Автоматическая гидромеханическая коробка передач – агрегат трансмиссии, обеспечивающий автоматический выбор оптимального передаточного числа в соответствии с условиями движения, включающий гидродинамическую и механическую передачи.

Гидромеханическая АКП состоит из гидротрансформатора, механической коробки и системы управления.

Гидротрансформатор предназначен для передачи и изменения крутящего момента от двигателя к механической коробке передач, а также уменьшения вибраций.

Коробка передач может быть планетарной или вальной и служит для изменения передаточного отношения в автоматической трансмиссии при переключении передач. Тормозная лента, передний фрикцион, задний фрикцион – компоненты, посредством которых осуществляется переключение передач.

Система управления служит для автоматического выбора передач в зависимости от выбранного режима, скорости движения, угла поворота дроссельной заслонки и оборотов двигателя.

Компоновочные схемы гидромеханических АКП показаны на рисунке ниже. На автоматических коробках, устанавливаемых на переднеприводные легковые автомобили, в конструкцию включены главная передача и дифференциал. В полноприводных автомобилях для разделения крутящего момента на передние колеса и его передачи на задние колеса используются межосевые дифференциалы Torsen.

Гидротрансформатор представляет собой гидравли­ческий механизм, который размещен между двигателем и механической коробкой передач.

Гидротрансформатор состоит из трех колес с лопатка­ми: насосного (ведущего), турбинного (ведомого) и реактора. Насосное колесо 3 закреплено на маховике 1 двигателя и образует корпус гидротрансформатора, внутри которого размещены тур­бинное колесо 2, соединенное с первичным валом 5 коробки пе­редач, и реактор 4, установленный на роликовой муфте 6 свободного хода. Гидротрансформатор помещен в отдельном картере.

Каждое колесо имеет наружный и внутренний торцы, между которыми располагаются профилированные лопасти, образующие каналы для протока жидкости. Все колеса гидротрансформатора максимально приближены друг к другу, а вытеснению жидкости препятствуют специальные уплотнения.

При работающем двигателе насосное, колесо вращается вместе с маховиком двигателя. Масло под действием центробежной силы поступает к наружной части насосного колеса, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение. Из тур­бинного колеса масло поступает в реактор, который обеспечивает плавный и безударный вход жидкости в насосное колесо и суще­ственное увеличение крутящего момента. Таким образом, масло циркулирует по замкнутому кругу и обеспечивается передача кру­тящего момента в гидротрансформаторе.

Характерной особенностью гидротрансформатора является уве­личение крутящего момента при его передаче от двигателя к пер­вичному валу коробки передач. Наибольшее увеличение крутящего момента на турбинном колесе гидротрансформатора получается при трогании автомобиля с места, при этом коэффициент трансформации может составлять до 2,4. В этом случае реактор непо­движен, так как заторможен муфтой свободного хода. По мере разгона автомобиля увеличивается скорость вращения насосного и турбинного колес. При этом муфта свободного хода расклинивается и реактор начинает вращаться с увеличивающейся скоростью, оказывая все меньшее влияние на передаваемый крутящий момент. После достижения реактором максимальной скорости вращения гидротрансформатор перестает изменять крутящий момент и переходит на режим работы гидромуфты. Таким образом, происходит плавный разгон автомобиля и бесступенчатое изменение крутящего момента.

Гидротрансформатор автоматически устанавливает необходимое передаточное число между коленчатым валом двигателя и к ведущими колесами автомобиля. Это обеспечивается следующим образом: с уменьшением скорости вращения ведущих колес автомобиля при возрастании сопротивления движению возрастает динамический напор жидкости от насоса на турбину, что приводит к росту крутящего момента на турбине, следовательно, на ведущих колесах автомобиля.

Все конструктивные элементы гидротрансформатора расположены в корпусе, который заполнен специальным маслом малой вязкости ATF (Automatic Transmissions Fluid).

В планетарной механической коробке передач применяются планетарные передачи, которые служат для ступенчатого изменения крутящего момента, а также обеспечивает движение автомобиля задним ходом.

Простейшая планетарная передача включает солнечную шестерню, сателлиты, коронную шестерню и водило. солнечная шестерня 1, закрепленная на ведущем валу, находится в зацеплении с шестернями-сателлитами 2, свободно установленными на своих осях. Оси сателлитов закреплены на водиле 3, жестко соединенном с ведомым валом, а сами сателлиты находятся и зацеплении с коронной шестерней 4, имеющей внутренние зубья.

То, что набор зубчатых колес, составляющих планетарную передачу, собран в некоем подобии Солнечной системы: сателлиты (от лат. satelles – спутник) вращаются вокруг солнечной шестерни, и дало данной механической передаче название планетарной.

