Электронные компоненты управления АКПП
Примечание: информация является универсальной и применима для всех типов АКПП независимо от производителя.
Содержание:
1. Электромагнитные клапаны управления переключениями передач
2. Датчики скорости вращения входного и выходного валов
3. Датчик температуры масла
4. Датчик положения дроссельной заслонки
5. Датчик положения селектора
6. Выключатель педали тормоза
7. Блок управления
8. Карты переключения передач
9. Управление процессом переключения передач
Вопреки вашим ожиданиям о чрезвычайно сложном устройстве системы управления АКПП со множественными электронными элементами, придётся вас разочаровать. Современные АКПП автомобилей HYUNDAI с электрогидравлическим управлением имеют минимальный набор датчиков и электрических элементов. Давайте перечислим их:
- электромагнитные клапаны управления переключением передач;
- датчик скорости вращения входного (первичного) вала АКПП;
- датчик скорости вращения выходного вала АКПП;
- датчик температуры масла в АКПП;
- датчик положения дроссельной заслонки;
- датчик положения селектора АКПП;
- выключатель педали тормоза;
- блок управления АКПП.
Разберёмся с устройством и назначением каждого из перечисленных элементов.
8.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КЛАПАНЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯМИ ПЕРЕДАЧ
Устройство клапанов может быть различным в зависимости от конкретной модели АКПП. Разберёмся с принципом работы электромагнитного клапана на примере АКПП серии F4A42.
Устройство электромагнитного клапана показано на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Устройство электромагнитного клапана переключения передач АКПП F4A42.
В корпус 7 электромагнитного клапана устанавливается стальной сердечник 3. К правому торцу корпуса 7 крепится катушка 1, в которую установлена возвратная пружина 2. Своим левым торцем сердечник упирается в запорный шариковый клапан 4. Пружина 5 постоянно прижимает шарик к сердечнику. Когда электромагнитный клапан выключен, пружина 2 толкает сердечник влево, прижимая его кромкой 6 к корпусу 7 клапана, при этом левый торец сердечника отрывает шариковый клапан 4 от седла и, тем самым, доступ масла от масляного насоса к клапану управления включением фрикционного элемента открыт.
Кромка 6 сердечника клапана воспринимает давление масляного насоса, значение которого весьма большое и доходит до 20бар. Как уже говорилось в главе 5, усилие, которое должна развивать пружина в этом случае определяется по формуле : F = P-S. Таким образом, мы должны применять мощную возвратную пружину сердечника и, как следствие, мощный электромагнит. Это приводит к неоправданным увеличениям габаритных размеров электромагнитных клапанов и потерям электрической энергии в катушке клапана. Поэтому все электромагнитные клапаны АКПП управляют включением / выключением не самого фрикционного элемента, а клапаном управления. Сочетание клапана управления и электромагнитного клапана получило название гидрореле. Сердечник электромагнитного клапана имеет минимальные габаритные размеры и подаёт масло на клапан управления фрикционным элементом. Клапан управления фрикционным элементом имеет большие габаритные размеры, чем электромагнитный клапан, тем самым обеспечивая необходимое проходное сечение для подачи масла к гидроцилиндру фрикционного элемента.
Соответственно, работа гидрореле заключается в следующем: небольшой управляющий поток масла управляет большим потоком масла для включения / выключения фрикционного элемента.
Схема работы гидрореле при включенном фрикционном элементе показана на рис.8.2.
Рис.8.2. Схема работы гидрореле при включенном фрикционном элементе.
Как уже говорилось, при выключенном электромагните, шариковый клапан открыт и поток масла устремляется к правому торцу клапана управления фрикционным элементом. В результате плунжер клапана управления смещается влево, открывает доступ масла к фрикционному элементу и фрикционный элемент включается.
Для выключения фрикционного элемента блок управления подаёт напряжение на электромагнитный клапан и сердечник клапана смещается вправо, преодолевая усилие своей возвратной пружины. В результате шариковый клапан садится на своё седло и перекрывает проход масла к правому торцу клапана управления фрикционным элементом. Кроме того, кромка 6 сердечника (см.рис.8.1) подключает магистраль правого торца клапана управления фрикционным элементом к сливу. Поэтому плунжер клапана управления фрикционным элементом перемещается вправо и перекрывает доступ масла от масляного насоса к фрикционному элементу и одновременно соединяет магистраль фрикционного элемента со сливом.
