"Как работает АКПП, с примерами из жизни" АКПП 4L60
Давайте начем издалека и для начала вспомним, как работает механическая коробка передач. Вспомнили? Отлично, теперь представим себя конструкторами, которым нужно достичь того же результата, но без педали сцепления. При этом мы все будем представлять предельно конкретно — на примере коробки 700R4 от General Motors, появившейся в 1982 году, и переименованной в 1990 году в 4L60. Для простоты будем считать, что это одна коробка, хотя в течение этого времени каждый год GM вносил изменения в конструкцию, так что коробка, например, 1993 года выпуска отличается от 1985. Несколько отличаются и вариации коробки, устанаваливавшиеся на разные автомобили, такие, например, как Chevrolet Blazer, Chevrolet Corvette, Chevrolet Camaro, Pontiac Firebird и Cadillac Escalade. Итак, мы конструкторы. Что нам нужно в нашем 1982 году:
Мозг, который решает, когда и какую передачу включить.
Как можно более простая конструкция, при помощи которой мозг свои решения может претворять в жизнь.
По счастливому стечению обстоятельств у нас есть кое-что, дающее одновременно возможности для реализации как мозга, так и механизмов, транслирующих его решения. Это кое-что — гидравлика. Напоминаем: на дворе 1982 год, с встраиваемыми компьютерами и электронными блоками управления опыта пока мало, а нерешенных проблем много.
В нашем случае гидравлический мозг — это плита с канавками, по которым под давлением циркулирует масло, и клапаны, которые регулируют давление и направление движения масла.
Поскольку мозг гидравлический, то преобразование его знания в реальное воздействие путем добавления гидравлического привода проблемой не является. Соединяем с МКПП и радуемся? Как бы не так. Ведь если добавить к логике переключения передач еще и логику управления сцеплением, нам сразу же становится нужен искуственный интеллект или педаль сцепления в салоне. Если же сцепление выбросить, езда перестанет быть комфортной, а шестеренки в коробке нужно будет менять так же часто, как масло в двигателе. То есть нам нужно сконструировать механическую часть коробки так, чтобы переключать передачи можно было без использования сцепления, при этом комфорт и ресурс должны быть на приемлемом уровне.
Этим требования отвечает коробка, построенная на планетарных передачах и гидро-приводах блокировки. Если в случае МКПП для включения передачи используется жесткая блокировка (ее работа изображена на Flash-ролике в материале про МКПП), то в коробке на планетарных передачах для изменения ее передаточного числа блокировка осуществляется при помощи различных элементов с фрикционными накладками и гидравлически приводимых устройств, которые эти элементы прижимают к чему-либо. То есть природа блокировки такова же, какова она и в сцеплении, используемом совместно с МКПП. Такая блокировка происходит не мнгновенно, что позволяет осуществлять переключения не разрывая поток мощности от двигателя — без использования сцепления — и в то же время достигнуть плавности при переключении передач.
Наглядно продемонстрируем, что такое планетарная передача:
Страшно? Тогда понажимайте круглые кнопочки в левой части таблицы:
Маленькие шестеренки и водило — железка на которой они крепятся — когда вынуты из конструкции, показанной на фото выше, выглядят так:
Теперь несколько раз посмотрите на фото, понажимайте на кнопки: как вы, наверное, поняли, идея использования планетарной передачи заключается в том, чтобы, блокируя отдельные ее части, плюс, меняя точку приложения входного момента и съема выходного, изменять ее передаточное число. В АКПП используется несколько планетарных передач и множество элементов блокировки. Как упоминалось, элементы эти приводятся гидравликой, что позволяет сделать переключения плавными.
Итак, у нас есть мозг, есть механическая часть коробки и есть гидравлические приводы, которые позволяют мозгу коробкой управлять. Мы счастливы? Не совсем, есть несколько проблем.
Если вы хотите на автомобиле с МКПП двигаться на очень маленькой скорости, вы на первой передаче слегка нажимаете на педаль сцепления, тем самым заставляя сцепление работать с проскальзыванием. В АКПП же блокировка либо включена, либо нет. Длительное проскальзывание блокировки приводит к нагреванию фрикционных накладок, испарению масла и их выходу из строя — явление печально известное как «сгорели фрикционы». То есть на маленькой скорости либо глохнем, либо сжигаем фрикционы.
