Гидравлическая система управления

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ  ГИДРАВЛИКИ

 

Гидравлическая система управления играет очень важную роль в обеспечении нормальной работы автоматической трансмиссии. Без гидравлической системы невозможна ни передача мощности, ни автоматическое управление трансмиссией. Рабочая жидкость обеспечивает смазку, переключение передач, охлаждение и соединение трансмиссии с двигателем. При отсутствии рабочей жидкости ни одна из этих функций не будет выполняться. Поэтому перед детальным изучением работы фрикционов и тормозов автоматической трансмиссии необходимо изложить основные положения гидравлики.

 

Гидравлический «рычаг» (Закон Паскаля)

 

В начале 17-го века французский ученый Паскаль открыл закон гидравлического рычага. Проведя лабораторные исследования, он выяснил, что сила и движение могут передаваться посредством сжатой жидкости. Дальнейшие исследования Паскаля с использованием грузов и поршней различной площади показали, что гидравлические системы можно использовать в качестве усилителей, а соотношения между силами и перемещениями в гидравлической системе подобны соотношениям сил и перемещений в рычажной механической системе.

Закон Паскаля гласит:

"Давление  на поверхности жидкости, вызванное  внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях". В правом цилиндре (рис. 6-1) создается давление пропорциональное площади поршня и приложенному усилию. Если к поршню приложено усилие 100 кг, а его площадь -10 см2, то созданное давление будет равно 100 кг/10 см2=10 кг/см2. Вне зависимости от формы и размеров системы давление жидкости распределяется равномерно. Другими словами, давление жидкости одинаково во всех точках.

Естественно, если жидкость не сжимать, то давление создаваться не будет. К этому могут привести, например, утечки через уплотнения поршня. Поэтому уплотнение поршня играет важную роль в обеспечении нормальной работы гидравлической системы.

Необходимо отметить, что, создав давление 10 кг/см2, можно перемещать груз массой 100 кг, прикладывая к другому поршню (меньшего диаметра) усилие всего 10 кг. Приведенный закон очень важен, так как он используется при управлении фрикционными муфтами и тормозами.

 

1.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АКПП

 

Рассмотрим теперь, принципы работы элементов, входящих в состав гидравлической части системы управления АКПП.

Рассмотрим, каким образом происходит формирование, регулирование и изменение различных давлений, используемых в системе управления автоматических коробок передач, назначение и принципы работы других клапанов, их взаимодействие при переключении передач. Кроме того, будет показано, каким образом осуществляется управление качеством переключения. В заключении рассмотрим принципы работы системы смазки, охлаждения ATF и управления блокировочной муфтой гидротрансформатора.

Поток жидкости в АКПП создается насосом, расположенным в передней части картера трансмиссии между гидротрансформатором и коробкой передач. Обычно, насос приводится непосредственно от двигателя через корпус гидротрансформатора и приводную втулку (рис.6-3). Основная задача насоса -обеспечение независимо от режима работы двигателя непрерывным потоком ATF всех обслуживаемых систем.

Для управления коробкой передач ATF от насоса через систему клапанов подводится к исполнительным элементам управления тормозами и блокировочными муфтами. Все это, вместе, называется гидросистемой управления АКПП. К элементам гидросистемы относятся насосы, гидроцилиндры, бустеры, поршни, жиклёры, гидроаккумуляторы и клапаны.

В процессе развития гидросистема претерпела значительные изменения, в основном с точки зрения выполняемых функций. Первоначально, она отвечала за все процессы, происходящие в АКПП во время движения автомобиля. Она формировала все необходимые давления, определяла моменты переключения передач, отвечала за качество переключения и т.п. Однако, с момента появления на автомобилях электронных блоков управления, гидросистема утратила часть своих функций в управлении АКПП. В настоящее время большая часть управляющих функции АКПП переданы электронному блоку управления, а гидросистема используется только лишь в качестве исполнительного элемента.

Перед тем, как приступить к изучению принципов работы гидравлической части системы управления, познакомимся с основами работы наиболее часто используемых в ней гидравлических элементов.

Гидросистемы автоматических коробок передач схожи, поскольку все они состоят из одних и тех же элементов. Даже в самой современной АКПП с электронным блоком управления используется гидросистема, мало, чем отличающаяся по составу элементов от АКПП с чисто гидравлической системой управления.

