансформатор (рис. 3.34; 3.35) был изобретен немецким профессором Фет- тингером в 1905 г. Прежде чем найти приме­ нение на автомобилях, гидротрансформатор использовался на судах и тепловозах.

Простейший гидротрансформатор, вы­ полнен в виде камеры тороидальной фор­ мы и включает в себя три лопастных колеса: насосное,вал которого соединен с колен­ чатым валом двигателя; турбинное,со­ единенное с трансмиссией, и реактор,установленный в корпусе гидротрансфор­ матора (рис. 3.36).

Гидротрансформатор заполняется спе­ циальной жидкостью. Каждое колесо имеет наружный и внутренний торцы, между кото­ рыми располагаются профилированные ло­ пасти, образующие каналы для протока жидкости. Все колеса гидротрансформатора максимально приближены друг к другу, а вытеканию жидкости препятствует специ­ альное уплотнение.

При вращении коленчатого вала двигате­ ля вращается насосное колесо, которое перемещает жидкость, находящуюся между его лопастями. Жидкость не только вра­ щается относительно оси гидротрансфор­ матора, но и за счет воздействия на нее цен­ тробежных сил перемещается вдоль лопа­ стей насосного колеса по направлению от входа к выходу, что сопровождается увеличе­ нием кинетической энергии потока. На выхо­ де из насосного колеса поток жидкости попа­ дает на турбинное колесо, оказывая силовое воздействие на его лопасти. Затем поток по­ падает в реактор, пройдя который, возвра­ щается к входу в насосное колесо. Таким об­

Рис. 3.34. Схема гидротрансформатора:1 — блокировочная муфта; 2 — турбинное колесо; 3 — насосное колесо; 4 — реактор­ ное колесо; 5 — механизм свободного хода

Рис. 3.35. Внешний вид гидротрансфор­ матора

разом, жидкость постоянно перемещается по замкнутому кругу циркуляции, образованному проточными частями всех трех лопастных колес, и находится с ними в силовом взаимодейст­ вии. При этом насос передает энергию двигателя потоку, а тот, в свою очередь, — турбине.

Если бы между насосным и турбинным колесами отсутствовал реактор, то такая конструк­ ция (гидромуфта) осуществляла бы перенос энергии от двигателя к трансмиссии гидравличе­ ским способом, без возможности изменения крутящего момента. Расположенный между ко­ лесами гидротрансформатора неподвижный реактор, имеет лопасти специального профиля, которые изменяют направление потока жидкости, выходящей из турбинного колеса и напра­ вляют его под определенным углом на лопасти насосного колеса. Это позволяет значитель­ но увеличить передаваемый от двигателя в трансмиссию крутящий момент.

Любой гидротрансформатор характеризуется определенным КПД, передаточным отно­ шением, которое показывает соотношение угловых скоростей его колес, и коэффициентом трансформации, показывающим, во сколько раз увеличивается значение крутящего момен-

Рис. 3.36. Детали гидротрансформатора:1 — насосное колесо; 2 — турбинное колесо; 3 — крышки муфты свободного хода; 4 — часть корпуса гидротрансформатора; 5 — остатки рабочей жидкости с продуктами механического износа деталей; 6 — колесо реактора; 7 — муфта свободного хода реактора; 8 — упорная шайба турбинного колеса; 9 — упорный под­ шипник реактора; 10 — поршень блокировки гидротрансформатора

та. Максимальный коэффициент трансформации зависит от конструкции гидротрансформа­ тора и может составлять до 2,4 (при неподвижном турбинном колесе). При увеличении час­ тоты вращения вала двигателя увеличивается угловая скорость насосного и турбинного ко­ лес, а увеличение крутящего момента в гидротрансформаторе плавно уменьшается. Когда угловая скорость турбинного колеса приближается к угловой скорости насосного, поток жид­ кости, поступающей на лопасти реактора, изменяет свое направление на противоположное. Для того чтобы реактор на этом режиме не создавал помех потоку жидкости, его устана­ вливают на муфте свободного хода, и он начинает свободно вращаться (гидротрансформа­ тор переходит на режим гидромуфты), что позволяет, в свою очередь, снизить потери. Такие

гидротрансформаторы называют комплексными.

