Описание работы автоматической коробки передач автомобиля

Попытаемся разобраться, как работает автоматическая коробка передач, из чего состоит

Между автомобилем с автоматической коробкой передач (АКПП) и автомобилем с механической коробкой передач (МКПП), есть несколько существенных различий:

В автомобиле с автоматом нет педали сцепления — всего две педали вместо трех, как на механике
В автомобиле с автоматической трансмиссией не нужно переключать скорости вручную, чтобы ускориться - включаете D- drive и поехали
Машина с АКПП дороже
Машина с МКПП экономичнее расходует топливо

И автоматическая и механическая коробки передач выполняют одну и ту же функцию, но делают это по-разному.

В статье постараемся разобраться в тонкостях работы АКПП. Начнем с основного момента всей системы: планетарного ряда передач. Затем разберем строение коробки, узнаем, как работают системы контроля, и обсудим как переключаются передачи.

Для чего нужна автоматическая коробка передач?

Как и «механика» (МКПП), АКПП заставляет двигатель автомобиля работать в узком диапазоне оборотов, выдавая при этом широкий диапазон выходной скорости.

Трансмиссия нужна, чтобы эффективно использовать крутящий момент автомобильного двигателя. Когда машина стартует, ей нужно больше тягового усилия, чем тогда когда достигает скорости в 100 км/ч. То есть при старте двигатель должен выдавать большее количество оборотов, а набрав скорость, может их снизить. При буксировке и перевозке тяжелых грузов коробка передач нагревается до высоких температур, которые могут сжечь трансмиссионную жидкость (о сроках ее замены тут). Чтобы не повредить трансмиссию в результате перегрева, водителям, которые часто перевозят тяжелые грузы, следует покупать автомобили с коробками оснащенными кулером.

Ключевое различие между механикой и автоматом в том, что механическая трансмиссия, блокирует и разблокирует различные наборы шестерен, связанных с выходным валом, для достижения различных передаточных чисел (подробнее о работе МКПП здесь). А в автоматической, один и тот же набор шестерен производит различные передаточные числа. Механизм, который делает это возможным, называется планетарным рядом передач.

Планетарный ряд передач в АКПП

Если разобрать автоматическую коробку передач и заглянуть внутрь, то вы увидите:

• Планетарный ряд передач;
• Серию полос для блокировки отдельных частей набора передач;
• Набор из трех гидромуфт для блокировки других частей набора передач;
• Гидравлическую систему управляющая муфтами и лентами;
• Шестерный насос, поддон коробки, для циркуляции масла внутри.

Планетарный ряд передач имеет размер обычной дыни, но он один создает все передаточные числа, которые может произвести коробка. Все остальные части АКПП предназначены в помощь планетарному ряду передач. Автоматическая коробка передач состоит из 2 полных планетарных наборов передач, которые связаны в один компонент.

Любой планетарный набор передач состоит из 3 основных компонентов:

• Солнечная шестерня (или центральная);
• Планетарная шестерня (сателлит) и водило планетарной передачи;
• Коронная шестерня.

По отдельности каждый из 3 компонентов может быть ведомым, ведущим или неподвижным. Передаточное число планетарного ряда передач предопределяется выбором роли каждого компонента.

Передаточные числа планетарного набора передач АКПП

Один из планетарных наборов передач нашей коробки обладает коронной шестерней с семидесятью двумя зубчиками и солнечную шестерню с 30-ю зубчиками. Из этого набора передач мы можем получить множество различных передаточных чисел.

Существует пара других передаточных чисел, которые можно получить из этого планетарного ряда, но в таблице перечислены только имеющие непосредственное отношение к изучаемой автоматической коробке. С двумя такими наборами передач мы можем получить четыре передачи переднего хода и одну передачу заднего хода — минимальный набор для комфортного движения на автомобиле.

Комбинированный планетарный набор передач

В изучаемой трансмиссионной коробке используется набор передач, называемый комбинированным планетарным набором, внешне выглядящий как один набор, но по функционалу работящий как два скомбинированных планетарных набора передач. У него одна коронная шестеренка, которая всегда ведома, но 2 солнечные шестеренки и 2 набора сателлитов.

Давайте подробнее рассмотрим некоторые части:

Справа налево: две солнечных шестерни, водило, коронная шестерня

На рисунке ниже изображены сателлиты водила. Обратите внимание, сателлит справа расположен ниже, чем сателлит слева. Сателлит справа не контактирует с коронной шестерней, он приводит в действие другой сателлит. Только сателлит слева контактирует с коронной шестерней.

Далее видим внутреннее строение водила. Более короткие сателлиты вступают в контакт только с малой солнечной шестеренкой.  Длинные сателлиты цепляются с большей солнечной шестеренкой и короткими сателлитами.