Похожая проблема и при начале движения: в АКПП не получится включать блокировку на протяжении нескольких секунд, а спортивный старт, аналогичный старту при броске сцепления, уместен далеко не всегда.
Для устранения этих проблем разработчики решили приделать между двигателем и входным валом АКПП гидромуфту. Гидромуфта — устройство простое до безобразия: представьте две мельницы, стоящие стоящие друг напротив друга в герметичном ангаре: никакого постороннего ветра нет. Теперь к одной из мельниц мы приделываем двигатель внутреннего сгорания: ее лопасти начинают вращаться. Вращающиеся лопасти приводят к возникновению ветра. Ветер начинает вращать лопасти второй мельницы, а вторая мельница у нас обыкновенная — перемалывает зерна в муку. Тут мы решаем на пять минут застопорить перемолку — покурить пойти. ДВС первой мельницы при этом не заглохнет, ведь две наши мельницы не находятся в жесткой сцепке.
Так вот гидромуфта представляет из себя корпус (ангар), наполненный маслом (воздух в ангаре), насосное колесо (лопасти первой мельницы), которое жестко соединено с выходным валом двигателя, и турбинное колесо (лопасти второй мельницы), которое сидит на входном валу АКПП (молотилка). В нормальном режиме насосное колесо и турбинное вращаются почти без проскальзывания. В перечисленных же выше проблемных случаях насосное колесо начинает проскальзывать относительно турбинного, но двигатель при этом не глохнет, а фрикционы не горят.
АКПП готова? Опять нет.
Теперь проблема в том, что из-за проскальзывания КПД гидромуфты удовлетворителен только на больших оборотах. Но если между насосным и турбинным колесами гидромуфты поставить зафиксированное на месте колесо с лопастями — реактор — которое будет изменять конфигурацию потока масла, то наша муфта превратится в трансформатор: она начнет преобразовывать крутящий момент, а КПД на низких оборотах будет существенно выше чем у просто муфты. Выглядеть это будет вот так (в приведенном на картинке трансформаторе насосное колесо смонтировано прямо на половинке кожуха, и его лопастей не видно):
Слева направо: половина корпуса, крепящаяся к корпусу АКПП; турбинное колесо; реактор; насосное колесо, смонтированное на второй половине корпуса.
Трансформатор обладает и еще одним полезным свойством — коэффициент трансформации меняется в зависимости от разницы скоростей вращения насосного и турбинного колес. То есть если вы нажимаете на газ или въезжаете на горку, коэффициент, с которым на вход АКПП передается момент, автоматически увеличивается. То есть наша АКПП с трансформатором, работая на одной передаче, без каких-либо переключений способна в некоторых пределах изменять общее передаточное число, адаптируясь к внешним условиям! МКПП так не умеет, у нее вариантов передаточных чисел при полностью включенном сцеплении ровно по количеству передач.
Но вот снова незадача: на оборотах выше 2400 в минуту КПД трансформатора резко падает. Решение простое — давайте сделаем так, чтобы в этот момент реактор начинал вращаться вместе с маслом. В этом случае он не будет оказывать влияния на поток, превращая трансформатор в обычную муфту, у которой на высоких оборотах с КПД все хорошо.
И вот тут мы уже получили АКПП, пригодную для эксплуатации: гидравлический мозг, коробка на планетарных передачах и фрикционных блокировках с гидроприводами и гидротрансформатор, умеющий переключаться в режим гидро-муфты.
Но в 700R4 есть еще одно усовершенствование, которое присутствует также практически во всех современных коробках. Что в режиме трансформатора, что в режиме гидо-муфты КПД гидротрансформатора не превышает 90%. Для того, чтобы использовать оставшиеся 10% придумали в те моменты, когда условия движения не требуют от трансформатора преобразования момента, повышая давление масла, прижимать друг к другу турбинное и насосное колеса, превращая тем самым трансформатор в единое целое и доводя КПД до 100%. В 700R4 блокировка включается на 2, 3 и 4-ой передачах.
Но хватит теории. Перейдем к конкретным примерам — продемонстрируем фотографии, сделанные во время переборки 4L60, установленной на Pontiac Firebird 1993 года выпуска, и расскажем, что на них изображено.
