С возвращением на Gearhead 101 — серию статей, посвященных основам работы автомобилей, для новичков в автомобилестроении.
Если вы следили за Gearhead 101, вы знаете, как работает автомобильный двигатель, как двигатель передает мощность, которую он генерирует, через трансмиссию, и как механическая коробка передач функционирует как своего рода силовой распределительный щит между двигателем и трансмиссией.
Но большинство людей в наши дни (по крайней мере, если вы живете в США) ездят на машинах с автоматом. передачи. Вы когда-нибудь задумывались, как ваш автомобиль может переключаться на соответствующую передачу без каких-либо действий, кроме нажатия на педаль газа или тормоза?
Ну, держись за свои задницы. Мы собираемся познакомить вас с одним из самых удивительных образцов механики (и гидравлики) в истории человечества:автоматической коробкой передач.
(Серьезно, я не преувеличиваю:как только вы поймете, как работают автоматические коробки передач, вы будете поражены тем, что люди смогли придумать эту штуку без компьютеров.)
Прежде чем мы углубимся во все тонкости работы автоматической коробки передач, давайте кратко рассмотрим, зачем транспортным средствам нужна коробка передач — любого типа — в первую очередь.
Как обсуждалось в нашем учебнике по работе автомобильного двигателя, двигатель вашего автомобиля создает мощность вращения. Чтобы двигать машину, нам нужно передать эту вращающую силу на колеса. Это то, что делает трансмиссия автомобиля, частью которой является трансмиссия.
Но вот проблема:двигатель может вращаться только в пределах определенной скорости, чтобы работать эффективно. Если он вращается слишком низко, вы не сможете заставить машину тронуться с места; если он вращается слишком быстро, двигатель может самоуничтожиться.
Что нам нужно, так это какой-то способ умножить мощность, вырабатываемую двигателем, когда это необходимо (начало с места, подъем в гору и т. д.), а также уменьшить количество мощности, отправляемой двигателем, когда она не нужна ( спускаться, ехать очень быстро, резко нажимать на тормоза).
Введите передачу.
Трансмиссия гарантирует, что ваш двигатель вращается с оптимальной скоростью (ни слишком медленно, ни слишком быстро), одновременно обеспечивая ваши колеса необходимой мощностью, необходимой для движения и остановки автомобиля, независимо от ситуации, в которой вы оказались. между двигателем и остальной частью трансмиссии и действует как распределительный щит автомобиля.
Ранее мы подробно рассказывали о том, как механические коробки передач достигают этого с помощью передаточных чисел. Соединяя шестерни разного размера друг с другом, вы можете увеличить количество мощности, передаваемой остальной части автомобиля, без существенного изменения скорости вращения двигателя. Если вы еще не поняли идею передаточных чисел, я рекомендую вам посмотреть видео, которое мы включили в прошлый раз, прежде чем двигаться дальше; ничто другое не будет иметь смысла, если вы не поймете эту концепцию.
С механической коробкой передач вы управляете включенными передачами, нажимая сцепление и переключая передачи на место.
В автоматической коробке передач блестящая инженерия определяет, какая передача включена, и вам не нужно ничего делать, кроме как нажимать педали газа или тормоза. Это автомобильная магия.
Итак, к этому моменту у вас должно быть общее представление о назначении трансмиссии:она гарантирует, что ваш двигатель вращается с оптимальной скоростью (ни слишком медленно, ни слишком быстро), одновременно обеспечивая колеса необходимой мощностью для движения и остановки автомобиля. автомобиль, независимо от ситуации.
Давайте посмотрим на детали, которые позволяют это сделать в случае с автоматической коробкой передач:
Корпус трансмиссии
Корпус трансмиссии содержит все части трансмиссии. Он чем-то похож на колокольчик, поэтому его часто называют «кожухом колокола». Корпус трансмиссии обычно изготавливается из алюминия. Помимо защиты всех движущихся шестерен трансмиссии, кожух колокола на современных автомобилях имеет различные датчики, которые отслеживают входную скорость вращения двигателя и выходную скорость вращения остальной части автомобиля.
Гидротрансформатор
Вы когда-нибудь задумывались, почему вы можете включить двигатель своего автомобиля, но он не движется вперед? Ну, это потому, что поток мощности от двигателя к трансмиссии отключен. Это отключение позволяет двигателю продолжать работу, даже если остальная часть трансмиссии автомобиля не получает мощности. На механической коробке передач вы отключаете питание двигателя от трансмиссии, выжимая сцепление.
Но как отключить питание двигателя от остальной части трансмиссии на автоматической коробке передач без сцепления?
Конечно, с гидротрансформатором.
