АКПП с мокрым сцеплением

Сцепление — это устройство для передачи вращения, которое способно прерывать эту передачу. В классическом виде в этом процессе участвуют две вращающиеся поверхности (диски). Одна из этих поверхностей является ведущей и связана с двигателем, а другая является ведомой и связана с трансмиссией. Ведущая поверхность передаёт ведомой поверхности крутящий момент от двигателя к трансмиссии. Когда эти поверхности разобщены, передача крутящего момента не происходит. Когда они соприкасаются, то под действием силы трения ведомая поверхность вращается вместе с ведущей — так происходит передача крутящего момента.

В автомобилях с механической трансмиссией сцепление служит просто для отключения или включения соединения двигателя с трансмиссией при начале движения, переключении передач и т. п. Такое сцепление обычно бывает сухим. Иногда оно бывает мокрым (влажным), т. е. находится в охлаждающей смазывающей жидкости. В этом случае, как правило, механическая коробка передач и сцепление омываются одним и тем же общим маслом.

За исключением так называемых роботизированных трансмиссий, где операции по включению и отключению сцепления и переключению передач происходят по такому же принципу, как и в механических трансмиссиях, только выполняются автоматикой, в автоматических трансмиссиях сцепление в классическом виде отсутствует. В ранних вариантах АКПП роль сцепления выполняла гидромуфта, на смену которой затем пришёл гидротрансформатор.

Гидромуфта — это устройство, которое осуществляет передачу крутящего момента с помощью жидкости. Главные его элементы — это находящиеся в герметичном корпусе лопастные колёса, которые находятся максимально близко друг к другу, не соприкасаясь. По аналогии с классическим сцеплением, одно из этих колёс связано с ведущим валом (от двигателя), а другое — с ведомым (к трансмиссии). Ведущее колесо (насос) нагнетает жидкость, а ведомое колесо (турбина) вращается под воздействием потока этой жидкости.

Главное преимущество перед классическим сцеплением — отсутствие необходимости соединять и разъединять трущиеся поверхности, что упрощает управление автомобилем при переключении скорости, начале движения, резком торможении и т. п. Турбинное колесо в этих случаях блокируется, а насосное колесо продолжает вращаться, при этом энергия потока жидкости превращается в тепловую энергию. Основные недостатки такого гидропривода — худшая по сравнению с классическим сцеплением эффективность передачи крутящего момента из-за потерь на трение жидкости, а также возникающий из-за этого трения нагрев.

Гидротрансформатор, или конвертор крутящего момента (по-английски — torque converter) — это усовершенствованный тип гидромуфты, который способен автоматически и бесступенчато изменять крутящий момент, передаваемый к трансмиссии. Достигается это за счёт того, что между ведущим (насосным) и ведомым (турбинным) колёсами находится статор. Статор — это устройство, которое в случае значительной разницы между оборотами насосного и турбинного колёс (насосное колесо вращается быстрее) находится в неподвижном состоянии и регулирует ток жидкости таким образом, что большая её часть распределяется на насосное колесо, в результате чего возникает эффект увеличения крутящего момента.

Существуют три основных стадии работы гидротрансформатора.