Конструктивно планетарная передача всегда представляет собой набор взаимозацепленных зубчатых колес (не менее 4), одни из которых имеют общую геометрическую неподвижную ось вращения (коронная и солнечная шестерни), а другие имеют подвижные оси вращения (сателлиты), концентрически вращающиеся на водиле вокруг неподвижной. Зубчатые колеса на неподвижной оси всегда связаны друг с другом не напрямую, а через планетарные шестерни (сателлиты) на подвижных осях. Сателлиты способны не только вращаться относительно зубчатых колес на неподвижной оси, но и обкатывать их, тем самым передавая поступательное движение на водило. Все звенья планетарной передачи, на которые можно подавать/снимать мощность, получают возможность вращаться дифференциально, с тем лишь условием, что угловая скорость любого такого звена не абсолютно хаотична, а определяется угловыми скоростями всех остальных звеньев. Приводя во вращение одни элементы и фиксируя другие, планетарные редукторы позволяют менять передаточные отношения, то есть скорость вращения и передаваемое через планетарную передачу усилие.

Планетарная коробка состоит из нескольких планетарных редукторов, объединение которых позволяет обеспечить необходимое число ступеней работы. В АКП используются как одинарные, так и сдвоенные планетарные ряды. Сдвоенный планетарный ряд Равиньо состоят из двух солнечных шестерен и комплекта сателлитов (длинных и коротких), одного водила и одной коронной шестерни.

Передача крутящего момента с ведущего вала на ведомый возможна только при заторможенной коронной шестерне при помощи муфт или тормозов. В этом случае при вращении солнечной шестерни сателлиты, перекатываясь по зубьям неподвижной коронной шестерни, начнут вращаться вокруг своих осей и одновременно через водило будут вращать ведомый вал. При растормаживании коронной шестерни сателлиты, свободно перекатываясь по солнечной шестерне, будут вращать коронную шестерню, а ведомый вал будет оставаться неподвижным.

Фрикционная муфта со­стоит из комплекта дисков, покрытых слоем фрик­ционного материала. Диски прижимаются друг ко другу через прокладки в виде тонких пластин из гладкого металла. Часть фрикционных дисков оснащены внутренними шлицами, часть – наружными. Прижимание дисков друг к другу обеспечивается гидравлическим поршнем. При подаче к поршню давления рабочей жидкости диски плотно прижимаются друг к другу, образуя одно целое. Как только давление снимается, возвратная пружина отводит поршень назад и диски выводятся из зацепления. В качестве возвратных пружин могут использоваться винтовые, диафрагменные и гофрированные дисковые пружины.

Отличительные особенности многодисковой муфты от многодискового тормоза показан на рисунке ниже.

Ленточный тормоз служит для временной блокировки элементов планетарного ряда на корпус АКП.

Ленточный тормоз состоит из ленты, барабана и цилиндра с поршнем. Для блокировки ленточный тормоз использует эффект самозажатия. Один конец тормозной ленты крепится неподвижно на корпусе АКП, другой – к поршню сервопривода. Поршень сервопривода, передвигаясь под давлением масла, зажимает тормозную ленту, осуществляя тем самым блокировку элемента планетарного ряда. При отключении сервопривода тормозная лента высвобождается, при этом она стремится себя освободить. Толчок, возникающий при переключении передач, смягчается, поскольку элемент планетарного ряда, который удерживала лента, начинает вращаться в сторону, противоположную направлению приложения силы торможения ленты. Несмотря на свои небольшие размеры, лента обладает весьма сильной удерживающей способностью.

Рассмотрим устройство простейшей двухступенчатая гидромеханическая коробка передач.

Двухступенчатая гидромеханическая коробка передач состоит из гидротрансформатора 1, механической планетарной коробки передач с многодисковым фрикционом 3 и двумя ленточными тормозными механизмами 2и 4и гидравлической системы управлениях кнопочным переключением передач. Кнопки соответственно означают нейтральное положение, задний ход, первую передачу и движение с автоматическим переключением передач. В двухступенчатой механической коробке передач имеются два одинаковых планетарных механизма 5 и 6.

В нейтральном положении фрикцион 3, а также тормозные механизмы 2 и 4выключены. Трогание автомобиля с места происходит при включенной первой передаче. В этом случае масло под давлением поступает в цилиндр тормозного механизма 2, лента которого затягивается, и солнечная шестерня планетарного механизма 6останавливается.При разгоне автомобиля происходит автоматическое переключение на вторую передачу, что обеспечивается одновременным выключением тормозного механизма 2 и включением фрикциона 3. В этом случае планетарные механизмы 5 и 6 блокируются и вращаются как одно целое.Для движения автомобиля задним ходом включается только тормозной механизм4.