КПД гидротрансформатора определяет экономичность его работы. Максимальное значе­ ние КПД гидротрансформатора может быть от 0,85 до 0,97, но обычно находится в диапазоне от 0,7 до 0,8. В комплексном гидротрансформаторе на режиме гидромуфты можно получить максимальное значение КПД — 0,97.

Изменение режимов работы гидротрансформатора происходит автоматически. Если уве­ личивать нагрузку на выходе из гидротрансформатора, то происходит уменьшение угловой скорости турбины, что приводит к увеличению коэффициента трансформации.

К сожалению, гидротрансформатор имеет малый диапазон передаточных чисел, не обес­ печивает движения задним ходом, не разобщает двигатель от трансмиссии (необходима сложная система опорожнения проточных частей от рабочей жидкости). Поэтому за гидро­ трансформатором устанавливают специальную коробку передач, которая компенсирует

указанные недостатки. Такая гидромехани­ ческая передача является бесступенчатой и позволяет получить любое передаточное число в заданном диапазоне.

В гидромеханических передачах в ос­ новном применяются механические плане­ тарные коробки передач, которые легко поддаются автоматизации, но иногда ис­ пользуют и обычные ступенчатые коробки передач с автоматическим управлением.

Простая планетарная передача состоит из центральной, «солнечной», шестерни и на­ ружной шестерни в виде кольца, с внутрен­ ними зубьями; эти две шестерни связаны между собой посредством нескольких (обычно трех) шестерен-сателлитов, смонти­ рованных на общей раме, которая называ­ ется водилом.

Для того чтобы планетарная передача изменяла крутящий момент, нужно обеспечить вращение одного из ее элементов («солнеч­ ной», коронной шестерни или водила), а один из элементов затормозить. В этом случае третий элемент будет вращаться с уг­ ловой скоростью, определяемой числом зубьев шестерен, входящих в планетарную передачу. Если одновременно затормозить два элемента, планетарная передача будет работать, как прямая с передаточным чис­ лом равным единице. Планетарная передача позволяет легко реверсировать вращение для получения заднего хода автомобиля. В то же время такие передачи достаточно компактны, обеспечивают возможность по­ лучения больших передаточных чисел и легко соединяются последовательно для получения большого числа ступеней. Для переключе­ ния передач достаточно просто затормажи­ вать валы отдельных элементов планетар­ ной коробки передач. Раньше в качестве тормозных устройств часто использовали ленточные тормоза, а в последнее время они практически вытеснены многодисковы­ ми «мокрыми» сцеплениями — фрикциона­ ми. Существуют и более сложные варианты планетарных передач.

Первые американские ГМП легковых ав­ томобилей имели двухступенчатую переда­ чу, причем низшая передача включалась вручную. Однако впоследствии одной авто-

Рис. 3.37. Простая планетарная передача (а):А — солнечное колесо; В — эпицикл; С — сателлиты; D — водило; V — линейная скорость; и схема планетарной передачи (б):1 — солнечная шестерня; 2, 4, 6 — сателли­ ты; 3 — водило; 5 — коронная шестерня

Рис. 3.38. Варианты исполнения планетарных передач:1, 2, 3 — валы; 4 — водило; 5, 8,

9 — сателлиты; 6, 7 — коронное зубчатое колесо

матической передачи оказалось явно недостаточно и появились ГМП с двумя и тремя авто­ матическими передачами. Для повышения топливной экономичности, гидротрансформато­ ры стали делать блокирующимися — после разгона на высшей передаче насосное и турбин­ ное колеса жестко соединялись фрикционной муфтой. Затем в конце 1980-х гг. блокировку гидротрансформатора стали применять на всех передачах, кроме первой.