1. Насосное колесо вращается, но турбинное колесо вращаться не может и находится неподвижно (когда водитель включил передачу, но не даёт автомобилю двигаться, нажимая на педаль тормоза). В таком состоянии, при отпускании педали тормоза, гидротрансформатор может воспроизвести максимальное увеличение крутящего момента, которое при подаче достаточной мощности от двигателя способно сдвинуть автомобиль с места. Такая стадия обычно длится недолго. При этой стадии происходит повышенный нагрев гидротрансформатора из-за повышенного трения жидкости.
2. Турбинное колесо вращается, но значительно медленнее, чем насосное (автомобиль разгоняется). В таком состоянии гидротрансформатор воспроизводит увеличение крутящего момента, которое уменьшается по мере уменьшения разницы между оборотами насосного и турбинного колёс.
3. Скорость вращения турбинного колеса близка к скорости вращения насосного колеса (автомобиль достиг определённой скорости). В таком состоянии эффект увеличения крутящего момента очень слаб, и, более того, статор уже мешает свободному току жидкости, поэтому срабатывает особое устройство, которое называется обгонной муфтой. Обгонная муфта разблокирует статор и позволяет ему вращаться вместе с турбинным колесом, устраняя препятствие на пути свободного тока жидкости. Наиболее понятный пример применения обгонной муфты — в велосипедном приводе. Когда велосипедист прекращает крутить педали, а велосипед продолжает двигаться, то обгонная муфта отключает колесо от педалей, что позволяет педалям оставаться неподвижными. Принцип действия обгонной муфты сродни принципу действия храпового механизма, который позволяет оси вращаться в одном направлении и, заклинивая, не позволяет вращаться в другом. Этот принцип применяется в гаечных ключах, заводных механизмах, турникетах, лебёдках, домкратах и т. п. Обгонная муфта — более сложное устройство, которое прерывает подачу крутящего момента в случае возникновения нежелательной разницы в скорости вращения ведущей и ведомой осей. К примеру, в стартерах двигателей обгонная муфта предотвращает поломку стартера после того, как двигатель завёлся и стал вращаться быстрее стартера. В гидротрансформаторе обгонная муфта блокирует вращение статора, и позволяет ему вращаться только после того, как разница в скорости вращения насосного и турбинного колёс уменьшится до определённой величины.

После повышения требований к экономичности автомобилей, в конструкции современных гидротрансформаторов появился ещё один механизм — жёсткая блокировка, которая при достижении определённой скорости физически связывает насосное и турбинное колёса, обеспечивая обычную механическую связь, которая более эффективно передаёт крутящий момент, чем гидромеханическая (поток жидкости), и способствует уменьшению расхода топлива. В последнее время появились усовершенствованные варианты такой блокировки с применением фрикционов, незначительно проскальзывающих друг относительно друга при разгоне на скорости ниже той, при которой происходит жёсткая блокировка, а также при снижении скорости. Это увеличивает эффективность привода и ещё больше снижает расход топлива.

Таким образом, гидротрансформаторы современных АКПП являются сложными устройствами, не только обеспечивающими плавность передачи крутящего момента от двигателя к трансмиссии, но и способными увеличивать крутящий момент и приспосабливаться к текущим условиям езды.

Однако, при всех усовершенствованиях, один лишь гидротрансформатор не может обеспечить достаточную эффективность изменения крутящего момента, и для его нормальной работы в широком диапазоне скоростей требуется его комбинация с механическим устройством изменения передаточного числа. Таким устройством является планетарный редуктор (в некоторых АКПП фирмы Honda вместо него применены параллельные валы с шестернями, как на механической коробке передач). Планетарный редуктор представляет собой устройство, состоящее из нескольких планетарных шестерён, вращающихся вокруг центральной шестерни, которая называется солнечной. Переключение скорости (изменение передаточного числа) происходит путём сообщения или разобщения отдельных элементов планетарного редуктора, которое производят фрикционные муфты (фрикционный пакет). Сжатие пакетов кольцеобразных фрикционных дисков гидравлическим поршнем приводит к тому, что одни элементы планетарного редуктора делаются неподвижными, а другие начинают вращаться, в результате чего происходит изменение передаточного числа и передаваемого колёсам крутящего момента. Фрикционные диски омываются жидкостью (маслом АКПП), образуя, таким образом, мокрое сцепление. Жидкость сохраняет фрикционные поверхности в чистоте, охлаждает их и увеличивает срок службы. Кроме того, особые свойства жидкости обеспечивают необходимый баланс между трением и скольжением, который важен для правильной работы фрикционного пакета.

Управляет работой АКПП сложная система автоматики, которая направляет потоки находящейся под давлением жидкости к поршням фрикционных муфт путём открытия и закрытия соответствующих клапанов. Поначалу автоматика была гидравлической и использовала давление жидкости, исходящее из гидромуфты (гидротрансформатора) и центробежного регулятора, который соединён с выходным валом редуктора, а также гидравлические сигналы в виде того же давления, говорившие о степени нажатия водителем педали газа и выбранном им положении рукоятки селектора. При изменении скорости автомобиля и оборотов двигателя изменялась разница этих давлений, заставляя те или иные группы клапанов открываться или закрываться. Другими словами, источником информации для автоматической системы было давление жидкости, исходившее из нескольких мест. Оно же приводило в действие регулирующий механизм клапанов.

