Основные элементы гидравлических схем АКПП
Примечание: информация является универсальной и применима для всех типов АКПП независимо от производителя.
Содержание:
1. Закон Паскаля
2. Клапаны управления
3. Жиклёры и одноходовые шариковые клапаны
4. Двухходовые шариковые клапаны
5. Масляный насос
6. Регуляторы давления масла в гидравлической системе
7. Предохранительный клапан
8. Клапан выбора режима работы АКПП
Автоматические коробки передач любого производителя, представляющие собой гидромеханические передачи, передают крутящий момент от ведущего (первичного) вала АКПП к ведущим колёсам автомобиля исключительно за счёт действия сил трения, возникающих при работе фрикционных элементов. Как было рассмотрено в главе 4, и дисковые и ленточные фрикционные элементы включаются при помощи гидроцилиндров, в которые подаётся давление масла. Поэтому гидравлические элементы АКПП выполняют ключевую роль в процессе управления и работы АКПП. В этой главе вы познакомитесь с основными принципами работы гидравлической схемы АКПП. Подробное описание работы гидравлических схем приводится в разделе 9.4.
В основе работы любого гидравлического устройства используется закон Паскаля. Выдающийся французский учёный, живший в 17 веке (1623 - 1662) доказал, что давление, оказываемое на жидкость или газ передаётся в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям.
Давлением Р называют величину, равную отношению силы F, действующей перпендикулярно поверхности жидкости или газа к площади S этой поверхности:
(5.01)
P = F / S,
где Р - давление жидкости или газа, Н/м1 ;
F - сила, приложенная к поверхности жидкости или газа, Н;
S - площадь поверхности, к которой приложена сила F, м1.
В системе СИ за единицу давления принято давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по перпендикулярной к ней поверхности площадью 1 м1.
Эту единицу давления называют паскаль (Па): 1 Па=1 Н/м1.
В расчётах часто используют внесистемные единицы измерения:
Рассмотрим закон Паскаля в действии. На рис. 5.1. представлен простейший гидравлический домкрат.
Рис. 5.1. Схема простейшего гидравлического домкрата.
Простейший домкрат состоит из двух сообщающихся цилиндров, площадь поперечных сечений которых равна S1 и S2 соответственно. Цилиндры заполняются маслом, затем в цилиндры устанавливаются поршни.
По закону Паскаля, давление, оказываемое на жидкость или газ, передаётся в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям. Это означает, что если мы воздействуем на поршень площадью S1 с силой F1, то мы создаём давление Р = F1 / S1, которое будет воздействовать на поршень площадью S2.
Вычислим какой выигрыш в силе можно получить, если площадь поршня S2 в 10 раз больше площади поршня S1, т.е. S2 = 10-S1.
Согласно формулы (5.01), усилие, которое развивается поршнем S2, равно:
F2 = P-S2 = P-10-S1.
Тогда, выигрыш в силе буде равен:
F2 / F1 = (P-10-S1) / (P-S1) = 10
Таким образом, выигрыш в силе гидравлического домкрата прямо пропорционален отношению площадей поршней.
В гидравлической системе АКПП включением и выключением фрикционных элементов управляют клапаны золотникового типа. Золотники представляют собой цилиндрические стержни, на которых выполнены проточки, размеры и расстояния между которыми точно согласованы с корпусом золотника. В АКПП любого производителя клапаны объединяются в единый узел, называемый гидравлическим блоком клапанов. Внешний вид клапанов и гидравлического блока АКПП представлен на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Пример гидравлического блока и клапанов управления АКПП A4CF1.
Лабиринты, которые вы видите на корпусе гидравлического блока клапанов, представляют собой масляные магистрали, по которым движется масло от масляного насоса к гидроцилиндрам фрикционных элементов.
Работа клапана полностью подчиняется формуле F = Р-S. Исходя из этой формулы, разработчики АКПП рассчитывают геометрические размеры клапанов и составляют гидравлические схемы. Приведём пример работы клапана, устройство которого показано на рис.5.3.
Рис. 5.3. Схема работы плунжерного клапана.
Пусть площадь поперечного сечения левого торца клапана равна S1, а правого торца равна S2, причём S1 < S2. Подведём к левому и правому торцам клапана одинаковое давление Р. Усилие, развиваемое давлением Р на правом торце, равно Fs2 = P'S2 и стремится передвинуть клапан влево. Усилие, развиваемое давлением на левом торце клапана, равно Fs1 = P-S1 и стремится передвинуть клапан вправо.
