Основные элементы гидравлических систем управления АКПП

Гидросистемы автоматических коробок передач весьма 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 масляного бака (поддона), насоса, клапанов, соединительных каналов (магистралей) и устройств, преобразующих гидравлическую энергию в механическую (гидропривод) (рис. 5-2).

Масляный бак

Для нормальной работы любой гидросистемы необходимо, чтобы в масляном баке постоянно находился определенный уровень масла. Функцию масляного бака в АКПП легковых автомобилей, как правило, выполняет масляный поддон, который расположен в нижней части картера коробки передач.

Масляный поддон через трубку щупа для измерения уровня масла 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 масло из поддона под действием атмосферного давления поступает через фильтр во всасывающую магистраль насоса.

Насос

Создание непрерывного потока масла, 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 масла. Первоначально масло свободно заполняет систему управления АКПП. Только после полного заполнения в гидросистеме из-за наличия тупиковых каналов начинает формироваться давление.

Большинство масляных насосов расположено между гидротрансформатором и коробкой передач и приводится через кожух гидротрансформатора и приводную втулку (рис. 5-3) 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 три типа масляных насосов:

• шестеренчатые;
• кулачковые;
• лопастные.

Регулятор давления

Среднее давление, создаваемое масляным насосом несколько выше, чем это требуется для нормальной работы гидросистемы, что вполне естественно, поскольку режим работы двигателя в процессе движения автомобиля непрерывно изменяется от минимальных оборотов до максимальных. Поэтому масляные насосы рассчитывают таким образом, чтобы они обеспечивали нормальное давление в гидросистеме при минимальных оборотах двигателя. В связи с этим в системе управления каждой АКПП, в том числе и с электронным блоком управления, обязательно используются клапаны, назначение которых - поддерживать соответствующую величину давления в гидросистеме. Эти клапаны устанавливаются сразу же после насоса и называются регуляторами давления. Давление, формируемое регулятором давления, называют давлением основной магистрали.



Кроме регулятора давления в гидросистеме могут использоваться и другие клапаны, формирующие всякого рода вспомогательные давления, с помощью которых осуществляется, например, определение моментов переключения передач, управления качеством переключения передач, подпитка гидротрансформатора и др. При этом следует отметить, что формирование все этих вспомогательных давлений происходит на основе давления основной магистрали.

Клапаны

Каждая АКПП имеет клапанную коробку, в которой расположены всевозможные клапаны, выполняющие в составе гидравлической части системы управления различные функции. Все многочисленные клапаны можно разделить по их функциональному назначению на две группы:

• клапаны, регулирующие давление;
• клапаны, управляющие потоками масла.

В гидросистемах АКПП с электронным блоком управления активно используются электромагнитные клапаны (соленоиды), которые позволяют достаточно точно управлять фрикционными элементами управления, учитывая при этом разнообразные условия эксплуатации автомобиля. Кроме того, использование соленоидов значительно упрощает конструкцию клапанной коробки.

Принцип работы клапанов

Большинство клапанов, используемых в системах управления АКПП, представляют собой клапаны золотникового типа, плунжеры которых несколько напоминают катушку (рис. 5-4). Плунжер любого клапана золотникового типа имеет как минимум два пояска, с помощью которых образуется кольцевая канавка.





Плунжер перемещается внутри отверстия втулки клапана. При этом пояски плунжера перекрывают то или иное отверстие во втулке клапана. Давление, действующее на торцы плунжера, совместно с пружиной определяет положение плунжера относительно отверстий. В клапанных коробках АКПП можно найти множество вариантов исполнения клапанов золотникового типа. Некоторые, наиболее простые, имеют только одну кольцевую канавку и управляют только одним отверстием, в то время как другие клапаны могут иметь четыре или пять кольцевых канавок и отверстий. Пружина чаще всего устанавливается только с одного торца плунжера клапана и при отсутствии давления смещает плунжер в одно из предельных положений.

Торцы поясков, образующих кольцевые канавки, не всегда имеют одинаковый диаметр. Разные диаметры торцевых поверхностей поясков позволяют формировать силы, действующие на плунжер, различной величины, поскольку согласно основному закону гидравлики сила давления, действующего на какую-либо поверхность, прямо пропорциональна площади этой поверхности. С помощью поясков различного диаметра также можно осуществлять управление положением плунжера относительно отверстий. При равном давлении плунжер будет перемещаться в сторону действия той силы, которая формируется на большей площади (рис. 5-5).





