Если вы когда-либо водили автомобиль с автоматической коробкой передач, то знаете, что между автоматической коробкой передач и механической коробкой передач есть две большие разницы:
И автоматическая коробка передач (плюс гидротрансформатор), и механическая коробка передач (со сцеплением) делают одно и то же, но совершенно по-разному. Оказывается, то, как это делает автоматическая коробка передач, просто потрясающе!
В этой статье мы рассмотрим автоматическую коробку передач. Начнем с ключа ко всей системе:планетарных передач. Затем мы увидим, как устроена трансмиссия, узнаем, как работают элементы управления, и обсудим некоторые тонкости, связанные с управлением трансмиссией.
Содержание
Как и в случае с механической коробкой передач, основная задача автоматической коробки передач — позволить двигателю работать в узком диапазоне скоростей, обеспечивая при этом широкий диапазон выходных скоростей.
Без трансмиссии автомобили были бы ограничены одним передаточным числом, и это передаточное число нужно было бы выбрать, чтобы автомобиль мог двигаться с желаемой максимальной скоростью. Если вам нужна максимальная скорость 80 миль в час, то передаточное число будет похоже на третью передачу в большинстве автомобилей с механической коробкой передач.
Вы, вероятно, никогда не пробовали управлять автомобилем с механической коробкой передач, используя только третью передачу. Если бы вы это сделали, вы бы быстро обнаружили, что у вас почти нет ускорения при трогании с места, а на высоких скоростях двигатель будет визжать рядом с красной линией. Такой автомобиль очень быстро изнашивается, и им практически невозможно управлять.
Таким образом, трансмиссия использует шестерни, чтобы более эффективно использовать крутящий момент двигателя и поддерживать работу двигателя на соответствующей скорости. При буксировке или перевозке тяжелых предметов трансмиссия вашего автомобиля может нагреваться настолько, что трансмиссионная жидкость может сгореть. Чтобы уберечь трансмиссию от серьезных повреждений, водителям, осуществляющим буксировку, следует покупать автомобили, оснащенные охладителями трансмиссии.
Основное различие между механической коробкой передач и автоматической коробкой передач заключается в том, что механическая коробка передач блокирует и разблокирует разные наборы шестерен на выходном валу для достижения различных передаточных чисел, в то время как в автоматической коробке передач один и тот же набор шестерен создает все разные передачи. отношения. Планетарная передача — это устройство, которое делает это возможным в автоматической коробке передач.
Давайте посмотрим, как работает планетарная передача.
Когда вы разбираете и заглядываете внутрь автоматической коробки передач, вы обнаруживаете огромный ассортимент деталей на довольно небольшом пространстве. Среди прочего вы видите:
В центре внимания находится планетарный редуктор. . Эта одна часть размером с мускусную дыню создает все различные передаточные числа, которые может создавать трансмиссия. Все остальное в трансмиссии помогает планетарной передаче делать свое дело. Этот удивительный механизм уже появлялся на HowStuffWorks. Вы можете узнать его по статье об электрической отвертке. Автоматическая коробка передач состоит из двух полных планетарных передач, объединенных в один компонент. См. раздел «Как работают передаточные числа» для ознакомления с планетарными передачами.
Любая планетарная передача состоит из трех основных компонентов:
Каждый из этих трех компонентов может быть входом, выходом или может оставаться неподвижным. Выбор того, какая деталь играет какую роль, определяет передаточное число зубчатой передачи. Давайте рассмотрим одинарный планетарный редуктор.
Одна из планетарных передач нашей трансмиссии имеет зубчатый венец с 72 зубьями и солнечную шестерню с 30 зубьями. Мы можем получить множество различных передаточных чисел из этой шестерни.
Кроме того, соединение любых двух из трех компонентов вместе заблокирует все устройство с передаточным отношением 1:1. Обратите внимание, что первое передаточное число, указанное выше, является понижающим. -- скорость вывода медленнее, чем скорость ввода. Второй — овердрайв -- скорость вывода выше, чем скорость ввода. Последнее снова является сокращением, но направление вывода меняется на противоположное. Есть несколько других передаточных чисел, которые можно получить из этой планетарной передачи, но это те, которые относятся к нашей автоматической коробке передач. Вы можете попробовать их в анимации ниже:
Анимация различных передаточных чисел автоматических коробок передач
Нажимайте кнопки слева в таблице выше.
Таким образом, этот один набор шестерен может создавать все эти различные передаточные числа без необходимости включать или выключать какие-либо другие шестерни. С двумя такими передачами подряд мы можем получить четыре передачи переднего хода и одну передачу заднего хода, необходимые нашей трансмиссии. В следующем разделе мы объединим два набора шестерен.