Очевидно сила Fs1 < Fs2, так как S1 < S2, а давление Р одинаковое для обоих торцов клапана. Поэтому клапан будет перемещаться влево до упора, как показано на рис. 5.3.
Рассмотрим ещё один пример работы клапана, конструкция которого показана на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Схема работы плунжерного клапана.
На этом рисунке показано, что левый и правый торцы клапана соединены между собой при помощи штока, площадь поперечного сечения которого равна Sш. Подведём давление между левым и правым торцами, как показано на рис. 5.4.
Усилие, развиваемое давлением Р на правом торце равно Fs2 = P-(S2 - Sш) и стремится передвинуть клапан вправо. Усилие, развиваемое давлением на левом торце клапана равно Fs1 = P-(S1 - Sш) и стремится передвинуть клапан влево.
Очевидно сила Fs1 < Fs2, т.к. S1 < S2, поэтому клапан будет перемещаться вправо до упора, как показано на рис. 5.4.
5.3. ЖИКЛЁРЫ И ОДНОХОДОВЫЕ ШАРИКОВЫЕ КЛАПАНЫ
Жиклёры позволяют ограничивать скорость нарастания давления масла в магистралях гидравлической системы АКПП. Они представляют собой простейшие устройства, которые уменьшают площадь поперечного сечения магистрали.
Одноходовые шариковые клапаны пропускают масло только в одном направлении.
Жиклёры и шариковые клапаны часто работают совместно. В АКПП серии F4A42, A4CF жиклёры и одноходовые шариковые клапаны устанавливаются в магистралях муфт как показано на рис.5.5.
Рис. 5.5. Схема работы жиклёра и обратного шарикового клапана при включении муфты.
1 - поршень муфты; 2 - возвратная пружина поршня; 3 - корпус; 4 - жиклёр; 5 - пружина; 6 - шариковый клапан.
При включении муфты поток масла устремляется к поршню 1 двумя путями: через жиклёр 4 и шариковый клапан 6. Поскольку шариковый клапан прижат к своему седлу пружиной 5, проход масла через него невозможен, поэтому весь поток масла устремляется к поршню через малое поперечное сечение жиклёра 4, что позволяет плавно включать муфту. После прекращения перемещения поршня 1(когда он сожмёт фрикцион) давление в магистрали до и после жиклёра выравнивается.
Однако при выключении муфты жиклёр является помехой, поскольку он снижает как скорость нарастания давления в гидроцилиндре муфты, так и скорость сброса давления. Поэтому для быстрого сброса давления в работу вступает шариковый клапан 6, так как поток масла отрывает его седла. Таким образом, сброс давления из гидроцилиндра муфты идёт двумя путями: через жиклёр 4 и обратный шариковый клапан 6. Схема работы жиклёра и обратного шарикового клапана при выключении муфты показана на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Схема работы жиклёра и обратного шарикового клапана при выключении муфты.
В современных АКПП все производители выполняют жиклёры в виде калиброванных отверстий в стальных разделительных пластинах гидравлического блока клапанов. Такое конструктивное решение упрощает конструкцию гидравлического блока клапанов. Пример разделительной пластины гидравлического блока показан на рис.5.7.
Рис. 5.7. Пример разделительной пластины гидравлического блока клапанов АКПП A4CF1.
5.4. ДВУХХОДОВЫЕ ШАРИКОВЫЕ КЛАПАНЫ
Двухходовые шариковые клапаны позволяют осуществлять подачу масла в одну и ту же магистраль АКПП от разных источников. Цели, которые преследуют разработчики гидравлических схем АКПП, могут быть разными, например, в АКПП серии F4A42, A4CF1 двухходовой шариковый клапан позволяет снизить удар при включении задней передачи. Подробно этот процесс описан в разделе 9.4.9.
Схема работы двухходового шарикового клапана показана на рис. 5.8. Масло в магистраль А может подаваться либо из магистрали С, либо из магистрали В.
Рис. 5.8. Схема работы двухходового шарикового клапана.
5.5. Масляный насос
Фрикционы в АКПП сжимаются соответствующими поршнями под действием давления масла, создаваемого масляным насосом. Поэтому масляный насос является сердцем АКПП в буквальном смысле этого слова. При выходе из строя масляного насоса движение автомобиля оборудованного АКПП невозможно.
В качестве масляных насосов в гидравлической системе современных АКПП, устанавливаемых на автомобили HYUNDAI используются шестерёнчатые насосы внутреннего зацепления постоянной производительности. На рис. 5.9 показаны примеры используемых насосов АКПП.