Современные автоматические коробки выполняются шестиступенчатыми, семиступенчатыми, восьмиступенчатыми (Audi, Bentley, BMW, Chrysler, Jaguar, Lexus) и даже девятиступенчатыми (Mercedes, Land Rover).

Шестиступенчатая коробка передач 09G японского концерна AISIN с 2003-го используется практически для всех переднеприводных автомобилях Фольксваген и Ауди (А3, А4 и ТТ) с двигателем от 1,4 до 2,0 л, а также на ряде другихавтомобилях (Мини Купер, Шкода Фабиа, Форд Мондеои другие).

Шестиступенчатая АКП 09G включает в себя гидротрансформатор, механическую планетарную коробку передач, систему охлаждения и смазки, электрогидравлическую систему управления. Планетарная коробка передач состоит из ведущего вала (вал турбинного колеса гидротрансформатора), ведомого валом, промежуточного вала с промежуточной шестерней, одинарного планетарного ряда (P1, PT1,S1), сдвоенного планетарного ряда (P2, PT2, S2 и P3, S3), многодисковых фрикционных муфт (К1, К2, К3), многодисковых фрикционных тормозов (В1, В2).

Одинарный планетарный ряд состоит из: коронной шестерни – H1, сателлитов – P1, солнечной шестерни – S1, водила – PT1. Соединяется через вал турбины с муфтой K2, взаимодействует с муфтами K1 и K3.

Сдвоенный планетарный ряд состоит из: коронной шестерни – H2, длинных сателлитов – P2, коротких сателлитов – P3, большой солнечной шестерни – S2, малой солнечной шестерни – S3, водила – PT2. Взаимодействует с муфтой K3 и тормозом B1, взаимодействует с муфтой K1, взаимодействует с муфтой K2, тормозом B2 и обгонной муфтой F.

Муфта – K1 взаимодействует с водилом PT1 одинарного планетарного ряда и с малой солнечной шестерней S3 сдвоенного планетарного ряда. Муфта – K2 передает мощность с турбинного колеса на водило PT2 сдвоенного планетарного ряда. Муфта – K3 передает мощность с водила PT1 одинарного планетарного ряда на большую солнечную шестерню S2 сдвоенного планетарного ряда. Тормоз – B1 удерживает большую солнечную шестерню S2 сдвоенного планетарного ряда. Тормоз – B2 удерживает водило PT2 сдвоенного планетарного ряда. Обгонная муфта – F удерживает водило PT2 сдвоенного планетарного ряда от вращения против направления вращения корпуса гидротрансформатора при движении автомобиля на первой передаче в режиме тяги.

Вальная автоматическая коробка передач может быть двухвальной, трехвальной или многовальной.

Несмотря на многочисленные попытки использования вальных коробок, на легковых автомобилях они используются реже, чем планетарные. Это связано с тем, что на заднеприводных легковых автомобилях требуется соосная коробка передач. При использовании соосной коробки передач в вальной коробке требуется иметь на каждой передаче не менее двух зацеплений в шестернях. При двух зацеплениях КПД вальной коробки обычно ниже, чем планетарной.

Другой недостаток заключается в том, что при числе передач больше трех на каждой передаче в вальной коробке обычно больше выключенных сцеплений, чем в планетарной, что приводит к росту дисковых потерь. Недостаток соосной вальной коробки на заднеприводном легковом автомобиле проявляется и в том, что в большей степени стесняет салон автомобиля. Указанные недостатки проявляются и в переднеприводных автомобилях с продольным размещением двигателя.

Вальные автоматические коробки передач достаточно приемлемы при их использовании в легковых автомобилях с передним приводом и с поперечным расположением двигателя. В этом случае коробка выполняется по двухвальной схеме и содержит на каждой передаче только два зацепления шестерен, включая главную пару. Благодаря этому КПД в зацеплении равен 0,96% на каждой передаче, то есть выше, чем у планетарных переднеприводных коробок передач.

Дисковые потери в этих вальных коробках могут оказаться несколько выше, особенно при увеличении числа передач переднего хода больше четырех. Чтобы уменьшить дисковые потери в этих коробках часто для включения заднего хода используется сервопривод с применением зубчатых муфт. Такая конструкция, хотя и позволяет снизить дисковые потери, но при этом увеличивает время на включение-выключение заднего хода и несколько снижает плавность.

В результате работ, проведенных японской фирмой Honda двухвальные автоматические коробки получили применение на серийных легковых автомобилях передач уже в 60-х годах.