В клапанах часто используются пружины (см. рис. 5.4), обеспечивающие дополнительную силу, направление которой может совпадать или не совпадать с направлением суммарной силы давления масла на торцы плунжера. В большинстве случаев с помощью пружин осуществляется согласование работы клапанов с характеристиками автомобиля, на котором используется данная трансмиссия. Это позволяет использовать одну и ту же трансмиссию на различных автомобилях, отличающихся друг от друга как по массе, так и по мощности двигателя. Для каждого клапана подбираются пружина вполне определенной жесткости и длины. Под термином жесткость пружины в технике принято понимать коэффициент пропорциональности с, связывающий приложенное к пружине усилие с величиной ее деформации:



где F - сила деформации пружины;
I_o - длина пружины в свободном состоянии;
I_д - длина пружины в деформированном состоянии.

Большинство пружин, используемых водной и той же клапанной коробке, не взаимозаменяемы, и поэтому их использование в других клапанах недопустимо.

Клапаны, регулирующие давление

Клапаны, регулирующие давление, предназначены для формирования в гидросистеме давления, пропорционального тому или иному параметру состояния автомобиля (скорости автомобиля, углу открытия дроссельной заслонки и др.), или для поддержания давления в пределах заданной величины. В автоматических коробках передач используется два типа таких клапанов: регуляторы давления и предохранительные клапана.

Регулятор давления

Регулятор давления, или его еще называют редукционным клапаном, представляет собой комбинацию клапана золотникового типа и пружины. Подбирая соответствующим образом характеристики пружины, можно задавать величину давления, формируемого данным клапаном. Если регулятор давления установлен в магистрали сразу же после насоса, то, как уже отмечалось выше, формируемое им давление называется давлением основной магистрали или рабочим давлением.

Принцип работы регулятора давления достаточно прост. На один торец плунжера клапана действует пружина, а к другому подводится давление (рис. 5-6).



В начальный момент плунжер под действием пружины находится в крайнем правом положении. В таком положении он открывает входное отверстие и перекрывает своим левым пояском выходное отверстие. При поступлении в клапан масла в кольцевой канавке и в левой полости клапана начинает формироваться давление, которое создает на левом торце плунжера силу, пропорциональную величине формируемого давления и площади торца. Как только сила давления достигнет величины, способной деформировать пружину, плунжер начнет перемещаться вправо, открывая при этом выходное отверстие и перекрывая входное отверстие. В результате масло устремится в выходное отверстие и давление в клапане начнет уменьшаться. Сила давления на левый торец плунжера уменьшается, и плунжер под действием пружины начнет перемещаться влево. Выходное отверстие перекрывается, а входное вновь откроется. Давление в клапане опять возрастет, и процесс повторится вновь. Результатом такой работы клапана будет определенное устойчивое давление в выходной магистрали. Величина этого давления определяется прежде всего жесткостью пружины. Чем жестче пружина, тем выше давление в выходной магистрали.



В некоторых регуляторах давления к плунжеру со стороны пружины подводится дополнительное давление, например пропорциональное углу открытия дроссельной заслонки, что позволяет получать на выходе давление основной магистрали, зависящее уже и от режима работы двигателя. Бывают и более сложные схемы регулирования давления в основной магистрали, но на этом мы остановимся несколько позже.

Предохранительный клапан

Назначение предохранительного клапана заключается в предохранении магистрали, в которой он установлен, от чрезмерно высокого давления. В случае, когда давление превысит определенную величину, сила давления, действующая на клапан, сжимает его пружину, и клапан открывается, соединяя при этом магистраль со сливом в поддон (рис. 5-7). Давление в магистрали и, следовательно, сила давления быстро уменьшаются, и пружина вновь закроет клапан.



Отсутствие предохранительного клапана может приводить к нежелательным последствиям, как, например, разрушению уплотнений, появлению утечек и т.п. Поэтому в гидросистеме управления АКПП, как правило, используется несколько предохранительных клапанов.





Предохранительные клапаны бывают двух типов: тарельчатые (рис. 5-7) и шариковые (рис. 5-8).

Электромагнитные клапаны (соленоиды) регулирования давления

В системах управления с электронным блоком управления для регулирования давления в основной магистрали используются соленоиды (рис. 5-9).



Для управления такими соленоидами электронный блок непрерывно посылает сигналы. Длительность каждого сигнала и время между двумя соседними сигналами зависят от параметров движения автомобиля и потребностей АКПП. При этом шариковый клапан соленоида постоянно находится в циклическом режиме «Вкл»-«Выкл». Такой способ регулирования давления позволяет весьма точно формировать давление в системе управления в зависимости от параметров движения автомобиля.

Клапаны, управляющие потоками масла

Клапаны, управляющие потоками масла или клапаны переключения, направляют масло из одного канала в другой. Эти клапаны открывают или закрывают проходы в соответствующие магистрали. В автоматических коробках передач используется несколько типов клапанов переключения.