Рис. 5.9. Примеры шестерёнчатых насосов внутреннего зацепления постоянной производительности, используемых в АКПП автомобилей HYUNDAI. А - шестерёнчатый насос с разделительным сектором;
Б - роторный.
Схема работы шестерёнчатого насоса показана на рис. 5.10.
Рис.5.10. Схема работы масляного насоса.
Внутренняя шестерня масляного насоса постоянно приводится во вращение от коленчатого вала двигателя при помощи вала гидротрансформатора. Направление вращение внутренней и наружных шестерён показано на рис. 5.10 стрелками. Масло из картера АКПП подводится через масляный фильтр к каналу подвода масла и далее к полости всасывания. При вращении шестерён в полости всасывания создаётся разрежение за счёт увеличения объёма от расходящихся зубьев внутренней и наружной шестерён. Далее объём масла, заключённый во впадинах наружной и внутренней шестерён переносится в полость нагнетания. Нагнетание давления происходит за счёт вхождения в зацепление зубьев наружной и внутренней шестерён и, следовательно, уменьшения объёма полости нагнетания. Далее масло под давлением подаётся в гидравлическую систему АКПП.
5.6. РЕГУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ МАСЛА В ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Для поддержания давления масла в гидравлической системе на заданном уровне применяются регуляторы давления. В данном разделе мы рассмотрим регуляторы двух типов:
1) Одноступенчатые;
2) Многоступенчатые.
Одноступенчатый регулятор поддерживает только один уровень давления. Конструкция одноступенчатого регулятора показана на рис.5.11.
Рис. 5.11. Конструкция одноступенчатого регулятора давления масла.
Регулятор давления масла работает следующим образом. Масло от масляного насоса подаётся между двумя поясками плунжера, которые имеют одинаковые поперечные сечения и далее проходит в гидравлическую систему АКПП. По байпасному каналу А, выполненному в плунжере, масло подаётся в управляющую камеру регулятора. Давление, развиваемое в управляющей камере, уравновешивается пружиной регулятора.
Если давление в гидравлической системе превышает заданный уровень плунжер, под действием давления в управляющей камере, перемещается влево открывая канал сброса давления масла, который соединён с полостью всасывания масляного насоса. В результате давление в гидравлической системе снижается.
Если давление снизилось ниже допускаемого значения, плунжер под действием пружины перемещается вправо, перекрывая канал сброса давления, в результате чего давление в гидравлической системе нарастает.
Канал слива масла расположенный слева от плунжера выходит в картер АКПП. Его назначение заключается в том, чтобы при перемещениях плунжера влево или вправо при работе регулятора не создавалось избыточное давление или разрежение, которые нарушили бы нормальную работу регулятора. Кроме того, через этот канал сбрасывается масло, которое неизбежно просачиваются между корпусом и плунжером регулятора.
Многоступенчатые регуляторы применяются в гидравлической системе АКПП для снижения расхода топлива, который напрямую связан с уровнем давления в гидравлической системе АКПП.
Разберёмся с устройством многоступенчатого регулятора на примере АКПП серии F4A42. Конструкция регулятора представлена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Конструкция многоступенчатого регулятора давления АКПП серии F4A42.
Как и в случае с одноступенчатым регулятором, уровень давления определяется положением плунжера относительно сливного отверстия. Слева на клапан действует пружина, которая стремится сдвинуть клапан вправо. В правой части клапана есть четыре дополнительных пояска. Причём, чем правее расположен поясок, тем меньше его диаметр. Сила, появляющаяся в результате действия давления масла через порты 18A, 5A, 1A и 33A на пояски клапана, стремится сдвинуть клапан влево. Так, давление, поступающее через порт 1A, действует на два крайних правых пояска клапана в противоположных направлениях. Но диаметр D1 больше, чем диаметр D2 поэтому результирующая сила F1A будет направлена влево и равна:
(5.02)
F1A=P • (S1- S2),
где (S1- S2) - разница площадей поясков плунжера;
Р - давление подводимое в порт 1А и равное давлению, которое развивает масляный насос.
Для каждого из портов 18A, 5A, 1A и 33A площадь пояска клапана слева несколько больше чем справа. Следовательно, в результате появления давления масла в одном или нескольких портах, появится сила, действующая на клапан влево, навстречу действию пружины. Таким образом, плунжер клапана сдвинется левее при подаче давления в любой из портов 18A, 5A, 1A или 33A. В результате чего сечение, через которое жидкость из линии попадает в сливную магистраль, будет увеличено, а уровень давления, поддерживаемого регулятором, будет понижен.