С развитием электроники появились электронные системы автоматики. Контроль над переключением передач здесь осуществляет электронный блок управления, который собирает и анализирует информацию о положении педали газа, скорости автомобиля, положении рукоятки селектора и других факторах, на основе чего принимает решение и отдаёт электрические команды электромагнитным устройствам — соленоидам, открывающим и закрывающим клапаны.

В прошлом редукторы АКПП в большинстве своём имели 3 или 4 передачи переднего хода, но в настоящее время даже на недорогих моделях получают распространение 5- и 6-ступенчатые АКПП, а на автомобилях более высокого класса количество ступеней достигает 7 и даже 8. Чем больше ступеней, тем меньше толчков и ударов при переключении передач, тем точнее работа АКПП, тем больше плавность езды. Отрицательная сторона большого количества ступеней — это огромное количество деталей, из-за чего увеличивается масса и стоимость АКПП.

Чрезвычайно важным компонентом современной АКПП является её жидкость (Automatic Transmission Fluid, ATF). В обиходе её называют маслом, однако, в отличие от масла двигателя, масло АКПП не только оказывает смазочный и антикоррозийный эффект. Масло АКПП является гидравлическим посредником в передаче механической энергии в гидротрансформаторе, поршнях фрикционных муфт и т. п., и качество этой работы зависит от вязкости и других параметров масла, обеспечивающих эффективность гидропривода и своевременность выбора и переключения передач.

Ещё одна важная функция масла АКПП — это поддержание необходимой стабильности силы трения во фрикционном пакете. Если её нет, то возникают удары, толчки и проскальзывания. Если вовремя не заметить появившийся недуг и запустить его, то это может полностью нарушить работу фрикционного пакета, а следом и других компонентов АКПП, поэтому масло АКПП, как и весь этот агрегат в целом, нуждается во внимательном к себе отношении и бережном уходе. В качестве одной из мер такого ухода послужит применение добавок в масло АКПП. Марка Frontier предоставляет выбор добавки в масло АКПП с учётом пробега автомобиля. Ориентировочной границей между малым и большим пробегом условно является пробег в 30.000 километров. Разница между малым и большим пробегом заключается в состоянии поверхностей фрикционных дисков, которое изменяется по мере увеличения пробега автомобиля и в зависимости от степени этого изменения требует разного подхода к профилактике и лечению болезней поверхностей фрикционных дисков. При малом пробеге требуется улучшение смазочного эффекта, чтобы уменьшить возникшие толчки и удары при переключении передач (Car Doctor Anti-Shock Анти-Шок и Grand Frontier AT-Mission). При большом пробеге, когда у фрикционных дисков имеется определённый износ, при возникновении толчков и ударов во время переключения передач требуется увеличение силы трения и оказание эффекта противоскольжения (Car Doctor Shift Up Быстрое Переключение и Grand Frontier Torcon).

Основное отличие между добавками в масло АКПП серии Car Doctor и более дорогой серии Grand Frontier заключается в том, что последние, кроме оказания влияния на состояние поверхностей фрикционных дисков, обладают дополнительными функциями, предотвращающими ухудшение и улучшающими качество работы АКПП, и особенно рекомендуются для автомобилей класса люкс и автомобилей европейских производителей.

Следует обратить внимание на то, в каких типах автоматических трансмиссий не следует применять эти добавки. В общем, как указано в инструкциях по применению добавок в масло АКПП, это трансмиссии, которые не являются АКПП с мокрым сцеплением.

В первую очередь, применение в автомобилях, оснащённых бесступенчатой трансмиссией (вариатором, CVT) не допускается.