В этой автоматической коробке передач используется набор шестерен, называемый составной планетарной передачей. , который выглядит как одна планетарная передача, но на самом деле ведет себя как две объединенные планетарные передачи. У него есть одно зубчатое колесо, которое всегда является выходом трансмиссии, но у него есть две солнечные шестерни и два набора сателлитов.
Давайте посмотрим на некоторые части:
На рисунке ниже показаны планеты в водиле. Обратите внимание, что планета справа находится ниже, чем планета слева. Планета справа не зацепляет зубчатый венец — она зацепляет другую планету. Только сателлиты слева входят в зацепление с зубчатым венцом.
Далее вы можете увидеть внутреннюю часть планетоносца. Более короткие шестерни включаются только меньшей солнечной шестерней. Более длинные планеты входят в зацепление с большей солнечной шестерней и меньшими планетами.
На анимации ниже показано, как все части соединены в трансмиссии.
Переместите рычаг переключения передач, чтобы увидеть, как мощность передается через трансмиссию.
На первой передаче меньшая солнечная шестерня приводится в движение турбиной гидротрансформатора по часовой стрелке. Водило планетарной передачи пытается вращаться против часовой стрелки, но удерживается односторонней муфтой (которая допускает вращение только по часовой стрелке), а зубчатый венец поворачивает выход. У малой шестерни 30 зубьев, а у зубчатого венца 72, поэтому передаточное число:
Отношение =-R/S =- 72/30 =-2,4:1
Таким образом, вращение отрицательное 2,4:1, что означает, что направление вывода будет противоположным. направление ввода. Но направление вывода действительно такое же в качестве входного направления — вот тут-то и появляется хитрость с двумя наборами планет. Первый набор планет взаимодействует со вторым набором, а второй набор вращает зубчатый венец; эта комбинация меняет направление. Вы можете видеть, что это также заставит большую солнечную шестерню вращаться; но поскольку это сцепление отпущено, большая солнечная шестерня может свободно вращаться в направлении, противоположном турбине (против часовой стрелки).
Переместите рычаг переключения передач, чтобы увидеть, как мощность передается через трансмиссию.
Эта трансмиссия делает что-то действительно аккуратное, чтобы получить передаточное число, необходимое для второй передачи. Он действует как две планетарные передачи, соединенные друг с другом общим водилом планетарной передачи.
Первая ступень водила планетарной передачи фактически использует большую солнечную шестерню в качестве зубчатого венца. Таким образом, первая ступень состоит из солнца (меньшее солнечное колесо), водила планетарной передачи и кольца (большего солнечного колеса).
Вход - маленькая солнечная шестерня; зубчатый венец (большая солнечная шестерня) неподвижно удерживается лентой, а на выходе - водило планетарной передачи. Для этой стадии с солнцем на входе, водилом на выходе и фиксированным зубчатым венцом формула выглядит следующим образом:
1 + R/S =1 + 36/30 =2,2:1
Водило планетарной передачи поворачивается 2,2 раза за каждый оборот малой солнечной шестерни. На втором этапе водило планетарной передачи действует как вход для второго планетарного ряда, большая солнечная шестерня (которая удерживается неподвижно) действует как солнце, а зубчатый венец действует как выход, поэтому передаточное число:/Р>
1 / (1 + S/R) = 1 / (1 + 36/72) =0,67 : 1
Чтобы получить общее снижение для второй передачи, мы умножаем первую ступень на вторую, 2,2 x 0,67, чтобы получить снижение 1,47:1. Это может показаться странным, но если вы посмотрите видео, вы поймете, как это работает.
Переместите рычаг переключения передач, чтобы увидеть, как мощность передается через трансмиссию.
Большинство автоматических коробок передач имеют передаточное число 1:1 на третьей передаче. Вы помните из предыдущего раздела, что все, что нам нужно сделать, чтобы получить выходной сигнал 1:1, это соединить вместе любые две из трех частей планетарной передачи. С компоновкой в этой передаче все еще проще — все, что нам нужно сделать, это включить муфты, которые фиксируют каждую из солнечных шестерен на турбине.
Если обе солнечные шестерни вращаются в одном направлении, планетарные шестерни блокируются, потому что они могут вращаться только в противоположных направлениях. Это фиксирует зубчатый венец на планетах и заставляет все вращаться как единое целое, создавая соотношение 1:1.
Переместите рычаг переключения передач, чтобы увидеть, как мощность передается через трансмиссию.