Схема работы гидрореле при выключенном фрикционном элементе показана на рис. 8.3.
Рис. 8.3. Схема работы гидрореле при выключенном фрикционном элементе.
Ключевую роль в процессе включения и выключения фрикционного элемента играет блок управления АКПП. Он задаёт скорость перемещения сердечника электромагнитного клапана, а значит и скорость включения или выключения фрикционного элемента, для мягкого переключения передач.
Давайте разберёмся, каким образом можно задать скорость перемещения сердечника электромагнита. Совершенно очевидно, что скорость перемещения сердечника будет зависеть от напряжения, которое приложено к обмотке электромагнита. Под действием приложенного напряжения по обмотке электромагнита начинает протекать электрический ток, создающий магнитное поле, которое заставляет сердечник перемещаться. Блок управления меняет напряжение таким образом, чтобы добиться оптимальной скорости перемещения сердечника электромагнита и, следовательно, мягкого включения фрикционного элемента.
В современных АКПП для включения и выключения электромагнитных клапанов используются сигналы широтно-импульсной модуляции (в английской аббревиатуре PDM -Pulse Duration Modulation или PWM -Pulse Width Modulation).
Пример сигнала широтно-импульсной модуляции показан на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Примеры сигналов широтно-импульсной модуляции.
А - скважность сигнала управления 66%;
Б - скважность сигнала управления 50%.
Периодом сигнала Т называется промежуток времени от начала импульса до начала следующего импульса. Как показано на рис. 8.4 (А), за один период амплитуда сигнала резко меняет своё значение от минимального значения (0V) до максимального значения (15,8V). Частотой управляющего сигнала называется количество периодов сигнала в течении одной секунды: (8.01)
f = 1 / Т,
где f - частота сигнала, Гц;
Т - период сигнала, сек.
Время, в течение которого амплитуда сигнала равна минимальному значению называется временем выключенного состояния сигнала tвыкл.
Время, в течение которого амплитуда сигнала равна максимальному значению, называется временем включенного состояния сигнала tвкл.
Сигнал широтно-импульсной модуляции характеризуется параметром, называемым скважностью:
DUTY = (tвкл / Т)-100% где DUTY - скважность сигнала, %.
(8.02)
Блок управления выбирает необходимую скважность управляющего сигнала при неизменной частоте для включения или выключения электромагнитного клапана. Чем больший отрезок времени в течение периода на электромагнитный клапан подаётся напряжение, тем больший ток протекает по обмоткам электромагнита, соответственно, тем с большей скоростью втягивается сердечник электромагнитного клапана.
8.2. ДАТЧИКИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВХОДНОГО И ВЫХОДНОГО ВАЛОВ АКПП
В современных автоматических коробках передач датчики скорости вращения входного и выходного валов выполняют следующие важные функции.
1. Датчик скорости вращения входного вала АКПП совместно с датчиком скорости вращения двигателя служат для определения блокировки гидротрансформатора.
2. Датчик скорости вращения входного вала совместно с датчиком скорости вращения выходного вала служат для проверки пробуксовки фрикционов муфт и тормозов. Эта превентивная мера позволяет избежать серьёзных последствий пробуксовки фрикционов и повышает надёжность АКПП.
3. Датчик скорости вращения выходного вала определяет скорость автомобиля, что является важнейшим параметром для определения момента переключения передач.
В современных АКПП автомобилей HYUNDAI в качестве датчиков скорости вращения входного и выходного валов применяются датчики Холла и магниторезистивные датчики. В технической документации датчики входного и выходного валов называются PG-A (Pulse Generator-A) и PG-B(Pulse Generator-B) соответственно. Осциллограмма датчиков PG-A и PG-B показана на рис.8.5.
Рис. 8.5. Пример осциллограммы сигналов датчиков входного и выходного валов с элементами Холла АКПП серии A4CF.
8.3. ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ МАСЛА В АКПП
На основании показаний датчика температуры масла блок управления определяет вязкость масла для выбора оптимальной скорости включения / выключения фрикционных элементов при переключениях передач. Кроме того, если температура масла в АКПП превышает максимально допустимое значение (в разных автомобилях максимально допустимая температура масла может быть различной),то блок управления АКПП включает аварийный режим. Например, он может подать команду на снижение крутящего момента двигателя в блок управления двигателем, включить контрольную лампу на панели приборов или принудительно заблокировать гидротрансформатор. Выбор конкретного режима будет зависеть от марки автомобиля, модели АКПП и версии программного обеспечения.