Одноходовые клапаны

Эти клапаны управляют потоком масла в одной магистрали (рис. 5-10). Одноходовой клапан очень похож на предохрани тельный клапан, но принцип его работы несколько иной. Пока давление не достигнет определенной величины, пружина подпирает шарик и не позволяет, таким образом, маслу перемещаться по магистрали, где установлен этот клапан. При определенном давлении, которое также определяется жесткостью пружины, клапан открывается и масло попадает в магистрали (рис. 5-10, а). Движение масла через клапан будет происходить до тех пор, пока давление не станет меньше заданной пружиной величины.



Второй тип одноходового клапана - клапан, в котором сила пружины заменена силой тяжести. Принцип работы такого клапана точно такой же, как и одноходового клапана с пружиной, но только сила пружины заменена силой тяжести самого шарика.

Двухходовые клапаны

Двухходовой клапан управляет потоками масла одновременно в двух магистралях, направляя поток масла в выходную магистраль либо из левой входной магистрали, либо из правой входной магистрали (рис. 5-11).



При поступлении масла из правой входной магистрали шарик перекатывается и садится в левое седло клапана, перекрывая тем самым доступ масла в левую входную магистраль (рис. 5-11, а). Масло из правой входной магистрали через клапан направляется в выходную магистраль. В случае, если масло подводится к клапану через левую входную магистраль, шарик перекрывает правую входную магистраль (рис. 5-11, б), обеспечивая тем самым доступ масла из левой входной магистрали в выходную магистраль.

Шарики клапанов, управляющих потоками масла, обычно изготавливаются из стали, но в некоторых АКПП используются шарики, изготовленные из резины, нейлона или композитного материала. Стальные шарики обладают большей износостойкостью, но вызывают больший износ седла клапана. Шарики, изготовленные из других материалов, меньше изнашивают седла клапана.

Клапан выбора диапазона

Клапан выбора диапазона (рис. 5-12), является в гидравлической системе управления АКПП основным управляющим клапаном.



Этот клапан имеет механическую связь с рычагом выбора диапазона, установленного в салоне автомобиля. Водитель, перемещая рычаг из одного положения в другое, задает тем самым диапазон работы коробки передач. Перемещения рычага выбора диапазона через механическую связь передается клапану выбора диапазона, каждое положение которого фиксируется с помощью специального механизма. К клапану выбора диапазона подводится давление основной магистрали, которое он распределяет в зависимости от своего положения в соответствующие каналы системы управления АКПП.

Клапаны, формирующие вспомогательное давление

Основными параметрами состояния автомобиля, по соотношению которых в АКПП определяются моменты переключения передач, являются скорость движения автомобиля и загруженность двигателя, определяемая углом открытия дроссельной заслонки В чисто гидравлических системах управления для определена этих двух параметров формируются соответствующие давления, для чего используется давление основной магистрали, которое подводится к соответствующему клапану, на выходе из которого, в зависимости от назначения клапана, формируется либо давление, пропорциональное скорости движения автомобиля, либо давление, пропорциональное степени открытия дроссельной заслонки.

Для получения давления, зависящего от загруженности двигателя, используется клапан-дроссель, который чаще всего располагается в клапанной коробке. Управление этим клапаном на различных моделях АКПП осуществляется двумя различными способами. В соответствии с первым способом используется механическая связь между дроссельной заслонкой двигателя и клапаном-дросселем. В качестве механической связи может использоваться либо трос, либо система тяг и рычагов. Во втором способе для управления клапаном-дросселем используется вакуумный модулятор. Модулятор с помощью трубки соединен с впускным коллектором двигателя. Степень разряжения во впускном коллекторе и является задающим параметром для получения давления, пропорционального степени загруженности двигателя. Чем выше загрузка двигателя, тем выше давление, которое формирует клапан-дроссель. Часто давление клапана-дросселя называют TV-давлением, что происходит от английского словосочетания «throttle valve pressure».

Для получения давления, пропорционального скорости движения автомобиля, используются скоростные регуляторы давления, принцип работы которых аналогичен принципу работы центробежного регулятора. Привод скоростного регулятора давления осуществляется механическим путем и весьма схож с механическим приводом спидометра. Устанавливается скоростной регулятор, как правило, на выходном валу коробки передач, и он устроен таким образом, что с увеличением частоты вращения выходного вала АКПП увеличивается и формируемое скоростным регулятором давление.

Давление клапана-дросселя и скоростного регулятора подводится к клапанам переключения передач. Соотношение этих давлений, действующих на торцы плунжеров клапанов переключения, и определяет моменты переключения передач в АКПП с чисто гидравлической системой управления.