По определению овердрайв имеет более высокую скорость на выходе, чем скорость на входе. Это увеличение скорости, противоположное уменьшению. В этой трансмиссии включение овердрайва решает сразу две задачи. Если вы читали «Как работают гидротрансформаторы», вы узнали о гидротрансформаторах с блокировкой. Для повышения эффективности в некоторых автомобилях есть механизм, который блокирует гидротрансформатор, так что мощность двигателя поступает прямо на коробку передач.
В этой трансмиссии при включении повышающей передачи вал, прикрепленный к корпусу гидротрансформатора (который прикручен болтами к маховику двигателя), соединяется муфтой с водилом планетарной передачи. Маленькая солнечная шестерня вращается свободно, а большая солнечная шестерня удерживается лентой повышающей передачи. К турбине ничего не подключено; единственный вход поступает от корпуса преобразователя. Давайте снова вернемся к нашей диаграмме, на этот раз с водилом на входе, фиксированной солнечной шестерней и зубчатым венцом на выходе.
Соотношение =1 / (1 + S/R) =1 / (1 + 36/72) =0,67:1
Таким образом, выход вращается один раз на каждые две трети оборота двигателя. Если двигатель вращается со скоростью 2000 оборотов в минуту (об/мин), выходная скорость составляет 3000 об/мин. Это позволяет автомобилям двигаться со скоростью автомагистрали, в то время как обороты двигателя остаются хорошими и низкими.
Переместите рычаг переключения передач, чтобы увидеть, как мощность передается через трансмиссию.
Задняя передача очень похожа на первую передачу, за исключением того, что вместо малой солнечной шестерни, приводимой в движение турбиной гидротрансформатора, приводится в действие большая солнечная шестерня, а меньшая вращается на выбеге в противоположном направлении. Водило планетарной передачи крепится обратным хомутом к корпусу. Итак, согласно нашим уравнениям с последней страницы, мы имеем:
Таким образом, передаточное число заднего хода в этой трансмиссии немного меньше, чем на первой передаче.
Эта трансмиссия имеет четыре передачи переднего хода и одну передачу заднего хода. Подытожим передаточные числа, входы и выходы:
Прочитав эти разделы, вы, вероятно, задаетесь вопросом, как различные входы подключаются и отключаются. Это делается с помощью ряда муфт и лент внутри трансмиссии. В следующем разделе мы увидим, как они работают.
В последнем разделе мы обсудили, как каждое из передаточных чисел создается трансмиссией. Например, когда мы обсуждали овердрайв, мы сказали:
В этой трансмиссии при включенной повышающей передаче вал, прикрепленный к корпусу гидротрансформатора (который прикручен болтами к маховику двигателя), соединяется муфтой с водилом планетарной передачи. Маленькая солнечная шестерня вращается свободно, а большая солнечная шестерня удерживается лентой повышающей передачи. К турбине ничего не подключено; единственный вход поступает от корпуса преобразователя.
Чтобы перевести трансмиссию в режим ускоренной передачи, многие вещи должны быть соединены и разъединены с помощью муфт и ремней. Водило планетарной передачи соединяется с корпусом гидротрансформатора муфтой. Маленькое солнце отсоединяется от турбины с помощью муфты, чтобы оно могло свободно вращаться. Большая солнечная шестерня удерживается на корпусе лентой, чтобы она не могла вращаться. Каждое переключение передач вызывает серию подобных событий, когда различные сцепления и ленты включаются и выключаются. Давайте посмотрим на группу.
В этой передаче есть две полосы. Ленты в трансмиссии — это, буквально, стальные ленты, которые оборачивают секции зубчатой передачи и соединяются с корпусом. Они приводятся в действие гидроцилиндрами внутри корпуса трансмиссии.
На рисунке выше вы можете увидеть одну из полос в корпусе трансмиссии. Зубчатая передача снимается. Металлический стержень соединен с поршнем, который приводит в действие ленту.
Выше вы можете видеть два поршня, которые приводят в действие ленты. Гидравлическое давление, направляемое в цилиндр с помощью набора клапанов, заставляет поршни давить на ленты, фиксируя эту часть зубчатой передачи в корпусе.
Муфты в трансмиссии немного сложнее. В этой трансмиссии четыре сцепления. Каждая муфта приводится в действие гидравлической жидкостью под давлением, которая поступает в поршень внутри муфты. Пружины обеспечивают отключение сцепления при снижении давления. Ниже вы можете увидеть поршень и барабан сцепления. Обратите внимание на резиновое уплотнение на поршне — это один из компонентов, который заменяется при ремонте трансмиссии.