Вот тут-то и начинается черная магия автоматических коробок передач (мы еще даже не дошли до планетарных передач).
Гидротрансформатор находится между двигателем и коробкой передач. Это нечто похожее на пончик, которое находится внутри большого отверстия колокола трансмиссии. Он выполняет две основные функции с точки зрения передачи крутящего момента:
Эти две функции он выполняет благодаря гидравлической мощности, обеспечиваемой трансмиссионной жидкостью внутри вашей коробки передач.
Чтобы понять, как это работает, нам нужно знать, как работают различные части гидротрансформатора.
Детали гидротрансформатора
В большинстве современных автомобилей гидротрансформатор состоит из четырех основных частей:1) насоса, 2) статора, 3) турбины и 4) муфты гидротрансформатора.
<сильный>1. Насос (крыльчатка). Насос выглядит как вентилятор. Он имеет множество лопастей, исходящих из его центра. Насос крепится непосредственно к корпусу гидротрансформатора, который, в свою очередь, крепится болтами непосредственно к маховику двигателя. Следовательно, насос вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал двигателя. (Вам нужно помнить об этом, когда мы рассмотрим, как работает гидротрансформатор.) Насос «качает» трансмиссионную жидкость наружу от центра к . . .
<сильный>2. Турбина. Турбина находится внутри корпуса преобразователя. Как и насос, он выглядит как вентилятор. Турбина соединяется непосредственно с входным валом коробки передач. Он не подключен к насосу, поэтому может двигаться с другой скоростью, чем насос. Это важный момент. Это то, что позволяет двигателю вращаться с другой скоростью, чем остальная часть трансмиссии.
Турбина может вращаться благодаря трансмиссионной жидкости, поступающей от насоса. Лопасти турбины сконструированы таким образом, что поступающая в них жидкость перемещается к центру турбины и обратно к насосу.
<сильный>3. Статор (он же Реактор). Статор находится между насосом и турбиной. Это похоже на лопасть вентилятора или пропеллер самолета (вы видите здесь закономерность?). Статор делает две вещи:1) более эффективно отправляет трансмиссионную жидкость из турбины обратно в насос и 2) увеличивает крутящий момент, поступающий от двигателя, чтобы помочь машине двигаться, но затем передает меньший крутящий момент, когда машина движется с хорошей скоростью. клип.
Это достигается благодаря умной инженерии. Во-первых, лопасти реактора сконструированы таким образом, что когда трансмиссионная жидкость, выходящая из турбины, попадает на лопасти статора, жидкость отклоняется в том же направлении, что и вращение насоса.
Во-вторых, статор соединен с неподвижным валом трансмиссии через обгонную муфту. Это означает, что статор может двигаться только в одном направлении. Это гарантирует, что жидкость из турбины будет направлена в одном направлении. Статор начнет вращаться только тогда, когда скорость потока от турбины достигнет определенного уровня.
Эти два конструктивных элемента статора облегчают работу насоса и создают большее давление жидкости. Это, в свою очередь, создает усиленный крутящий момент на турбине, а поскольку турбина соединена с трансмиссией, больший крутящий момент может передаваться на трансмиссию и остальную часть автомобиля. Фух.
<сильный>4. Муфта гидротрансформатора. Благодаря тому, как работает гидродинамика, мощность теряется, когда трансмиссионная жидкость идет от насоса к турбине. Это приводит к тому, что турбина вращается с несколько меньшей скоростью, чем насос. Это не проблема, когда автомобиль начинает движение (на самом деле разница в скорости позволяет турбине передавать больший крутящий момент на трансмиссию), но когда он движется, эта разница приводит к некоторой неэффективности использования энергии.
Чтобы свести на нет эту потерю энергии, большинство современных гидротрансформаторов имеют муфту гидротрансформатора, соединенную с турбиной. Когда автомобиль достигает определенной скорости (обычно 45-50 миль в час), муфта гидротрансформатора включается и заставляет турбину вращаться с той же скоростью, что и насос. Компьютер контролирует, когда включается муфта гидротрансформатора.
Итак, это детали гидротрансформатора.
Давайте соберем все вместе и посмотрим, как будет выглядеть действие гидротрансформатора при переходе от полной остановки к крейсерской скорости:
Заводишь машину, а она глохнет. Насос вращается с той же скоростью, что и двигатель, и подает трансмиссионную жидкость к турбине, но, поскольку двигатель вращается не очень быстро при полной остановке, турбина не вращается так быстро, поэтому она не может подавать. крутящий момент на трансмиссию.