Внешний вид датчика температуры АКПП серии A4CF и его температурная характеристика показана на рис.8.6.
Рис. 8.6. Внешний вид датчика температуры АКПП A4CF1 и его температурная характеристика.
8.4. ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКИ
Это основной датчик в алгоритме переключения передач АКПП. Блок управления АКПП определяет желание водителя о выборе скоростного режима движения на основании показаний датчика, и переключает передачи в АКПП как в сторону повышения, так и в сторону понижения. Сигнал о положении дроссельной заслонки поступает в блок управления АКПП из блока управления двигателем.
8.5. ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ СЕЛЕКТОРА АКПП
Блок управления АКПП получает сигнал от датчика положения селектора (в английской аббревиатуре Transaxle Range Switch) и на основании этого сигнала выбирает электромагнитные клапаны, на которые он должен подать сигнал для начала движения автомобиля. Именно этот датчик показывает блоку управления АКПП требуемое направление движения - либо мы хотим ехать вперёд, либо назад. Кроме того, датчик положения селектора позволяет заводить двигатель автомобиля только в двух положениях селектора P и N. Внешний вид датчика показан на рис. 8.7.
Рис. 8.7. Датчик положения селектора АКПП.
Иногда этот датчик требует регулировки, например, при невозможности запуска двигателя или при невозможности движения автомобиля после перемещения селектора в положения D или R.
Порядок регулировки датчика следующий.
1. Установить селектор переключения режимов в положение N.
2. Ослабить болты крепления датчика и повернуть датчик так, чтобы отверстие на конце рычага переключения клапана Manual Valve и отверстие на корпусе датчика совместились.
3. Затянуть болты крепления корпуса датчика с номинальным моментом затяжки. На
данном этапе следует соблюдать осторожность, чтобы не изменить положение датчика.
4. Убедиться, что АКПП нормально работает в каждом положении селектора при помощи диагностического сканера.
5. Проверить возможность запуска двигателя в положениях P и N.
8.6. ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕДАЛИ ТОРМОЗА
Сигнал выключателя педали тормоза используется в программе управления АКПП для следующих целей.
1. Запрет случайного включения задней передачи. Невозможно переместить селектор АКПП из положения P или N до тех пор, пока не будет нажата педаль тормоза. В качестве фиксатора, блокирующего перемещения селектора используется сердечник электромагнита, который установлен в центральной консоли. Такая блокировка применяется, например, на автомобиле HYUNDAI i-30.
2. По сигналу выключателя педали тормоза блок управления АКПП подаёт управляющий сигнал на электромагнитный клапан гидравлического блока клапанов для разблокировки гидротрансформатора во избежание останова двигателя при торможении автомобиля в режиме D.
3. Сигнал выключателя педали тормоза используется в алгоритме адаптивного управления АКПП. Алгоритм адаптивного управления рассмотрен в главе 10.
В АКПП с электронным блоком управления любое переключение передач происходит исключительно по командам блока управления. Ни одна передача в АКПП не включается без участия блока управления. От программы управления переключениями зависит мягкость переключения передач и время переключения передач, поэтому роль блока управления трудно переоценить. Тем не менее, разработчики АКПП всегда предусматривают возможность работы АКПП без участия блока управления, на случай его выхода из строя. Автомобиль с АКПП может двигаться как вперёд, так и назад даже при полном отказе блока управления, т.е. когда он не подаёт команды на электромагнитные клапаны гидравлического блока. Такой режим называется аварийным режимом работы АКПП.
8.8. КАРТЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ АКПП
Как уже неоднократно говорилось, в АКПП переключение передач происходит исключительно по командам блока управления, даже если водитель вручную переключает передачи с помощью диапазона + / - селектора переключения. Блок управления принимает решение о переключении на ту или иную передачу на основании анализа информации полученной от разных датчиков. Для переключения передач блок управления использует специальные карты переключения, которые составляются разработчиками программного обеспечения и хранятся в его постоянной памяти.
Давайте разберёмся, как правильно анализировать карту переключения передач на примере 4-х ступенчатой АКПП. На рис.8.8 показан пример карты переключения повышающих передач.
Рис. 8.8. Пример карты переключения повышающих передач. 1 - зона работы первой передачи; 2 - зона работы второй передачи; 3 - зона работы третьей передачи; 4 - зона работы четвёртой передачи.