Любую гидравлическую систему управления АКПП упрощенно можно представить в виде системы, состоящей из резервуара (поддона), насоса, клапанов, соединительных каналов (магистралей) и устройств, преобразующих гидравлическую энергию в механическую (гидропривод) (рис.6-2).

 

1.2.1. РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ATF

Для нормальной работы гидросистемы необходимо, чтобы в резервуаре постоянно находился определенный уровень ATF. Функцию резервуара в АКПП легковых автомобилей, как правило, выполняет поддон или картер трансмиссии.

Поддон через трубку щупа для измерения уровня ATF или сапун соединяется с атмосферой. Соединение с атмосферой необходимо для нормальной работы насоса и манжетных уплотнений. Во время работы насос создает во всасывающей магистрали разряжение, в результате чего ATF из поддона под действием атмосферного давления поступает через фильтр во всасывающую магистраль насоса.

Если роль резервуара ATF выполняет поддон, то внутри него располагается постоянный магнит (иногда он находится внутри сливной пробки) для улавливания железных продуктов износа.

 

1.2.2. НАСОС

Создание непрерывного потока жидкости, а также давления, в гидросистеме АКПП осуществляется с помощью насоса. Однако следует отметить, что насос непосредственно не формирует давление. Давление возникает только в том случае, если в гидросистеме имеется сопротивление потоку жидкости. Первоначально ATF свободно заполняет систему управления АКПП. Только после полного заполнения в гидросистеме из-за наличия тупиковых каналов начинает формироваться давление.

Обычно, насосы располагают между гидротрансформатором и коробкой передач и приводят через корпус гидротрансформатора и приводную втулку (рис.6-3) непосредственно от коленчатого вала двигателя. Таким образом, если двигатель не работает, то насос не может создавать давление в гидросистеме управления АКПП.

В настоящее время в трансмиссиях с автоматическими коробками передач используются насосы, следующих типов:

• шестерёнчатого;
• трохоидного;
• лопастного.

Принцип работы насосов шестерёнчатого и трохоидного типов весьма схож. Эти насосы относятся к насосам постоянной производительности. За один оборот коленчатого вала двигателя они поставляют в гидросистему постоянный объём жидкости, независимо от режима работы двигателя и потребностей гидросистемы. Поэтому, чем выше частота вращения двигателя, тем большее количество ATF за единицу времени поступает в гидросистему управления АКПП, и наоборот, чем ниже частота вращения двигателя, тем меньший объём ATF за единицу времени попадает в гидросистему. Таким образом, режим работы таких насосов никак не учитывает потребностей самой системы управления в количестве ATF, необходимой для управления переключениями, подпитки гидротрансформатора и т.п. В результате в случае малой потребности ATF, большая часть подаваемого насосом в гидросистему жидкости, будет сливаться через регулятор давления обратно в поддон, что приводит к лишним потерям мощности двигателя и снижению топливно-экономических показателей автомобиля. Но при этом насосы шестерёнчатого и трохоидного типа имеют достаточно простую конструкцию и надежны в эксплуатации.

Лопастные насосы позволяют регулировать объём ATF, подаваемой насосом в гидросистему за один оборот двигателя, в зависимости от режима работы системы управления АКПП. Так при запуске двигателя, когда необходимо заполнить трансмиссионной жидкостью все каналы и элементы гидросистемы, или во время переключения передачи, когда происходит заполнение жидкостью гидроцилиндра или бустера, система управления насосом обеспечивает его максимальную производительность. При равномерном же движении без переключения передач, когда ATF расходуется только лишь на подпитку гидротрансформатора, смазку и компенсацию утечек, производительность насоса имеет минимальную величину.

Насос шестерёнчатого типа

Шестерёнчатый насос состоит из двух зубчатых колес, установленных в корпусе (рис.6-4). Существует две разновидности шестерёнчатых насосов: с внешним и внутренним зацеплением зубчатых колес. В автоматических коробках передач используется, как правило, шестерёнчатые насосы с внутренним зацеплением. Ведущей шестерней является внутреннее зубчатое колесо, которое, как уже отмечалось, приводится непосредственно от коленчатого вала двигателя. Работа насоса похожа на работу зубчатой передачи с внутренним зацеплением. Но только в отличие от простой зубчатой передачи в насосе устанавливается делитель (рис.6-4), который по своей форме очень похож на полумесяц. Назначение делителя - предотвратить утечку жидкости из зоны нагнетания.