Вы жмете на газ. Это заставляет двигатель вращаться быстрее, что приводит к более быстрому вращению насоса гидротрансформатора. Поскольку насос вращается быстрее, трансмиссионная жидкость движется от насоса достаточно быстро, чтобы турбина начала вращаться быстрее. Лопасти турбины направляют жидкость к статору. Статор еще не вращается, потому что скорость трансмиссионной жидкости недостаточно высока.
Но из-за конструкции лопастей статора, когда жидкость проходит через них, она отводит жидкость обратно к насосу в том же направлении, в котором вращается насос. Это позволяет насосу перекачивать жидкость обратно в турбину с более высокой скоростью и создает большее давление жидкости. Когда жидкость возвращается к турбине, она делает это с большим крутящим моментом, в результате чего турбина передает больший крутящий момент на трансмиссию. Автомобиль начинает двигаться вперед.
Снова и снова этот цикл продолжается по мере того, как ваша машина ускоряется. Когда вы достигаете крейсерской скорости, трансмиссионная жидкость достигает давления, при котором лопасти реактора начинают вращаться. При вращении реактора крутящий момент уменьшается. В этот момент вам не нужен большой крутящий момент для движения автомобиля, потому что автомобиль движется с хорошей скоростью. Муфта гидротрансформатора срабатывает и заставляет турбину вращаться с той же скоростью, что и насос и двигатель.
Итак, преобразователь крутящего момента — это то, что позволяет или предотвращает передачу мощности от двигателя к трансмиссии и умножает крутящий момент на трансмиссию, чтобы заставить автомобиль двигаться с мертвой точки. Пришло время взглянуть на части трансмиссии, которые позволяют автомобилю переключаться автоматически.
Планетарные шестерни
По мере того, как ваш автомобиль достигает более высоких скоростей, ему требуется меньший крутящий момент, чтобы поддерживать движение автомобиля. Трансмиссии могут увеличивать или уменьшать крутящий момент, передаваемый на колеса автомобиля, благодаря передаточному числу. Чем меньше передаточное число, тем больше крутящий момент передается. Чем выше передаточное отношение, тем меньше крутящий момент.
На механической коробке передач для изменения передаточных чисел необходимо переключить рычаг переключения передач.
В автоматической коробке передач передаточные числа увеличиваются и уменьшаются автоматически. И это возможно благодаря хитроумной конструкции планетарной передачи.
Планетарная передача состоит из трех компонентов:
Одна планетарная передача обеспечивает передачу заднего хода и пять уровней передачи вперед. Все зависит от того, какой из трех компонентов зубчатой передачи движется или остается неподвижным.
Давайте посмотрим на это в действии с различными компонентами, действующими как входная шестерня (шестерня, которая генерирует мощность), выходная шестерня (шестерня, которая получает мощность) или неподвижно.
Солнечная шестерня:входная шестерня / Водило планетарной передачи:выходная шестерня / Кольцевая шестерня:удерживается неподвижно
В этом сценарии солнечная шестерня является входной шестерней. Зубчатый венец не двигается. Когда солнечная шестерня движется, а зубчатый венец удерживается на месте, планетарные шестерни будут вращаться на собственных несущих валах и перемещаться внутри зубчатого венца, но в направлении, противоположном направлению солнечной шестерни. Это заставляет водило вращаться в том же направлении, что и солнечная шестерня. Таким образом, водила становится выходной шестерней.
Эта конфигурация создает низкое передаточное число, что означает, что входная шестерня (в данном случае солнечная шестерня) вращается быстрее, чем выходная шестерня (водило планетарной передачи). Но крутящий момент, создаваемый водилом планетарной передачи, намного больше, чем у солнечной шестерни.
Такая конфигурация будет использоваться, когда автомобиль только заводится.
Солнечная шестерня:удерживается неподвижно / Водило планетарной передачи:выходная шестерня / Кольцевая шестерня:входная шестерня
В этом сценарии солнечная шестерня остается неподвижной, но зубчатый венец становится входной шестерней (то есть передает мощность системе шестерен). Поскольку солнечная шестерня удерживается, вращающиеся планетарные шестерни будут ходить вокруг солнечной шестерни и нести с собой водило.
Водило планетарной передачи движется в том же направлении, что и зубчатый венец, и является выходной шестерней.
Эта конфигурация создает немного более высокое передаточное число, чем первая конфигурация. Но входная шестерня (коронная шестерня) по-прежнему вращается быстрее, чем выходная шестерня (водило планетарной передачи). Это приводит к тому, что планетарная передача передает больший крутящий момент или мощность на остальную часть трансмиссии. Эта конфигурация, скорее всего, будет использоваться, когда ваша машина ускоряется после полной остановки или когда вы едете в гору.
