Гідромеханічна передача

Гідромеханічна передача (ГМП) успішно застосовується на автомобілях вже понад півстоліття і дає можливість помітно полегшити керування автомобілем.

Застосування гідромеханічної передачі на автомобілі дозволяє отримати наступні переваги:

1. Забезпечення автоматизації перемикання передач і відсутність необхідності мати педаль зчеплення.

2. Підвищення прохідності автомобіля в умовах бездоріжжя за рахунок відсутності розриву потоку потужності при перемиканні передач.

3. Підвищення довговічності двигуна і агрегатів трансмісії за рахунок здатності гідротрансформатора знижувати динамічні навантаження.

У той же час як недолік необхідно відзначити втрату потужності і підвищення витрати палива за рахунок більш низького ККД ГМП в порівнянні з автомобілем, що має механічну коробку передач. Гідромеханічна передача включає в себе три основні частини:

- Гідротрансформатор;

- Механічну коробку передач;

- Систему управління.

На автомобілях ГМП вперше з'явилася в США: в 1940 р. коробка Hydramatic була встановлена ​​на автомобілях Oldsmobile. Заради справедливості слід зазначити, що ще з початку 1930-х рр. на англійських автобусах використовувалася гідромеханічна трансмісія Wilson, яка не була автоматичною, але полегшувала роботу водія. В даний час в США ГМП забезпечуються 90% легкових автомобілів, а також всі міські автобуси і значна частина вантажних автомобілів. В Європі масове застосування ГМП почалося тільки на початку сімдесятих років минулого століття, коли ці передачі знайшли застосування в автомобілях Mercedes-Benz, Opel, BMW. В цей же час в Європі будуються спеціалізовані заводи з виробництва ГМП: фірма Воrg-Warner будує завод в Англії (м. Летіфорд), Ford — у м. Бордо (Франція), GM - в Страсбурзі (Франція). В Японії з'являються відразу дві спеціалізовані виробництва – Jatco і Aisin-Warner.

Гідротрансформатор (рис. 2.2; 2.3) був винайдений німецьким професором Феттінгером в 1905 р. Перш ніж знайти застосування на автомобілях, гідротрансформатор використовувався на суднах і тепловозах.

Найпростіший гідротрансформатор, виконаний у вигляді камери тороїдальної форми і включає в себе три лопатевих колеса: насосне, вал якого з'єднаний з колінчастим валом двигуна; турбінне, з'єднане з трансмісією, і реактор, встановлений в корпусі гідротрансформатора (рис. 2.4).

Гідротрансформатор заповнюється спеціальною рідиною. Кожне колесо має зовнішній і внутрішній торці, між якими розташовуються профільовані лопаті, що утворюють канали для протоку рідини. Всі колеса гідротрансформатора максимально наближені один до одного, а витікання рідини перешкоджає спеціальне ущільнення.

При обертанні колінчастого вала двигуна обертається насосне колесо, яке переміщує рідину, що знаходиться між його лопатями. Рідина не тільки обертається щодо осі гідротрансформатора, а й за рахунок впливу на неї відцентрових сил переміщається вздовж лопатей насосного колеса у напрямку від входу до виходу, що супроводжується збільшенням кінетичної енергії потоку. На виході з насосного колеса потік рідини потрапляє на турбінне колесо, надаючи силовий вплив на його лопаті. Потім потік потрапляє в реактор, пройшовши який, повертається до входу в насосне колесо.

Рис. 2.2

Схема гідротрансформатора:

1 - блокувальна муфта, 2 - турбінне колесо, 3 - насосне колесо, 4 - реакторне колесо,

5 - механізм вільного ходу.

Таким чином, рідина постійно переміщається по замкнутому колу циркуляції, утвореному проточними частинами всіх трьох лопатевих коліс, і перебуває з ними в силовій взаємодії. При цьому насос передає енергію двигуна потоку, а той,

у свою чергу, — турбіні.

Якби між насосним і турбінним колесами був відсутній реактор, то така конструкція (гідромуфта) здійснювала б перенесення енергії від двигуна до трансмісії гідравлічним способом, без можливості зміни крутного моменту. Розташований між колесами гідротрансформатора нерухомий реактор, має лопаті спеціального профілю, які змінюють напрям потоку рідини, що виходить з турбінного колеса і направляють його під певним кутом на лопаті насосного колеса. Це дозволяє значно збільшити переданий від двигуна в трансмісію крутний момент.

Будь гідротрансформатор характеризується певним КПД, передавальним відношенням, яке показує співвідношення кутових швидкостей його коліс, і коефіцієнтом трансформації, що показує, у скільки разів збільшується значення крутного моменту.

