Конструкція коробки-автомат: як працює автоматична КПП

17.03.2023

Реклама наших партнерів

Почнемо з того, що у США автомобілі, оснащені автоматичною трансмісією, з'явилися у 1940-х роках. Як відомо, наявність автоматичної коробки істотно полегшує процес експлуатації транспортного засобу, також знижуються навантаження на водія, підвищується безпека і т.д.

Зазначимо, що під "класичною" автоматичною коробкою слід розуміти гідромеханічну коробку передач (гідромеханічний автомат). Далі ми розглянемо конструкцію коробки-автомат, конструктивні особливості, а також переваги та недоліки КПП цього типу.

Автомобіль з автоматичною трансмісією: переваги та недоліки

Почнемо із плюсів. Установка автоматичної трансмісії дозволяє водієві під час їзди не використовувати важіль перемикання передач, також не задіяна нога для постійного вичавлювання зчеплення при переході на підвищений або знижений щабель.

Іншими словами, зміна швидкості відбувається автоматично, тобто сама коробка враховує навантаження на ДВЗ, швидкість руху ТЗ, положення педалі газу, бажання самого водія різко прискоритись або рухатися плавно тощо.

В результаті комфорт керування автомобілем з АКПП значно зростає, передачі перемикаються автоматично, м'яко і плавно, двигун, елементи трансмісії та ходової частини захищені від сильних навантажень. Більше того, багато коробок автомат передбачають можливість не тільки автоматичного, а й ручного перемикання передач.

Щодо мінусів, вони також є. Насамперед, конструктивно АКПП є складним і дорогим агрегатом, що відрізняється зниженою ремонтопридатністю та ресурсом у порівнянні з механічними (ручними) КПП. Автомобіль з цим типом КПП витрачає більше палива, автоматична коробка віддає менше крутного моменту на колеса, оскільки ККД коробки автомат дещо знижений.

Також наявність у автомобілі автоматичної трансмісії накладає на водія певні обмеження. Наприклад, коробку автомат потрібно прогрівати перед поїздкою, бажано уникати постійних різких стартів та занадто інтенсивного гальмування.

На машині з автоматичною коробкою не можна буксувати, не допускається буксирування автомобіля з коробкою автомат на високій швидкості на великі відстані без вивішування провідних коліс і т.д. Ще додамо, що таку коробку складніше та дорожче обслуговувати.

Коробка автомат: конструкція

Отже, навіть з урахуванням певних недоліків, автоматична гідромеханічна коробка з ряду причин тривалий час залишалася найбільш поширеним рішенням для зміни крутного моменту серед інших типів автоматичних трансмісій.

Насамперед, навіть з урахуванням того, що ресурс та продуктивність таких коробок нижчі, ніж у «механіки», гідромеханічна коробка передач досить надійна і довговічна. Тепер розглянемо конструкцію АКПП.

Автоматична коробка складається з наступних базових елементів:

Гідротрансформатор. Пристрій виконує функцію зчеплення за аналогією з МКПП, однак для переходу на ту чи іншу передачу не потрібна участь водія;
Планетарний ряд, який аналогічний блоку шестерень у ручній «механіці» та дозволяє змінювати передатне відношення при перемиканні передач;
Гальмівна стрічка та фрикціони (передній, задній фрикціон) дозволяють плавно та своєчасно перемикати передачі;
Управління АКПП. Цей вузол включає маслозбиральник (піддон коробки), шестерний насос, а також клапанну коробку.

Управління коробкою автомат проводиться за допомогою селектора. Як правило, АКПП мають такі основні режими:

Режим Р – паркування;
Режим R – рух заднім ходом;
Режим N – нейтральна передача;
Режим D – їзда вперед із автоматичним перемиканням передач.

Також можуть бути інші режими. Наприклад, режим L2 означає, що включатиметься тільки перша і друга передачі під час руху вперед, режим L1 вказує на включення тільки першої передачі, режим S слід розуміти як спортивний, можуть бути різні «зимові» режими і т.д.

Додатково може бути реалізована імітація ручного управління АКПП, тобто водій може підвищувати або знижувати передачі самостійно (вручну). Ще додамо, що коробка автомат також має режим kick-down (кік-даун), який дозволяє автомобілю різко розганятися при такій необхідності.

Спрацьовує режим «кік-даун» у тому випадку, коли водій різко натискає на газ, після чого коробка швидко переходить на знижену передачу, тим самим дозволяючи розкрутити двигун до високих оборотів.

Як видно, коробка-автомат фактично складається з гідротрансформатора, механічної коробки передач, а також системи керування, що в сукупності і утворює гідромеханічну коробку. Давайте розглянемо її конструкцію.