Общий вид АКПП 4L60, она же 700R4, компании General Motors. На фото отчетливо видны:
Прямоугольный корпус гидравлической системы управления — внизу.
Входной вал АКПП, на котором устанавливается гидротрансформатор — справа.
TV кабель — сверху — уходит в двигатель и соединяется с приводом дроссельной заслонки: нужен, чтобы коробка знала, насколько нажата педаль газа. Знание кодируется уровнем давления масла в специальной магистрали. Давление контролируется клапаном, к которому этот тросик прикреплен внутри коробки.
Корпус серво-привода блокировки четвертой передачи — круглая штука по центру — внутри находится поршень, который, прижимая тормозную ленту, осуществляет блокировку барабана, необходимую для включения четвертой передачи.
Приглядевшись получше к входному валу АКПП, можно видеть, что сделал с резьбой разболтавшийся гидротрансформатор (проточка слева не предусмотрена конструкцией).
Кроме того, обратите внимание, что на изображении два вала — один внутри другого. Внешний — тот, на котором образовалась проточка, вращает лопасти насоса, создающего давление в системе маслопроводов, внутренний же передает момент от двигателя коробке.
Итак, мы сняли крышку с гидравлической системы управления. Плоская штуковина с канавками сверху — это масляный фильтр. Круглые выступы в правом нижнем и верхнем углах — корпуса гидроаккумуляторов.
Аккумулятор нужен для того, чтобы давление масла, под воздействием которого срабатывают блокировки, переключающие передачи, нарастало постепенно. В противном случае передачи будут включаться слишком резко, что приведет к возникновению ударных нагрузок на трансмиссию и снижению уровня комфорта.
Гидроаккумулятор — это циллиндрический корпус (на картинке выше), внутри которого находится пружина, и поршень.
Аккумулятор каналом соединен с магистралью, рост давленения масла в которой нужно сгладить. В результате, когда масло подается в магистраль, сначала сила его давления тратится и на включение блокировки и на то, чтобы, противодействуя силе пружины, утопить поршень аккумулятора. Когда ход пружины аккумулятора оказыватся выбран, давление масла возрастает до максимума.
Под фильтром можно видеть клапанную крышку — сердце системы управления. Продолговатые выступы на ней содержат клапаны, такие, например, как клапан выбора диапазона, соединенный с ручкой АКПП, и отвечающий за открытие контуров, необходимых для работы доступных в рамках выбранного диапазона передач; и клапан TV давления, регулирующий давление в системе при помощи TV тросика, упомянутого выше.
Сняв клапанную крышку, мы видим так называемую плиту, на которой расположены каналы, по которым циркулирет масло. В правом нижнем углу можно видеть, как выглядит внутри цилиндр гидроаккумулятора: прямо в него ставится пружина, на нее поршень, а канал от основной магистрали приходит сверху.
Штуковина справа, к которой идут провода, это соленоид включения блокировки гидротрансформатора. Дело в том, что в 700R4 блокировка управляется не гидравлическим мозгом, а электроникой — это был первый шаг к полностью электронной системе управления, которая впоследствии была реализована в 4L60-E. Так вот этот соленоид по сути своей есть управляемый электричеством клапан. Когда электроника считает, что нужно включить блокировку, открывается блокируемая соленоидом магистраль, и колеса трансформатора под воздействием давления масла прижимаются друг к другу.
Это барабан одной из блокировочных муфт. Муфта — один из использующихся видов блокировок. Состоит она, упрощенно, из барабана, поршня, пружины и «фрикционов» — фрикционного пакета. В расслабленном состоянии барабан муфты свободно вращается относительно пакета фрикционов. Когда же муфту нужно заблокировать, давление масла приводит в движение поршень и он сжимает фрикционный пакет, осуществляя блокировку.
Входной барабан. Справа видно кусочек входного вала, показанного выше, слева — пакет фрикционов.
Вынули фрикционы (валяются справа). В левой руке обгонная муфта — в одну строну вращается, при попытке вращения в другую блокируется. Нужна для того, чтобы при включенной передаче автомобиль мог двигаться накатом. В правой руке поршень. В губине видна тарельчатая пружина (две круглые железки с маленькими пружинками между ними) — возвращает поршень на место после того, как блокировка отключилась.