Карта переключения представляет из себя координатное поле, по горизонтальной оси которого откладывается скорость автомобиля, а по вертикальной угол открытия дроссельной заслонки. Красные линии соответствуют моментам переключения передач. Например, с первой передачи на вторую передачу переключение может произойти при скорости 22км/ч и степени открытия дроссельной заслонки 20%(точка А), а может произойти при 42 км/час и степени открытия дроссельной заслонки 50% (точка Б). Если дроссельная заслонка открыта полностью (точка В), то переключение с первой передачи на вторую передачу произойдёт при 60 км/час. Т.е. блок управления оценивает нагрузку на двигатель по степени открытия дроссельной заслонки и скорости автомобиля. На основании рассмотренного примера можно сделать важный вывод: чем больше степень открытия дроссельной заслонки, тем выше скорость автомобиля, при которой произойдёт переключение АКПП на повышенную передачу.
В качестве ещё одного примера рассмотрим случай когда водитель воздействует на педаль управления дроссельной заслонкой по закону Г. Он достаточно резко нажимает на педаль акселератора в начальный момент движения автомобиля, а после того как дроссельная заслонка открылась на 40% удерживает педаль акселератора. Соответственно переключение с 1-ой передачи на 2-ю передачу произойдёт при скорости 37км/час, со 2-ой на 3-ю при 74км/час, а с 3-ей на 4-ю при 105 км/час.
Если во время движения автомобиля на 2-ой передаче со скоростью 60км/час водитель резко бросает педаль акселератора(диаграмма Д), согласно карте переключения, блок управления сначала включит 3-ю передачу при степени открытия дроссельной заслонки 27%, затем 4-ю передачу при степени открытия дроссельной заслонки 12%. Однако блок управления может сразу включить 4-ю передачу минуя 3-ю передачу при высокой скорости закрытия дроссельной заслонки.
Если скорость автомобиля снижается, а угол открытия дроссельной заслонки увеличивается, например, при движении в гору или по глубокому снегу, блок управления будет включать понижающие передачи и соответственно использовать карту переключения понижающих передач. Пример карты переключения понижающих передач показан на рис.8.9.
Рис. 8.9. Пример карты переключения понижающих передач.
1 - зона работы первой передачи; 2 - зона работы второй передачи;
3 - зона работы третьей передачи; 4 - зона работы четвёртой передачи.
Принцип переключения передач остаётся прежним. Для примера рассмотрим случай торможения двигателем. Торможение двигателем происходит при степени открытия дроссельной заслонки 0%, например, по закону А диаграммы. Переключение с 4-ой передачи на 3-ю передачу произойдёт при 45км/час, с 3-ей на 2-ю при 25км/час, со 2-й на 1-ю при 6км/час.
Если водитель нажимает на педаль акселератора, но скорость автомобиля продолжает снижаться, как показано на диаграмме Б, то переключение с 4-ой передачи на 3-ю происходит при 60км/час и 36% открытия дроссельной заслонки, а переключение с 3-ей передачи на 2-ю передачу происходит при 40км/час и 48% открытия дроссельной заслонки.
Диаграмма В соответствует резкому открытию дроссельной заслонки на 100%, причём скорость автомобиля в этом случае не может увеличиться мгновенно. Резкое открытие дроссельной заслонки в работе АКПП называется режимом Kick Down, что в буквальном переводе означает ударное переключение на понижающую передачу.
Согласно диаграмме, переключение с 4-ой передачи на 3-ю передачу произойдёт при 53% дроссельной заслонки, а переключение с 3-ей на 2-ю передачу при 86% открытия дроссельной заслонки. В действительности, блок управления сразу переключает АКПП с 4-ой передачи на 2-ю, минуя 3-ю передачу. Это позволяет водителю уверенно совершать обгон или интенсивно разгонять автомобиль. Блок управления может переключать АКПП сразу на две передачи вниз, как показано на диаграмме В, только если это позволяют карты переключения. Например, если водитель полностью открывает дроссельную заслонку как показано на диаграмме Г, то переключение будет происходить только с 4-ой передачи на 3-ю передачу. Такой алгоритм предотвращает выход из строя двигателя автомобиля из-за слишком высоких оборотов.
Если водитель использует переключение передач в ручном режиме при помощи переключателя + / - селектора, то используются отдельные карты переключения повышающих передач, которые отличаются от карт переключения в автоматическом режиме. Пример карты переключения повышающих передач в ручном режиме показан на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Пример карты переключения повышающих передач в ручном режиме.