Первая передача

На первой передаче меньшая солнечная шестерня приводиться в движение турбиной гидротрансформатора и движется по часовой стрелке. Водило пытается вращаться в обратном направлении, т.е. против часовой стрелки, но держится на месте фрикционной муфтой (которая позволяет вращение только по часовой стрелке) и коронная передача вращается по направлению входного вращения. Малая солнечная шестерня имеет 30 зубчиков, коронная шестерня – 72 зубчика, так передаточное число «К» составляет:

 К = -R/S = -72/30 = -2.4:1

Таким образом, вращение отрицательное, что указывает на то, что выходное вращение вала противоположно входному вращению. Но на самом деле оба вращения двигаются в одну и ту же сторону – в этом и кроется трюк с двойным планетарным набором передач. Первый набор сателлитов приводит в движение второй набор, а второй набор, крутит коронную шестерню; эта комбинация меняет направление кручения. Становится очевидным, что солнечная шестерня тоже должна вращаться, но т.к. фрикционная муфта выключена, большая солнечная шестерня имеет возможность вращаться в противоположном от турбины направлении (против часовой стрелки).

Вторая передача

Вторая передача образуется путем соединения двух планетарных наборов передач общим водилом сателлитов.

На первом этапе водило использует большую солнечную шестерню как коронную шестерню. Так, первый этап состоит из «солнца» (малой солнечной шестерни), водила и короны (большой солнечной шестерни). 

Ведомой является малая солнечная шестерня, коронная шестерня (а в данном случае большая солнечная шестерня) остается неподвижной, удерживаемая лентой, а водило является ведущим компонентом. Передаточное число в этом случае, рассчитывается по следующей формуле:

1 + R/S = 1 + 36/30 = 2.2:1

Водило делает 2.2 вращения за одно полное вращение малой солнечной шестерни. На втором этапе водило сателлитов становится ведомым элементом второго планетарного ряда, большая солнечная шестерня (в данном случае неподвижный элемент) исполняет роль солнца, а коронная шестерня становится ведущим элементом. Поэтому, в этом случае передаточное число рассчитывается по формуле следующей:

1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1

Чтобы получить общее передаточное число для 2 передачи, умножаем первый показатель на второй – 2.2 х 0.67 = 1.47:1 и видим, что происходит понижение передачи.

Все эти формулы могут путать, но мы решили описать мельчайшие подробности работы автоматической коробки переключения передач.

Третья передача

Большинство автомобилей с 4-ступенчатой автоматической коробкой передач, как раз ее мы и разбираем в статье, на третьей скорости имеют передаточное число равное 1:1. Чтобы получить эти передаточные числа достаточно заблокировать две из трех частей планетарного ряда передач. С тем как устроен этот набор передач, нет ничего проще – все, что нужно сделать, это привлечь в работу муфты, которые заблокируют каждую из солнечных передач на гидротурбине.

Если обе солнечные шестерни будут вращаться в одном направлении, то сателлиты заблокируются, т.к. они могут вращаться только в противоположных направлениях. В результате, коронная шестерня будет заблокирована вместе с сателлитами, что заставит весь механизм вращаться как единое целое, создавая передаточное число 1:1.

Повышающая передача (или overdrive)

По определению, overdrive имеет более высокую выходную скорость, чем входную. Это и есть увеличение скорости, т.е. противоположность уменьшению. В разбираемой нами АКПП, овердрайв выполняет одновременно две функции. Для повышения эффективности, в некоторых автомобилях установлен механизм, который блокирует гидротрансформатор так, что крутящий момент движка автомобиля напрямую передается в коробку передач.

В данной коробке переключения передач, при включенной повышающей передаче, вал, прикрепленный к корпусу гидротрансформатора (который, в свою очередь, крепится к маховику двигателя), соединяется фрикционной муфтой с водилом сателлитов. Малая солнечная шестерня свободно крутится, а большая солнечная шестерня удерживается на месте тормозной лентой овердрайва. Ни один из компонентов не связан с турбиной, а входной крутящий момент идет от корпуса гидротрансформатора. Давайте вернемся к нашей таблице, на этот раз ведущий элемент — водило, ведомый — коронная шестерня, а солнечная шестерня остается неподвижной. Так получаем формулу передаточного соотношения «К»:

К = 1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) = 0.67:1

Таким образом, выходной вал вращается каждые 2/3 оборота двигателя. Если двигатель вращается со скоростью 2000 оборотов в минуту, скорость выходного вала составляет 3000 оборотов в минуту. Это позволяет автомобилю мчаться по скоростному шоссе со скоростью света, тогда как сам двигатель не перегружен.

На вопрос, сколько вообще нужно передач трансмиссии автомобиля, ищите ответ здесь.