Рис. 2.3

Зовнішній вигляд гідротрансформатора.

Максимальний коефіцієнт трансформації залежить від конструкції гідротрансформатора і може становити до 2,4 (при нерухомому турбінному колесі). При збільшенні частоти обертання вала двигуна збільшується кутова швидкість насосного та турбінного коліс, а збільшення крутного моменту в гідротрансформаторі плавно зменшується. Коли кутова швидкість турбінного колеса наближається до кутової швидкості насосного, потік рідини, що надходить на лопаті реактора, змінює свій напрямок на протилежне.

Для того щоб реактор на цьому режимі не створював перешкод потоку рідини, його встановлюють на муфті вільного ходу, і він починає вільно обертатися (гідротрансформатор переходить на режим гідромуфти), що дозволяє, в свою чергу, знизити втрати. Такі гідротрансформатори називають комплексними.

ККД гідротрансформатора визначає економічність його роботи. Максимальне значення ККД гідротрансформатора може бути від 0,85 до 0,97, але зазвичай знаходиться в діапазоні від 0,7 до 0,8. У комплексному гідротрансформаторі на режимі гідромуфти можна отримати максимальне значення ККД - 0,97.

Зміна режимів роботи гідротрансформатора відбувається автоматично. Якщо збільшувати навантаження на виході з гідротрансформатора, то відбувається зменшення кутової швидкості турбіни, що призводить до збільшення коефіцієнта трансформації.

На жаль, гідротрансформатор має малий діапазон передавальних чисел, не забезпечує руху заднім ходом, не роз'єднує двигун від трансмісії (необхідна складна система спорожнення проточних частин від робочої рідини). Тому за гідротрансформатором встановлюють спеціальну коробку передач, яка компенсує зазначені недоліки. Така гідромеханічна передача є безступінчастою ​​і дозволяє отримати будь-яке передавальне число в заданому діапазоні.

Рис. 2.4

Деталі гідротрансформатора:

1 - насосне колесо; 2 - турбінне колесо; 3 - кришки муфти вільного ходу; 4 - частина корпусу гідротрансформатора; 5 - залишки робочої рідини з продуктами механічного зносу деталей; 6 - колесо реактора; 7 - муфта вільного ходу реактора; 8 - упорна шайба турбінного колеса; 9 - завзятий підшипник реактора; 10 - поршень блокування гідротрансформатора

В гідромеханічних передачах в основному застосовуються механічні планетарні коробки передач, які легко піддаються автоматизації, але іноді використовують і звичайні ступінчасті коробки передач з автоматичним керуванням.

Проста планетарна передача складається з центральної, «сонячної», шестерні і зовнішньої шестерні у вигляді кільця, з внутрішніми зубами; ці дві шестерні пов'язані між собою за допомогою декількох (зазвичай трьох) шестерень-сателітів, змонтованих на загальній рамі, яка називається водилом.

Для того щоб планетарна передача змінювала крутний момент, потрібно забезпечити обертання одного з її елементів («сонячної», коронної шестірні або водила), а один з елементів загальмувати. В цьому випадку третій елемент буде обертатися з кутовою швидкістю, яка визначається числом зубів шестерень, що входять в планетарну передачу. Якщо одночасно загальмувати два елементи, планетарна передача буде працювати, як пряма з передавальним числом рівним одиниці. Планетарна передача дозволяє легко реверсувати обертання для отримання заднього ходу автомобіля. У той же час такі передачі досить компактні, забезпечують можливість отримання великих передавальних чисел і легко з'єднуються послідовно для отримання великої кількості ступенів. Для перемикання передач досить просто загальмовувати вали окремих елементів планетарної коробки передач. Раніше як гальмівних пристроїв часто використовували стрічкові гальма, а в останній час вони практично витіснені багатодисковими «мокрими» зчепленнями - фрикціонами. Існують і більш складні варіанти планетарних передач.

Перші американські ГМП легкових автомобілів мали двоступеневу передачу, причому нижча передача включалася вручну. Однак згодом однією автоматичної передачі виявилося явно недостатньо і з'явилися ГМП з двома і трьома автоматичними передачами. Для підвищення паливної економічності, гідротрансформатори стали робити блокувальними — після розгону на вищій передачі насосне та турбінне колеса жорстко з'єднувалися фрикційної муфтою.

Рис. 2.5

Проста планетарна передача (а):

А - сонячне колесо; В - епіцикл; С - сателіти; Б - водило; V - лінійна швидкість;

і схема планетарної передачі (б):

1 - сонячна шестірня; 2, 4, 6 - сателіти; 3 - водило, 5 - коронна шестерня.