На следующем рисунке показано чередование слоев фрикционного материала сцепления и стальных пластин. Фрикционный материал имеет шлицы внутри, где он фиксируется на одной из шестерен. Стальная пластина имеет шлицы снаружи, где она крепится к картеру сцепления. Эти диски сцепления также заменяются при восстановлении коробки передач.
Давление на муфты подается через каналы в валах. Гидравлическая система контролирует, какие муфты и ремни находятся под напряжением в любой момент.
Может показаться простой задачей заблокировать трансмиссию и предотвратить ее вращение, но на самом деле к этому механизму предъявляются сложные требования. Во-первых, вы должны иметь возможность отключать его, когда автомобиль находится на подъеме (вес автомобиля опирается на механизм). Во-вторых, вы должны быть в состоянии включить механизм, даже если рычаг не совпадает с шестерней. В-третьих, после включения что-то должно препятствовать тому, чтобы рычаг выскочил и вышел из зацепления.
Механизм, который все это делает, довольно аккуратен. Сначала рассмотрим некоторые части.
Механизм стояночного тормоза зацепляет зубья на выходе, чтобы удерживать автомобиль на месте. Это часть трансмиссии, которая соединяется с приводным валом, поэтому, если эта часть не может вращаться, автомобиль не может двигаться.
Выше вы видите парковочный механизм, выступающий в корпус, где расположены шестерни. Обратите внимание, что у него скошенные стороны. Это помогает отключить стояночный тормоз, когда вы припаркованы на склоне — сила веса автомобиля помогает вытолкнуть парковочный механизм из-за угла наклона конуса.
Этот стержень соединен с тросом, который приводится в действие рычагом переключения передач в вашем автомобиле.
Когда рычаг переключения передач находится в положении парковки, шток прижимает пружину к маленькой конической втулке. Если парковочный механизм выровнен так, что он может попасть в один из пазов в секции выходной шестерни, коническая втулка толкнет механизм вниз. Если механизм выровнен по одному из выступов на выходе, то пружина будет давить на коническую втулку, но рычаг не зафиксируется на месте, пока машина немного не прокатится и зубья не выровняются должным образом. Вот почему иногда ваш автомобиль немного двигается после того, как вы поставили его на парковку и отпустили педаль тормоза — он должен немного покатиться, чтобы зубья совпали там, где парковочный механизм может встать на место.
Как только автомобиль безопасно припарковался, втулка удерживает рычаг, чтобы автомобиль не выскочил из парковки, если он находится на холме.
Автоматическая коробка передач в вашем автомобиле должна выполнять множество задач. Вы можете не осознавать, как много разных способов это работает. Например, вот некоторые особенности автоматической коробки передач:
Вы, наверное, видели что-то похожее на это раньше. Это действительно мозг автоматической коробки передач, управляющий всеми этими функциями и многим другим. Каналы, которые вы видите, направляют жидкость ко всем различным компонентам трансмиссии. Проходы, отлитые в металле, являются эффективным способом направления жидкости; без них потребовалось бы много шлангов для соединения различных частей трансмиссии. Во-первых, мы обсудим ключевые компоненты гидравлической системы; тогда мы увидим, как они будут работать вместе.
В автоматических коробках передач есть аккуратный насос, называемый шестеренным насосом. . Насос обычно находится в крышке трансмиссии. Он всасывает жидкость из поддона в нижней части трансмиссии и подает ее в гидравлическую систему. Он также питает охладитель трансмиссии и гидротрансформатор.
Внутренняя шестерня насоса крепится к корпусу гидротрансформатора, поэтому он вращается с той же скоростью, что и двигатель. Внешняя шестерня вращается внутренней шестерней, и по мере вращения шестерен жидкость всасывается из поддона с одной стороны серпа и вытесняется в гидравлическую систему с другой стороны.
губернатор это умный клапан, который сообщает трансмиссии, насколько быстро движется автомобиль. Он подключен к выходу, поэтому чем быстрее движется машина, тем быстрее крутится регулятор. Внутри регулятора находится подпружиненный клапан, который открывается пропорционально скорости вращения регулятора — чем быстрее вращается регулятор, тем сильнее открывается клапан. Жидкость от насоса подается к регулятору через выходной вал.
Чем быстрее движется автомобиль, тем больше открывается регулирующий клапан и тем выше давление жидкости, которую он пропускает.
Чтобы правильно переключаться, автоматическая коробка передач должна знать, насколько интенсивно работает двигатель. Есть два разных способа сделать это. Некоторые автомобили имеют простую тросовую связь, соединенную с дроссельным клапаном. в передаче. Чем сильнее нажата педаль газа, тем сильнее давление на дроссельную заслонку. В других автомобилях используется вакуумный модулятор. подать давление на дроссельную заслонку. Модулятор определяет давление в коллекторе, которое увеличивается, когда двигатель находится под большей нагрузкой.