Увеличение оборотов коленчатого вала приведёт к увеличению производительности насоса и к увеличению давления в линии. В результате чего, увеличится и сила, действующая на плунжер регулятора справа, что приведёт к дополнительному сжатию пружины и увеличению сечения соединяющего линию со сливной магистралью, что приведёт к снижению давления в линии до прежней величины. Таким образом, поддержание давления в линии на заданном уровне, вне зависимости от оборотов коленчатого вала двигателя, происходит путём изменения сечения, контролирующего поток масла из линии в сливную магистраль, путём перемещения плунжера клапана регулятора. При увеличении давления в линии плунжер клапана регулятора давления смещается левее, а при снижении - правее.
С другой стороны, наличие давления линии хотя бы в одном из портов 18A, 5A, 1A или 33A приводит к изменению уровня давления поддерживаемого регулятором. И чем в большее количество портов подводится давление, тем ниже давление в линии.
Схема подвода давления масла в управляющие камеры регулятора в зависимости от включенной передачи в АКПП показана на рис. 5.13.
Рис.5.13. Схема работы регулятора на различных передачах.
А - на 1-ой и 2-ой передачах. Давление в линии поддерживается на уровне 10 - 11бар.
Б - в режиме Parking (P) и Neutral (N). Давление в линии поддерживается на уровне 2,6 - 3,4 бар.
В - на 3-ей и 4-ой передачах. Давление в линии поддерживается на уровне 7,8 - 8,8 бар.
Рис.5.13(Г). Схема работы регулятора на задней передаче.
Давление в линии поддерживается на уровне 12,7 - 17,7бар.
Предохранительный клапан применяется для предотвращения повреждения элементов гидравлической системы АКПП от действия слишком высокого давления в случае выхода из строя основного регулятора давления. В АКПП, которые устанавливаются на автомобили HYUNDAI, в качестве предохранительных клапанов используются шариковые клапаны. Предохранительный клапан устанавливается параллельно основному регулятору давления, как показано на рис. 5.14.
Рис. 5.14. Схема установки предохранительного шарикового клапана АКПП F4A42.
1 - масляный поддон; 2 - масляный фильтр; 3 - масляный насос;
4 - предохранительный шариковый клапан; 5 - основной регулятор давления.
Если основной регулятор давления по каким-то причинам не способен ограничивать максимальный уровень давления, то в работу вступает предохранительный клапан. При превышении заданного уровня давления шарик преодолевает усилие пружины и отрывается от своего седла. В результате масло сбрасывается в картер АКПП и давление в гидравлической системе падает.
5.8. КЛАПАН ВЫБОРА РЕЖИМА РАБОТЫ АКПП (MANUAL VALVE)
Для того чтобы автомобиль с АКПП начал движение водитель должен переместить селектор АКПП либо в позицию D либо в позицию R. Разберёмся, что при этом происходит в АКПП. Селектор связан тросом с рычагом АКПП, который расположен непосредственно на корпусе АКПП. Рычаг АКПП механически связан с клапаном выбора режима, расположенным в гидравлическом блоке клапанов. Таким образом, перемещение селектора в салоне автомобиля сопровождается перемещением клапана выбора режима в гидравлическом блоке клапанов АКПП. Это единственный клапан в гидравлическом блоке клапанов которым управляет водитель. Все остальные клапаны гидравлического блока работают по командам блока управления АКПП и основного уравнения гидравлики: F = P • S; P = F / S.
Конструкция клапана выбора режима (в английской аббревиатуре он называется Manual Valve) может быть разной в зависимости от конкретной модели АКПП. В качестве примера на рис.5.15 показан клапан Manual Valve АКПП серии A4CF.
Рис. 5.15. Внешний вид клапана Manuale Valve АКПП серии A4CF.
Основным назначением клапана является направление потока масла к тем клапанам гидравлического блока, которые задействованы в выбранном диапазоне селектора. К остальным клапанам гидравлического блока клапан Manual Valve запрещает подачу масла. Например, при движении в режиме D масло не подводится к клапанам включающим заднюю передачу и наоборот, при движении в режиме R масло не подводится к клапанам, которые отвечают за включение передач движения вперёд. Такое конструктивное решение предотвращает повреждение АКПП связанное с неправильным выбором передач, например из-за неисправности электронного блока управления.