При выходе зубьев из зацепления объём между зубьями колес увеличивается, что приводит к появлению в этом месте зоны разряжения, поэтому к этому месту подводится всасывающая магистраль насоса. Поскольку давление в зоне разряжения меньше атмосферного, то ATF выталкивается из поддона во всасывающую магистраль насоса.

В месте, где зубья шестерён начинают входить в контакт, пространство между зубьями начинает уменьшаться, из-за чего возникает зона повышенного давления, поэтому в этом месте располагается выходное отверстие, соединенное с напорной магистралью насоса.

Насос трохоидного типа

Принцип работы насоса трохоидного типа точно такой же, как и у шестерёнчатого, но только вместо зубьев внутренний и внешний роторы имеют кулачки специального профиля (рис.6-5). Кулачки спрофилированы таким образом, что отпадает необходимость в установке делителя, без которого не могут работать шестерёнчатые насосы с внутренним зацеплением зубчатых колес.

Внутренний ротор, являющаяся ведущим элементом, с помощью кулачков вращает внешний ротор. Насосная камера формируется между кулачками и впадинами роторов. При вращении кулачки выходят из впадин, и камера увеличивается, создавая при этом зону разряжения. В дальнейшем кулачки внешнего и внутреннего роторов вновь входят в контакт, постепенно уменьшая объём камеры. В результате чего жидкость вытесняется в напорную магистраль (рис.6-5).

 

Насос лопастного типа

Типичный лопастной насос состоит из ротора, лопаток и корпуса (рис.6-6). Ротор имеет радиальные прорези, куда устанавливаются лопатки насоса. При вращении ротора лопатки могут свободно скользить в его прорезях.

Ротор приводится во вращение двигателем через корпус гидротрансформатора. Вращение ротора вызывает действие на лопатки центробежной силы, которая прижимает их к цилиндрической поверхности корпуса. Таким образом, между лопатками формируется насосная камера.

Ротор размещен в цилиндрическом отверстии корпуса насоса с некоторым эксцентриситетом, поэтому нижняя часть ротора расположена ближе к цилиндрической поверхности корпуса насоса (рис.6-6), а верхняя часть - дальше. При выходе лопаток из зоны, где ротор расположен ближе к корпусу насоса, в насосной камере возникает разряжение. В результате ATF из поддона под действием атмосферного давления выталкивается в напорную магистраль. При дальнейшем повороте ротора, после прохождения точки максимального удаления ротора от цилиндрической поверхности корпуса, насосная камера начинает уменьшаться. Давление жидкости в ней увеличивается, и далее ATF под давлением попадает в напорную магистраль.

Таким образом, чем больше эксцентриситет ротора по отношению к цилиндру корпуса насоса, тем выше производительность насоса. Очевидно, что в случае нулевого эксцентриситета производительность насоса будет также нулевой.

В автоматических коробках передач используются усовершенствованные версии лопастных насосов, обеспечивающие переменную производительностью при постоянной частоте вращения двигателя. В отличие от лопастного насоса постоянной производительности здесь в корпус насоса установлено подвижное кольцо, внутри которого и размещается ротор с лопатками (рис.6-7).

Подвижное кольцо имеет одну шарнирную опору, относительно которой оно может поворачиваться, и изменять, таким образом, положение относительно ротора. Это обстоятельство дает возможность увеличивать или уменьшать эксцентриситет между подвижным кольцом и ротором, и, следовательно, соответствующим образом изменять производительность насоса.

Внутри ротора находится опорное кольцо лопаток, которое ограничивает перемещение лопаток внутрь ротора (рис.6-7). Кроме того, оно обеспечивает прижатие лопаток к цилиндрической поверхности подвижного кольца в тех случаях, когда частота вращения ротора мала и центробежной силы не достаточно для того, чтобы обеспечить должную герметичность между торцами лопаток и цилиндрической поверхностью подвижного кольца.

Если двигатель не работает, то подвижное кольцо за счет действия возвратной пружины находится в крайнем левом положении (рис.6-7а). В таком положении эксцентриситет между подвижным кольцом и ротором имеет самую большую величину, что обеспечивает максимальную производительность насоса, необходимую для запитывания всей гидросистемы трансмиссионной жидкостью во время запуска двигателя.

После запуска двигателя лопастной насос переменной производительности работает точно так же, как и простой лопастной насос.