Усиленный барабан заднего хода.
Тормозная лента четвертой передачи, которую мы упоминали, говоря о серво-приводе ее блокировки. Слева та, которую достали из коробки, справа новая.
Еще одна муфта свободного хода.
Корпус масляного насоса. Слева мы видим вал с проточкой от неисправного гидротрансформатора, который уже появлялся на фотографиях выше. Насос нужен для того, чтобы обеспечивать давление в основной магистрали, которая в свою очередь позволяет корректно работать гидромозгу и всем приводам. Если насос будет неисправен, может, например, так получиться, что блокировкировки из-за недостаточного давления будут включаться слишком долго, фрикционы при этом будут дольше положенного проскальзывать, нагреваться и выходить из строя.
Усиленная лента тормоза четвертой передачи. Несколько шире стандартной и выполнена из других материалов.
Безпиновый поршень гидроаккумулятора. Стандартные поршни насаживаются на направляющую внутри циллиндра гидроаккумулятора. Это со временем приводит к тому, что направляющая изнашивается, и поршень начинает люфтить. Последствие люфта — утечка масла, которая приводит к падению его давления и, как следствие, снижению усилия при срабатывании муфты. Снижение усилия приводит к проскальзыванию фрикционов и их выходу из строя. Второе последствие, не менее неприятное, заключатеся в том, что люфтящий поршень может разбить стенки аккумулятора: масло начнет вытекать и там. Причем в этом случае заменой поршня при ремонте не обойдешься — со стенками тоже что-то нужно делать.
Так вот безпиновый поршень не имеет направляющей, что делает его уловно вечным.
Усовершенствованный сервопривод тормоза четвертой передачи. Выше мы уже показывали, как выглядит стандартный вариант, будучи установленным в коробку, и как выглядит лента, которую он прижимает. Сервопривод состит из корпуса (циллиндра) и поршня. В устройстве на фото диаметр поршня увеличен по сравнению со стандартным, что обеспечиват увеличение прижимной силы на 50% — можно не бояться, что на большой скорости переключение на четвертую негативно скажется на коробке.
Ремкомплект гидроаккумулятора. С одним из аккумуляторов произошла неприятность, описанная выше, — разбились стенки. Варианта два: менять весь корпус АКПП или ставить втулку — именно она изображена на фото. К сожалению втулка рассчитана под поршень меньшего диаметра чем безпиновый, так что придется ставить обычный.
Тарельчатая пружина, упоминавшаяся выше, вынута из барабана.
Пакет фрикционов. Как мы уже говорили, используется в блокировочных муфтах. Состоит из дисков с фрикционными накладками и без них. В муфте диски ставятся через один: один с накладками, потом один стальной, потом снова с накладками.
Для того, чтобы понять, зачем нужен пакет, давайте представим, что бы случилось, если бы поршень прижимался к поверхности, с которой ему нужно заблокироваться: эффект был бы тот же, как если бы в МКПП мы все переключения осуществляли, бросая сцепление. При этом площадь рабочей поверхности поршня муфты в АКПП существенно меньше площади сцепления в АКПП. АКПП постоянно горела бы. Использование же фрикционного пакета в качестве прокладки позволяет вместо одной поверхности (поверхность поршня) использовать несколько (поверхности дисков пакета).
В момент блокировки все диски проскальзывают друг относительно друга, при этом их взаимная скорость сравнительно невелика, таким образом нагрузка и нагрев равномерно распределяются по всему пакету. Стальные же диски нужны для лучшего охлаждения.
Усиленный поршень муфты. Усиление нужно, чтобы предотвратить утечки масла через отверстие входного вала.
Колесо маслянного насоса (корпус был показан выше). Под 13 лопастей против 11 у стандартного. Лопасти вставляются в прорези и гоняют масло, создавая давление за счет изменения объема, как это показано на схеме ниже.
Колесо приводится посредством вала идущего от гидротрансформатора — того самого, на котором повреждена резьба.
Металлический нос соленоида блокировки гидротрансформатора. Металлический вместо пластикового (показан выше) — чтобы больше не трескался.
Усиленная шестеренка одного из планетарных рядов.
Коробка скоро будет собрана.
Если у вас появились вопросы или вы заметили неточность, напишите об этом в комментариях.