Рис. 2.6

Варіанти виконання планетарних передач:

1, 2, 3 - вали, 4 - водило; 5, 8, 9 - сателіти; 6, 7 - коронне зубчасте колесо.

Потім в кінці 1980-х рр. блокування гідротрансформатора стали застосовувати на всіх передачах, крім першої. Система автоматичного управління зазвичай складається з наступних підсистем:

- Функціонування (гідравлічні насоси, регулятори тиску);

- Вимірювальна, що збирає інформацію про параметри управління;

- Керуюча, що виробляє керуючі сигнали;

- Виконавча, що здійснює управління переключенням передач, роботою двигуна;

- Підсистема ручного управління;

- Підсистема автоматичних захистів, що запобігає виникненню небезпечних ситуацій.

Кінець 80-х рр. ознаменувався повсюдним впровадженням електроніки. Вона дозволяє набагато точніше витримувати задані моменти перемикання (з точністю до 1% замість колишніх 6-8%). З'явилися додаткові можливості: за характером зміни швидкості при даному навантаженні на двигун комп'ютер може обчислити масу автомобіля і ввести відповідні поправки в алгоритм перемикання. Електронне управління надало необмежені можливості для самодіагностики, що дозволило коригувати процеси управління в залежності від багатьох параметрів (від температури і в'язкості рідини до ступеня зносу фрикційних елементів).

Рис. 2.7

Сучасна чотириступінчаста ГМП автомобіля класичної компонування.

Однак, як і колись, багато чого залежить від вибору закону перемикання і організації перехідного процесу перемикання передач, а також ретельного узгодження їх з характеристиками двигуна. Наприклад, багато автомобілів BMW, Audi, Jaguar мають однакові за конструктивними особливостями автоматичні коробки передач однієї і тієї ж фірми Zanradfabrik (ZF), але вони працюють абсолютно по-різному.

Рис. 2.8

Гідромеханічна коробка передач 7G-Tronik - перша в світі семиступінчаста автоматична коробка (Mercedes-Benz)

З вересня 2003 р. на автомобілі Mercedes-Benz класу Е, S, SL і CL. встановлюються гідромеханічні коробки передач 7G-Tronik (рис. 2.8). Ця семиступінчаста автоматична коробка передач прийшла на зміну п'ятиступінчастого варіанту ГМП. Нова ГМП дозволила понизити витрату палива в середньому на 5% в залежності від моделі автомобіля. Перемикання передач відбувається швидше і більш плавно.

Рис. 2.9

Пристрій коробки передач 7G-Tronik:

1 - ведучий вал, 2 - фрикціон блокування гідротрансформатора з гасителем крутильних коливань; 3 - масляний насос з контролем тиску; 4 - фрикціони і планетарні передачі; 5 - вихідний вал; 6 - гальмо стоянки; 7 - селектор; 8 - електронний блок управління; клапани і датчики, вбудовані в піддон; 9 - електронний блок перемикання передач; 10 - високошвидкісні соленоїди; 11 - гідротрансформатор.

Перемикання передач здійснюється трьома багатодисковими гальмами, на які впливають гідравлічні циліндри. Тиск у системі управління створює гідронасос з приводом від двигуна через насосне колесо гідротрансформатора. У нижню частину коробки встановлюється гідравлічний виконавчий золотниковий пристрій, який за допомогою електромагнітних клапанів і по команді блоку управління з'єднує гідронасос з гідравлічними елементами зчеплення і гальм.

Основними елементами електронної системи управління є електронний блок і важіль управління. У правому секторі важіль може займати чотири позиції:

Р - режим паркування;

R - задній хід;

N - нейтральна передача;

D - рух в режимі автоматичного перемикання передач.

При положенні важеля в позиції D програма забезпечує різні алгоритми перемикання відповідно до опору руху, навантаженням, положенням педалі «газу», дорожньою ситуацією. Алгоритми управління відповідають руху в різних умовах:

- Рух з постійною високою швидкістю;

- Міський режим руху;

- Гірський режим руху;

- Режим буксирування;

- Рух на поворотах.

Рис. 2.10

Основні елементи електронної системи управління:

1 - блок управління, 2 - з'єднувальний кабель, 3 - важіль управління, 4 - електричний роз’їм, 5 – ГМП.

При переміщенні важеля вліво водій переводить коробку передач в режим ручного перемикання. Рухом важеля вперед-назад - включення підвищувальної-понижувальної передачі. Таке перемикання передач прийнято називати секвентальним (послідовним). Електронний блок управління є адаптивним, він запам'ятовує манеру водіння водія і коригує алгоритми автоматичного перемикання передач.