Система автоматического управления обычно состоит из следующих подсистем:

— функционирования (гидравлические насосы, регуляторы давления);

— измерительная, собирающая информацию о параметрах управления;

— управляющая, вырабатывающая управляющие сигналы;

— исполнительная, осуществляющая управление переключением передач, работой двигателя;

— подсистема ручного управления;

— подсистема автоматических защит, предотвращающая возникновение опасных ситуаций. Конец 80-х гг. ознаменовался повсеместным внедрением электроники. Она позво­ ляет гораздо точнее выдерживать заданные моменты переключения (с точностью до 1 % вместо прежних 6- 8 %). Появились дополнительные возможности: по характеру измене-

Рис. 3.39. Современная четырехступенчатая ГМП автомобиля классической компоновки

ния скорости при данной нагрузке на дви­ гатель компьютер может вычислить массу автомобиля и ввести соответствующие поправки в алгоритм переключения. Электронное управление предоставило неограниченные возможности для само­ диагностики, что позволило корректиро­ вать процессы управления в зависимости от многих параметров (от температуры и вязкости жидкости до степени износа фрикционных элементов).

Однако, как и прежде, многое зависит от выбора закона переключения и организации переходного процесса переключения пере­ дач, а также тщательного согласования их с характеристиками двигателя. Например,

Рис. 3.40. Гидромеханическая коробка передач 7G-Tronik — первая в миресе- миступенчатая автоматическая коробка (Mercedes-Benz)

многие автомобили BMW, Audi, Jaguar имеют одинаковые по конструктивным особенностям автоматические коробки передач одной и той же фирмы Zanradfabrik (ZF), но они работают со­ вершенно по-разному.

Рис. 3.41. Устройство коробки передач 7G-Tronik:1 — ведущий вал; 2 — фрикцион блоки­ ровки гидротрансформатора с гасителем крутильных колебаний; 3 — масляный насос с кон­ тролем давления; 4 — фрикционы и планетарные передачи; 5 — выходной вал; 6 — стояночный тормоз; 7 — селектор; 8 — электронный блок управления; клапаны и датчики, встроенные в поддон; 9 — электронный блок переключения передач; 10 — высокоскоростные соленои­ ды; 11 — гидротрансформатор

Рис. 3.42. Основные элементы электрон­ ной системы управления:1 — блок управ­ ления; 2 — соединительный кабель; 3 — ры­ чаг управления; 4 — электрический разъем; 5 — ГМП

С сентября 2003 г. на автомобили Mercedes-Benz класса Е, S, SL и CL устанав­ ливаются гидромеханические коробки пе­ редач 7G-Tronik (рис. 3.40). Эта семиступен- чатая автоматическая коробка передач при­ шла на смену пятиступенчатому варианту ГМП. Новая ГМП позволила снизить расход топлива в среднем на 5 % в зависимости от модели автомобиля. Переключение пере­ дач происходит быстрее и более плавно.

Переключение передач осуществляется тремя многодисковыми тормозами, на кото­ рые оказывают воздействие гидравличе­ ские цилиндры. Давление в системе управ­ ления создает гидронасос с приводом от двигателя через насосное колесо гидро­ трансформатора. В нижнюю часть коробки

устанавливается гидравлическое исполнительное золотниковое устройство, которое с помо­ щью электромагнитных клапанов и по команде блока управления соединяет гидронасос с гидравлическими элементами сцепления и тормозов.

Основными элементами электронной системы управления являются электронный блок и рычаг управления. В правом секторе рычаг может занимать четыре позиции:

Р — режим парковки; R — задний ход;

N — нейтральная передача;

D — движение в режиме автоматического переключения передач.

При положении рычага в позиции D программа обеспечивает различные алгоритмы пе­ реключения в соответствии с сопротивлением движения, нагрузкой, положением педали

«газа», дорожной ситуацией.

Алгоритмы управления соответствуют движению в различных условиях:

— движение с постоянной высокой скоростью;

— городской режим движения;

— горный режим движения;

— режим буксировки;

— движение на поворотах.

При перемещении рычага влево водитель переводит коробку передач в режим ручного пе­ реключения. Движением рычага вперед-назад — включение повышающей-понижающей пе­ редачи. Такое переключение передач принято называть секвентальным (последовательным). Электронный блок управления является адаптивным, он запоминает манеру вождения водите­ ля и корректирует алгоритмы автоматического переключения передач.