В современных трансмиссиях с электронными блоками управления необходимость формирования TV-давления и давления скоростного регулятора отпала. Теперь для определения положения дроссельной заслонки двигателя и скорости автомобиля используются соответствующие электрические датчики. Сигналы этих датчиков поступают в электронный блок управления, где на основе анализа их сигналов, а также сигналов ряда других датчиков вырабатывается определенное решение и выдается сигнал на соответствующий соленоид.

Клапаны переключения

Клапан переключения - это клапан, представляющий собой комбинацию клапана золотникового типа и пружины. Клапаны переключения предназначены для управления переключением передач (рис. 5-13).



Как уже отмечалось, в чисто гидравлических системах управления моменты переключения определяются соотношением TV-давления и давления скоростного регулятора. Поэтому к одному торцу плунжера клапана подводится давление клапана-дросселя, а к другому - давление скоростного регулятора (рис. 5-13). В зависимости от соотношения этих давлений плунжер клапана может занимать крайнее нижнее положение (передача выключена) или крайнее верхнее положение (передача включена). С помощью пружины, действующей на торец плунжера со стороны подвода TV-давления, можно осуществлять корректировку моментов включения и выключения передачи. Кроме того, пружина при отсутствии в гидросистеме давления удерживает плунжер клапана переключения в положении, соответствующем выключению передачи.

Рассмотрим принцип работы клапана переключения несколько подробнее. В начальный момент суммарная сила пружины и Давления клапана-дросселя, действующая на правый торец плунжера, больше силы давления скоростного регулятора, которая приложена к левому торцу плунжера (рис. 5-14, а). Это обстоятельство определяет крайнее левое положение плунжера. Пр| этом плунжер своим правым пояском перекрывает отверстии подвода давления основной магистрали и не позволяет, таким образом, маслу пройти через клапан и попасть в гидропривод фрикционного элемента управления АКПП.



Как только сила давления скоростного регулятора станет больше суммарной силы пружины и силы давления клапана дросселя, так сразу же плунжер переместится в крайнее правое положение (рис. 5-14, б). При этом основная магистраль через клапан переключения соединяется с магистралью подвода давления в бустер фрикционного элемента управления, в результате чего начнется процесс переключения передачи.

Клапанная коробка

Большая часть клапанов системы управления АКПП расположена в клапанной коробке (рис. 5-15). Корпус клапанной коробки чаще всего изготавливается из сплава алюминия, но иногда можно встретить АКПП, корпус клапанной коробки которой изготовлен из чугуна. Клапанная коробка с помощью болтов крепится к картеру АКПП.



В корпусе клапанной коробки имеются многочисленные каналы весьма причудливой формы. В некоторых таких каналах устанавливаются одноходовые шариковые клапана. Кроме того, на торцевых поверхностях имеются отверстия для установки в них деталей многочисленных клапанов. Большинство клапанных коробок состоит из двух или трех частей, которые стягиваются между собой болтами, а между ними устанавливают распределительные пластины с прокладками. Верхняя часть клапанной коробки, как правило, является частью картера АКПП. Распределительные пластины имеют большое количество калиброванных отверстий, через которые осуществляется сообщение между различными частями клапанной коробки.

Клапанные коробки АКПП современных автомобилей имеют в своем составе соленоиды (рис. 5-16), наличие которых обеспечивает более качественное управление процессами, протекающими в системе управления АКПП.

Масляные трубки и каналы (магистрали)

Насос всасывает масло из поддона, которое затем, пройдя регулятор давления, попадает в клапанную коробку. В клапанной коробке происходит распределение потока масла к соответствующим сервоприводам, с помощью которых и осуществляется управление фрикционными муфтами и тормозами. Кроме того, часть масла из регулятора давления подается в систему подпитки и управления блокировочной муфтой гидротрансформатора. После гидротрансформатора масло попадает в систему охлаждения, затем используется в системе смазки АКПП и вновь попадает в масляный поддон.

Для обеспечения нормальной циркуляции масла в описанном контуре используются специальные трубки. В валах имеются каналы и отверстия для подвода масла в бустеры фрикционных элементов управления и к трущимся поверхностям для обеспечения их смазки.

Гидроцилиндр

Гидроцилиндр - это исполнительный механизм системы управления АКПП. Эти механизмы преобразовывают давление масла в механическую силу, обеспечивая тем самым включение и выключение фрикционных элементов управления.

Давление масла создает силу на поверхности поршня гидроцилиндра, которая вызывает перемещение поршня (рис. 5-17).



Термин «гидроцилиндр», как правило, относится к механизму, который используется для включения ленточного тормоза (рис. 5-18, а). Если же речь идет о включении дискового тормоза или блокировочной муфты, то используется термин «бустер» (рис. 5-18, б), который представляет собой кольцевое пространство, куда подается масло.