Принцип роботи та конструкція гідротрансформатора

Гідротрансформатор необхідний для того, щоб передавати і змінювати крутний момент від двигуна на коробку. Також гідротрансформатор зменшує вібрації. Пристрій гідротрансформатора передбачає наявність насосного, турбінного та реакторного колеса.

Також у гідротрансформаторі є блокувальна муфта та муфта вільного ходу. Гідротрансформатор (ГДТ, часто в побуті називається «бублик») є частиною АКПП, проте має окремий корпус із міцного матеріалу, заповнений робочою рідиною.

Насосне колесо ГДТ приєднано до колінвалу двигуна. Турбінне колесо пов'язане з коробкою передач. Між турбінним та насосним колесом також є реакторне колесо, яке є нерухомим. Кожне з коліс гідротрансформатора має лопаті, що відрізняються за своєю формою. Між лопатями реалізовані канали, через які проходить трансмісійна рідина (трансмісійне масло, ATF, від англ. Automatic Transmissions Fluid).

Блокувальна муфта потрібна для блокування гідротрансформатора в деяких режимах роботи. Обгінна муфта або муфта вільного ходу відповідає за те, щоб жорстко закріплене реакторне колесо отримало можливість обертатися у протилежний бік.

Тепер розглянемо, як працює гідротрансформатор. Його робота базується на замкнутому циклі і полягає в тому, що від насосного колеса трансмісійна рідина подається на турбінне колесо. Потім потік рідини надходить до реакторного колеса.

Лопаті реактора сконструйовані так, щоб посилювати швидкість потоку рідини АТФ. Потім прискорений потік перенаправляється на насосне колесо, змушуючи його обертатися з більшою швидкістю. Результат - збільшення величини крутного моменту. Варто додати, що максимальний момент досягається при обертанні гідротрансформатора на малій швидкості.

Коли розкручується колінвал двигуна, відбувається вирівнювання кутових швидкостей насосного та турбінного колеса, при цьому потік трансмісійної рідини змінює напрямок. Потім відбувається спрацьовування муфти вільного ходу, після чого починає обертатись реакторне колесо. В цьому випадку гідротрансформатор переходить в режим гідромуфти, тобто відбувається передача тільки крутного моменту.

Подальший набір швидкості призводить до блокування гідротрансформатора (блокувальна муфта замкнута), в результаті чого відбувається пряма передача крутного моменту від мотора до коробки. У цьому блокування ГДТ відбувається у різних передачах.

Слід зазначити, що в сучасних автоматичних коробках реалізований режим роботи з прослизанням муфти блокування гідротрансформатора. Такий режим виключає повне блокування гідротрансформатора.

Даний режим роботи можна реалізувати в тому випадку, якщо умови відповідні, тобто коли навантаження і швидкість підходять для його активації. Головним же завданням прослизання муфти стає інтенсивніший розгін автомобіля, зниження витрати пального, м'якше і плавніше включення передач.

З чого складається АКПП: як влаштована та працює механічна частина коробки

Сама автоматична коробка передач (АКПП), як і механічна, поступово змінює крутний момент при русі машини вперед, а також дозволяє рухатися назад при включенні задньої передачі.

При цьому в автоматичних коробках зазвичай використовують планетарний редуктор. Це рішення компактне, дозволяє реалізувати ефективну роботу. Наприклад, МКПП часто має два планетарні редуктори, які з'єднані послідовно і працюють спільно.

Об'єднання редукторів дозволяє отримати необхідну кількість ступенів (швидкостей) в коробці. Прості АКПП мають чотири ступені (чотириступінчастий автомат), тоді як сучасні рішення можуть мати шість, сім, вісім, або навіть дев'ять ступенів.

Планетарний редуктор включає кілька послідовних планетарних передач. Такі передачі утворюють планетарний ряд. Кожна з планетарних передач включає:

сонячну шестірню;
сателіти;
коронну шестірню;
водило.

Можливість змінити крутний момент і передати обертання стає доступною в тому випадку, коли відбувається блокування елементів планетарного ряду. Заблокований може бути один або два елементи (сонячна або коронна шестерня, водило).

Якщо заблоковано коронну шестерню, тоді відбувається збільшення передавального числа. Якщо сонячна шестерня нерухома, тоді передатне відношення буде зменшено. Заблоковане водило означає, що відбувається зміна напрямку обертання.

За саме блокування відповідають фрикційні муфти (фрикціони), а також гальмо. Муфти блокують деталі планетарного ряду між собою, тоді як гальмо утримує потрібні елементи редуктора завдяки з'єднанню з корпусом КПП. Залежно від конструкції тієї чи іншої АКПП, можуть бути використані стрічкове або багатодискове гальмо.