Солнечная шестерня:входная шестерня / Водило планетарной передачи:выходная шестерня / Кольцевая шестерня:входная шестерня
В этом сценарии и солнечная шестерня, и зубчатый венец действуют как входные шестерни. То есть оба вращаются с одинаковой скоростью и в одном направлении. Это приводит к тому, что планетарные шестерни не вращаются на своих отдельных валах. Почему? If the ring gear and the sun gear are the input members, the internal teeth of the ring gear will try to rotate the planetary gears in one direction, while the external teeth of the sun gear will try to drive them in the opposite direction. So they lock into place. The whole unit (sun gear, planetary carrier, ring gear) moves together at the same speed and they transfer the same amount of power. When the input and the output transfer the same amount of torque, it’s called direct drive.
This arrangement would be in play when you’re cruising around 45-50 mph.
Sun Gear:held stationary / Planetary Carrier:input gear / Ring Gear:output gear
In this scenario, the sun gear is held stationary, and the planetary carrier becomes the input gear that delivers power to the gear system. The ring gear is now the output gear.
As the planet carrier rotates, the planetary gears are forced to walk around the held sun gear, which drives the ring gear faster. One complete rotation of the planet carrier causes the ring gear to rotate more than one complete revolution in the same direction. This is a high gear ratio and provides more output speed but less torque. This arrangement is also known as “overdrive.”
You’d be in this configuration when you’re driving on the freeway at 60+ mph.
An automatic transmission usually has more than one planetary gear set. They work together to create multiple gear ratios.
Because the gears are in constant mesh in a planetary gear system, gear changes are made without engaging or disengaging gears, like you do on a manual transmission.
But how does an automatic transmission tell which parts of the planetary gear system should act as the input gear, the output gear, or be held stationary, so we can get those varying gear ratios?
With the help of brake bands and clutches inside the transmission.
Brake Bands and Clutches
Brake bands are made of metal lined with organic friction material. The brake bands can tighten to hold the ring or sun gear stationary or loosen to let them spin. Whether a brake band tightens or loosens is controlled by a hydraulic system.
A series of clutches also connect to the different parts of a planetary gear system. Transmission clutches in automatic transmissions are made up of multiple metal and friction discs (which is why they’re sometimes referred to as a “multi disc clutch assembly”). When the discs are pressed together, it causes the clutch to engage. A clutch can cause a planetary gear part to become an input gear or it could cause it to become stationary. It just depends on how it’s connected to the planetary gear. Whether a clutch engages or not is driven by a combination of mechanical, hydraulic, and electrical design. And it all happens automatically.
Now the intricacies of how the various clutches work together to hold and drive different components is pretty complicated. Too complicated to describe it in text. It’s best understood visually. I highly recommend checking out this video that walks you through it:
As you can see, there are a lot of moving parts inside an automatic transmission. It uses a combination of mechanical, fluid, and electrical engineering to give you a smooth ride from dead stop to highway cruising speed.
So let’s walk through a big picture overview of the power flow in an automatic transmission.
The engine sends power to the torque convertor’s pump .
The pump sends power to the torque converter’s turbine via transmission fluid.
The turbine sends the transmission fluid back to the pump via the stator .
The stator multiples the power of the transmission fluid, allowing the pump to send more power back to the turbine. A vortex power rotation is created inside the torque converter.
The turbine is connected to a central shaft that connects to the transmission. As the turbine spins, the shaft spins, sending power to the first planetary gear set of the transmission.
Depending on which multiple disc clutch or brake band is engaged in the transmission, the power from the torque converter will either cause the sun gear , the planetary carrier , or the ring gear of the planetary gear system to move or stay stationary.
Depending on which parts of the planetary gear system are moving or not determines the gear ratio . Whatever planetary gear arrangement you have (sun gear acting as input, planetary carrier acting as output, ring gear stationary — see above) will determine the amount of power the transmission sends to the rest of the drive train.
That, broadly speaking, is how an automatic transmission works. There are sensors and valves that regulate and modify things, but that’s the basic gist of it.
It’s something that’s easier understood visually. I highly recommend watching the following video. The background we went through will make it much easier to understand:
What did I tell you? The automatic transmission is pretty dang amazing.
Now as you feel the car shift gears as you cruise down the freeway, you’ll have a good idea of what’s going on under the hood.
Восстановление двигателя 101
Ошибка передачи 101
Техническое обслуживание фильтра передачи 101
Проблемы с коробкой передач и двигателем Ford
Стоимость замены трансмиссии BMW X6 — понимание автоматической трансмиссии BMW ZF