ручной клапан это то, за что цепляется рычаг переключения передач. В зависимости от того, какая передача выбрана, ручной клапан питает гидравлические контуры, блокирующие определенные передачи. Например, если рычаг переключения передач находится на третьей передаче, он питает цепь, которая предотвращает включение повышающей передачи.
Клапаны переключения подайте гидравлическое давление на муфты и ленты для включения каждой передачи. Блок клапанов коробки передач содержит несколько клапанов переключения. Клапан переключения определяет, когда следует переключаться с одной передачи на другую. Например, клапан переключения передач с 1 на 2 определяет, когда следует переключаться с первой на вторую передачу. Клапан переключения находится под давлением жидкости от регулятора с одной стороны и дроссельной заслонки с другой. В них подается жидкость от насоса, и они направляют эту жидкость в один из двух контуров, чтобы контролировать, на какой передаче движется автомобиль.
Клапан переключения задерживает переключение, если автомобиль быстро разгоняется. Если автомобиль плавно разгоняется, переключение будет происходить на более низкой скорости. Давайте обсудим, что происходит, когда автомобиль плавно ускоряется.
По мере увеличения скорости автомобиля давление со стороны регулятора возрастает. Это перекрывает клапан переключения до тех пор, пока цепь первой передачи не закроется, а цепь второй передачи не откроется. Так как автомобиль разгоняется с небольшим усилием дроссельной заслонки, дроссельная заслонка не оказывает большого давления на клапан переключения передач.
Когда автомобиль быстро разгоняется, дроссельная заслонка оказывает большее давление на клапан переключения передач. Это означает, что давление от регулятора должно быть выше (и, следовательно, скорость автомобиля должна быть выше), прежде чем клапан переключения переместится достаточно далеко, чтобы включить вторую передачу.
Каждый клапан переключения реагирует на определенный диапазон давления; поэтому, когда автомобиль движется быстрее, клапан переключения со 2 на 3 вступает во владение, потому что давление от регулятора достаточно велико, чтобы сработать этот клапан.
Трансмиссии с электронным управлением, которые появляются на некоторых новых автомобилях, по-прежнему используют гидравлику для приведения в действие сцеплений и лент, но каждый гидравлический контур управляется электрическим соленоидом. Это упрощает подключение к трансмиссии и позволяет использовать более совершенные схемы управления.
В последнем разделе мы рассмотрели некоторые стратегии управления, используемые механическими трансмиссиями. Трансмиссии с электронным управлением имеют еще более сложные схемы управления. Помимо отслеживания скорости автомобиля и положения дроссельной заслонки, контроллер трансмиссии может контролировать частоту вращения двигателя, нажатие педали тормоза и даже антиблокировочную тормозную систему.
Используя эту информацию и усовершенствованную стратегию управления, основанную на нечеткой логике — методе программирования систем управления с использованием рассуждений, подобных человеческому, — трансмиссии с электронным управлением могут выполнять следующие действия:
Давайте поговорим о последней функции — блокировке переключения на повышенную передачу при входе в поворот на извилистой дороге. Допустим, вы едете по извилистой горной дороге в гору. Когда вы едете по прямым участкам дороги, коробка передач переключается на вторую передачу, чтобы дать вам достаточное ускорение и мощность для подъема в гору. Когда вы подходите к повороту, вы замедляетесь, убирая ногу с педали газа и, возможно, нажимая на тормоз. Большинство трансмиссий переключаются на третью передачу или даже на повышенную передачу, когда вы отпускаете педаль газа. Затем, когда вы ускоряетесь вне кривой, они снова переключаются на пониженную передачу. Но если бы вы водили автомобиль с механической коробкой передач, вы, вероятно, все время оставляли бы машину на одной и той же передаче. Некоторые автоматические коробки передач с усовершенствованными системами управления могут обнаруживать эту ситуацию после того, как вы прошли пару поворотов, и «научиться» не переключаться снова на более высокую передачу.
Для получения дополнительной информации об автоматических коробках передач и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.
Первоначально опубликовано:29 ноября 2000 г.
Как работает автоматическая коробка передач
Техническое обслуживание автомобилей с автоматической и механической коробкой передач
Как заменить автоматическую коробку передач FWD?
Как отрегулировать рычаг переключения передач в автоматической коробке передач
Как работает автоматическое экстренное торможение?