Задняя передача

Задняя передача во многом походит на первую передачу, за исключением того, что в движение турбиной гидротрансформатора приводится большая солнечная шестерня, а малая свободно вращается в противоположном направлении. Водило сателлитов удерживается тормозной лентой заднего хода у корпуса гидротрансформатора. Таким образом, получаем формулу такую:

K = -R/S = -72/36 = 2.0:1

Видим, что передаточное число задней передачи немногим меньше передаточного числа первой передачи описываемой АКПП.

Фрикционные муфты и тормозные ленты в автоматической коробке переключения передач

Чтобы включить овердрайв, многие компоненты должны быть соединены и рассоединены между собой. Происходит это при помощи фрикционных муфт и тормозных лент. Каждое переключение передач вызывает ряд действий, связанных с включением и отсоединением различных муфт и лент. Рассмотрим их более подробно.

Тормозные ленты

В коробке передач, которую рассматриваем, 2 тормозные ленты. С виду это стальные ленты, обернутые вокруг отдельных блоков шестерен коробки передач, и присоединены к ее корпусу. Они приводятся в действие гидравлическими цилиндрами, которые расположены внутри коробки.

На картинке ниже можно увидеть одну из тормозных лент внутри корпуса АКПП. Блок шестерен удален, а металлический стержень соединен с поршнем, который приводит в действие тормозную ленту.

Ниже, можете увидеть сами поршни, которые приводят в движение тормозные ленты. Гидравлическое давление направляется в цилиндры набором клапанов, заставляя поршни давить на ленты, что блокирует отдельный элемент планетарного ряда.

С фрикционными муфтами все сложнее. В нашей коробке стоит четыре таких муфты. Каждая муфта приводиться в действие под давлением масла, которое давит на поршень внутри муфты. Как только давление масла падает, возвратная пружина разъединяет фрикционные муфты. На рисунке ниже можно увидеть барабан муфты и поршень. Обратите внимание на резиновый сальник на поршне – это тот компонент, который всегда заменяют при ремонте коробки передач. Об основных признаках неисправности трансмиссии автомобиля, тут.

На следующем рисунке показаны чередующиеся слои фрикционного материала муфты и стальных пластин. С внутренний стороны фрикционный материал шлицованный (то есть с пазами), именно так он соединяется с одной из шестерен. Эти фрикционные диски также подлежат замене на новые в случае ремонта коробки передач.

Давление для фрикционных муфт подается через специальные каналы в валах. Контролируется процесс гидравлической системой, которая принимает решение, какие фрикционы или тормозные ленты задействовать в моменте.

Поговорим, как работает автоматическая коробка передач в режиме паркинга.

Как работает режим паркинга в АКПП?

Чтобы заблокировать работу коробки передач, не достаточно заблокировать вращение шестерни. Для механизма паркинга есть ряд непростых требований.

1. Мы должны иметь возможность снять автомобиль с режима парковки, когда машина находиться на склоне (вес автомобиля полностью ложится на механизм).
2. Мы должны иметь возможность поставить автомобиль на паркинг, даже если рычаг не выстраивается в одну линию с передачей.
3. После того, как режим паркинга активирован, что-то должно не допускать «выскакивание» рычага и деактивацию режима.

Справляется со всеми вышеперечисленными задачами отдельный механизм. Давайте рассмотрим его подробнее.

Механизм парковочного тормоза задействует зубья на выходе, чтобы автомобиль не двигался с места. Этот механизм часть коробки передач, которая связана непосредственно с приводным валом – поэтому, если эта часть не может вращаться, то автомобиль не сможет двигаться.

На рисунке видно парковочный механизм, входящий в корпус коробки передач в том месте, где расположены шестерни. Обратите внимание, он имеет коническую форму сторон, что помогает снять автомобиль с парковочного тормоза, когда он припаркован на склоне. Таким образом, сила веса автомобиля помогает вытолкнуть парковочный механизм из-за углов конуса.

Стержень, показанный ниже, подключен к кабелю, который управляется рычагом переключения передач в вашем автомобиле.

Когда рычаг стоит в положении паркинг, стержень толкает пружину против небольшой конической втулки. Если парковочный механизм выровнен по отношению к углублениям на выходном валу, то конусообразная втулка будет толкать механизм вниз. Если механизм попадает на выступ выходного вала, то пружина будет толкать конусообразную втулку, но рычаг не встанет на место до тех пор, пока машина не проедет немного и зубья не выстроятся должным образом. Вот почему иногда автомобиль немного двигается после постановки в режим паркинга и снятия ноги с педали тормоза. Механизм должен немного прокатиться, чтобы выровнялись зубья и парковочный механизм встал на место.

Как только автомобиль перешел в режим паркинга, втулка удерживает рычаг так, чтобы автомобиль не покатился обратно, если припаркован на склоне.

Zap-online.ru приветствует критику и замечания к статье в комментариях. Будем рады, если вы поделитесь своим мнением о материале.