Замикання муфт та гальм відбувається завдяки гідроциліндрам. Управління такими гідроциліндрами реалізовано із спеціального модуля (розподільний модуль).

Ще в загальній конструкції автоматичної коробки може бути обгінна муфта, завданням якої стає утримування водила, що дозволяє запобігти його обертанню в протилежний бік. Виходить, передачі в АКПП перемикаються завдяки фрикціонам і гальмам.

Управління АКПП та принцип роботи автоматичної коробки

Що стосується принципів роботи АКПП, коробка працює за заданим алгоритмом включення та вимикання фрикціонів та гальм. Система управління такими включеннями та вимкненнями на сучасних коробках електронна, тобто має селектор (важіль), датчики та ЕБУ коробкою передач.

Блок управління автоматичною коробкою інтегрований в ЕСУД і тісно пов'язаний з блоком управління двигуном. За аналогією з ЕБУ двигуном, блок управління АКПП також взаємодіє з різними датчиками, які передають на нього сигнали про частоту обертання КПП, температуру трансмісійної рідини, положення педалі газу, режими установки селектора і т.д.

ЕБУ коробкою передач здійснює обробку отриманих сигналів, потім відправляє команди на виконавчі пристрої в розподільчому модулі. В результаті коробка визначає, яку передачу включити в тих чи інших умовах (підвищену чи знижену).

При цьому немає чіткого заданого алгоритму, тобто точка переходу на різні передачі, що «плаває» і визначається самим ЕБУ коробкою. Така особливість дозволяє системі працювати гнучкіше.

Гідроблок (він гідравлічний блок, гідроплита, розподільчий модуль) фактично здійснює управління трансмісійною рідиною ATF, відповідаючи за спрацювання фрикціонів і гальм в АКПП. Даний модуль має електромагнітні клапани (соленоїди) та спеціальні розподільники, які з'єднані між собою вузькими каналами.

Соленоїди потрібні для перемикання передач, оскільки вони регулюють тиск робочої рідини в коробці. Робота даних клапанів контролюється та регулюється блоком управління АКПП. Розподільники відповідають за вибір робочих режимів і використовуються за допомогою важеля (селектора).

За циркуляцію гідравлічної рідини у автоматичній коробці відповідає насос коробки. Насоси бувають шестерними і лопатевими, їх приводить в дію маточина гідротрансформатора. Важливо розуміти, що насос разом із гідроплитою (гідроблоком) є найважливішими деталями у конструкції гідравлічної частини коробки автомат.

З огляду на те, що у процесі роботи коробка має властивість нагріватися, АКПП найчастіше має власну систему охолодження. При цьому, залежно від конструкції, може бути окремий масляний радіатор коробки автомат, або охолоджувач або теплообмінник, який включається в загальну систему охолодження силового агрегату.

Що в результаті

З урахуванням наведеної вище інформації стає зрозумілим, що автоматична коробка є цілим комплексом механічних, гідравлічних та електронних пристроїв. При цьому керування здійснюється як гідравлікою, так і електронним блоком.

Також слід зазначити, що за компонуванням автоматичні трансмісії можуть відрізнятися для автомобілів з переднім і заднім приводом, хоча більшість складових елементів однакові.

Якщо говорити про механічну частину АКПП, у її пристрої використано планетарний ряд, що відрізняє даний тип коробок від звичайної «механіки» (у механічній коробці передач ставлять паралельні вали та закріплені на них шестірні, що знаходяться в зачепленні між собою).

Що стосується гідротрансформатора, цей пристрій можна вважати окремим елементом АКПП, так як ГДТ ставиться між мотором і коробкою, виконуючи функції зчеплення за аналогією з МКПП.

Також від гідротрансформатора приводиться в дію масляний насос усередині коробки автомат. Зазначений насос створює робочий тиск трансмісійної рідини, що, у свою чергу, дозволяє реалізувати керування коробкою.

Насамкінець зазначимо, що не слід намагатися заводити машину з коробкою «автомат» без стартера (з розгону), як це часто практикується на автомобілях з механічною коробкою. Справа в тому, що насос АКПП приводиться в дію від двигуна.

Виходить, поки ДВЗ не працює, тиску робочої трансмісійної рідини в коробці не буде. Це означає, що без тиску не вдасться реалізувати управління АКПП, причому незалежно від того, в якому положенні стоятиме селектор вибору режиму роботи. Більше того, спроба заводити машину з автоматом з штовхача може призвести до серйозних поломок коробки передач.