На Honda CR-V первого поколения устанавливались АКП типов M4TA, S4TA, SDMA, MDMA, MDLA. Данные коробки могут устанавливаться на автомобилях с двигателями, рабочий объем которых составлял 1,4–3л (Ne = 70–150 кВт или 95–205 л.с.). Примерный ряд передаточных чисел двухвальной четырехступенчатой коробки следующий: i1 = 2,72; i2 = 1,52; i3 = 1,03; i4 = 0,78; i3х = 1,95.

Устройство двухвальной АКП Honda CR-V. Состоит из двух валов – ведущего и ведомого, на которых размещены четыре зубчатые пары с разными передаточными числами. Главное отличие от обычной механической коробки в том, что одна из шестерен в каждой паре имеет постоянную связь со своим валом, а другая связана со своим валом через фрикционную муфту. Одни диски фрикционной муфты соединены с валом, другие соединены с шестерней.

На Honda CR-V второго поколения устанавливались АКП типа MRVA, разработанная в 2002–2004 годах, от описанной выше двухвальной АКП отличается следующими особенностями: предназначена для использования с двигателями мощностью 100–150 кВт (135–205 л.с.) и имеет следующие передаточные числа: i₁= 2,56; i₂= 1,55; i₃= 1,02; i₄= 0,77; i₅= 0,55; i_3х= 1,85. Обгонная муфта с дополнительной первой передачей, которая присутствовала в конструкции двухвальной АКП, на трехвальных моделях не устанавливается. Существенные изменения также претерпела гидравлическая система: она значительна упростилась, благодаря тому, что теперь большая часть задач возложена на электронику.

Трехвальная АКП построена по схеме трехвальной механической коробки передач и может иметь четыре или пять прямых передач: MRVA четырехступенчатая CR-V 2002–2004 годов выпуска с полным приводом; MRVA 4 четырехступенчатая CR-V 2002–2004 годов выпуска с передним приводом (отличается отсутствием углового редуктора привода задних колес);GNLA четырехступенчатая CR-V 2005–2006 годов выпуска для европейского рынка с двигателям (конструктивно является аналогом MRVA), MKZA и GPPA пятиступенчатая CR-V 2005–2006 годов выпуска для американского рынка (аналог MRVA, но имеют отличия гидравлической и электрической схем);MKYA – аналог MKZA и GPPA для переднеприводных автомобилей; MZHA пятиступенчатая CR-V 2007–2011 годов выпуска для полного привода;BZHA пятиступенчатая CR-V 2007–2011 годов выпуска для полноприводных автомобилей американского рынка; MZJA аналог MZHA для переднеприводных автомобилей;GZBA пятиступенчатая CR-V 2007–2012 годов выпуска для полноприводных автомобилей европейского рынка с двигателем К24; GAZA пятиступенчатая CR-V 2007–2012 годов выпуска для полноприводных автомобилей европейского рынка с двигателем R20.

Рассмотрим 4-х ступенчатой АКПП типа MRVA. Трехвальная АКП включает имеет три вала: ведущий, промежуточный и ведомый. Ведущий и промежуточные валы постоянно связаны между собой через промежуточную шестерню, установленную на отдельной оси, и вращаются в одном направлении. На ведущем валу находятся ведущие шестерни 3-й и 4-й передачи и ведущая шестерня передачи заднего хода, объединенная с шестерней 4-й передачи. На промежуточном валу находятся ведущие шестерни 1-й и 2-й передачи. Ведущие шестерни находятся в постоянном зацеплении с ведомыми шестернями, находящимися на ведомом валу, и образуют с ними зубчатые пары. Ведомые шестерни жестко закреплены на ведомом валу.Ведущие шестерни свободно вращаются на своих валах, но могут жестко связываться с валами через многодисковые фрикционные муфты.

Завершая рассматривать гидромеханические автоматические коробки передач можно сделать следующий вывод: в качестве силовых приводов автомобилей распространение получают АКП, состоящие из гидротрансформатора и многоступенчатого планетарного редуктора. Их конкурентоспособность во многом определяется техническим уровнем конструкции. Как правило, состав планетарных коробок передач современных автомобилей входят два или три планетарных ряда. Только фирма Honda выпускает автоматические коробки передач с неподвижными осями. По сравнению с непланетарными передачами, в которых оси всех зубчатых валов неподвижны, планетарные передачи благодаря применению нескольких промежуточных звеньев (сателлитов) обеспечивают: меньшую напряженность зубьев; разгруженность центральных валов и подшипников опор от радиальных усилий; при правильном выборе кинематической схемы высокий КПД; большее количество передач при меньших габаритах.