1 - зона работы первой передачи; 2 - зона работы второй передачи;
3 - зона работы третьей передачи; 4 - зона работы четвёртой передачи.
В данном случае диаграммы переключения передач представляют собой вертикальные линии. Они показывают при какой скорости автомобиля произойдёт переключение на следующую повышающую передачу, в случае, если водитель по каким-то причинам не переключает передачи самостоятельно, хотя выбрал режим + / -. Этот алгоритм позволяет предотвратить повреждение двигателя из-за слишком высоких оборотов. Блок управления в данном случае опирается на значение максимально допустимых оборотов двигателя (например 6500 об/мин) при превышении которых происходит переключение на следующую передачу.
В качестве карт переключения понижающих передач при ручном переключении могут использоваться те же карты, что и в автоматическом режиме.
В современных АКПП всех производителей используют алгоритмы адаптации карты переключения под стиль вождения конкретного водителя. Идея заключается в том, что кто-то предпочитает спокойный стиль езды, кто-то агрессивный, а кто-то промежуточный стиль езды из перечисленных. Поэтому использование только одной карты переключения повышающих передач и одной карты переключения понижающих передач в автоматическом режиме означает многочисленные нарекания владельцев автомобилей. На рис. 8.11 показана карта переключения передач с учётом работы логики адаптации.
Рис. 8.11. Карта переключения повышающих передач с использованием логики адаптации.
При переключении с 1-ой передачи на 2-ю передачу логика адаптаций не используется. Логика адаптаций используется при переключении со 2-й передачи на 3-ю передачу и с 3-ей передачи на 4-ю передачу. Заштрихованные зоны А и Б показывают, что переключения на соответствующие передачи могут происходить по любой из множества диаграмм в пределах соответствующей зоны. Чем более агрессивный стиль вождения предпочитает водитель, тем правее смещается диаграмма переключения передач в пределах очерченных зон. Такой алгоритм вполне логичен, так как агрессивный стиль вождения подразумевает под собой резкие разгоны, поэтому пониженные передачи работают больший отрезок времени, быстрее разгоняя автомобиль.
И наоборот, чем более спокойный стиль езды предпочитает водитель, тем раньше включаются повышенные передачи.
Более подробно работа адаптивной логики рассмотрена в разделе 10.
Понижающие карты переключений используют такой же принцип работы - чем более агрессивный стиль вождения, тем раньше включаются понижающие передачи.
8.9. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ
Для обеспечения мягкого переключения передач блок управления АКПП воздействует на электромагнитные клапаны переключения передач в АКПП и обменивается необходимой информацией с блоком управления двигателем. Например, для снижения рывка в момент переключения передач блок управления двигателем, по команде блока управления АКПП, уменьшает угол опережения зажигания для снижения крутящего момента. Кроме того, если в какой-то момент времени блок управления АКПП контролирует процесс переключения передач, то блок управления двигателем запрещает включение компрессора кондиционера, поскольку это может привести к повышенной нагрузке на двигатель и, таким образом, к отклонению от нормального процесса переключения.
Рассмотрим процесс переключения передач. Для переключения передач блок управления должен подать команду на включение и выключение соответствующих фрикционных элементов. Т.е., в процессе переключения происходит проскальзывание как в подключаемом, фрикционе, так и в отключаемом фрикционе. Это достигается подбором скорости сброса давления в отключаемом фрикционе и скорости нарастания давления в подключаемом фрикционе. Пример зависимости изменения давления в процессе переключения передач показан на рис.8.12.
Рис. 8.12. Зависимость изменения давления в гидроцилиндрах отключаемого и подключаемого фрикционных элементов в процессе переключения передач.
Слишком быстрое выключение фрикциона приводит к увеличению оборотов двигателя, так как отключаемый элемент начинает интенсивно буксовать, а слишком быстрое включение фрикционного элемента приводит к одновременному включению нескольких передач, что сопровождается ударом.
Кинематическая схема АКПП строится таким образом, чтобы при переключении передач управлять минимальным количеством фрикционных элементов. Например, в АКПП серий A4CF при переключении с первой передачи на вторую блок управления АКПП управляет включением только одного фрикционного элемента, что значительно упрощает алгоритм управления. Кроме того, между двумя соседними передачами должен быть фрикционный элемент, который не требует управления. Такое решение упрощает не только процесс переключения, но и диагностику АКПП.