Принципы работы бесступенчатых трансмиссий и АКПП с мокрым сцеплением совершенно разные, и эффект добавок, производимый на фрикционные диски, в бесступенчатых трансмиссиях совершенно не нужен.

В одной из инструкций по применению добавок в масло АКПП в качестве одного из примеров, где использование данной добавки невозможно, приведены ранние лёгкие модели Subaru (Justy и т. п. ). Речь идёт об автоматической трансмиссии, разработанной компанией Фудзи Хеви Индастриз (Fuji Heavy Industries), одно из подразделений которой производит автомобили марки Subaru. Это была бесступенчатая трансмиссия с электромагнитным сцеплением, которая со второй половины 1980-х годов устанавливалась на лёгких автомобилях Subaru: с 1987 года на Justy (1984–1994) и Rex (1972–1992), с 1990 года — на Sambar (начав выпускаться как малолитражный грузовик и грузовой микроавтобус и пройдя ряд полных смен и дополнений модельного ряда, выпускается с 1961 года по настоящее время), с 1992 года — на Vivio (1992–1998), с 1994 года — на Domingo (1983–1998), и т. д. Эта трансмиссия имеет название ECVT (Electro Continuously Variable Transmission), и считается первой в мире бесступенчатой трансмиссией. Особого успеха на рынке она не имела. Особенности поведения, отличавшие её от обычной АКПП (движение рывками на низкой скорости и т. п. ), вызывали у потребителей недопонимание. Более того, уровень технологий того времени не смог обеспечить ту надёжность этой трансмиссии, какой уже обладали обычные АКПП. Основной проблемой являлись поломки электромагнитного сцепления при высоких нагрузках, как это часто возникало при эксплуатации Sambar, и с 1995 года, за исключением некоторых версий, на Sambar и Vivio (грузовые версии) стали устанавливаться обычные 3-ступенчатые АКПП. Начиная с Pleo (начала выпускаться с 1998 года), в сочетании с бесступенчатой трансмиссией вместо электромагнитного сцепления стал применяться гидротрансформатор, или конвертор крутящего момента, как у обычных АКПП.

Другой пример, указанный в инструкции по применению добавки в масло АКПП в качестве невозможности её применения, является трансмиссия Isuzu Navi-5.

Navi-5 использовалась в легковых автомобилях марки Isuzu — первом поколении Aska (с 1985 по 1989 годы) и втором поколении Gemini (с 1987 по 1990 годы), а также устанавливалась в грузовых автомобилях Elf четвёртого поколения (с 1986 года). В корне отличаясь от обычной в настоящее время АКПП с использованием гидропривода и планетарного редуктора, Navi-5 имеет аналогичные механической трансмиссии сцепление (сухое сцепление) и коробку передач, в которой автоматическое переключение скоростей осуществляет компьютер путём механического управления. Ожидалось, что благодаря более непосредственному по сравнению с обычной АКПП переключению передач будет достигнуто уменьшение потерь при передаче движущей силы и расхода топлива, однако компьютерные технологии того времени не могли обеспечить точное управление системой. В автоматическом режиме момент переключения скорости система выбирала неудачно, а в ручном режиме при переключении скорости возникал некоторый сдвиг по времени. Из-за отсутствия обычного для классических АКПП эффекта движения на холостых оборотах, при котором автомобиль трогается при убирании ноги с педали тормоза, а также других особенностей, вождение с такой трансмиссией требовало определённых навыков. После прекращения выпуска маркой Isuzu легковых автомобилей такая трансмиссия продолжала разрабатываться для грузовиков, а в настоящее время, главным образом в Европе, подобный тип трансмиссии начинает появляться на спортивных автомобилях.

В современном автомобилестроении массово применяются и успешно развиваются следующие типы автоматических трансмиссий:

1. с использованием ступенчатого редуктора, который управляется фрикционным пакетом с мокрым сцеплением (обычные АКПП, для которых и предназначены добавки в масло АКПП марки Frontier);
2. с использованием шкивов переменного диаметра, с ременным или цепным приводом, то есть бесступенчатые трансмиссии (вариаторы, CVT);
3. работающие по принципу механических трансмиссий, но использующие автоматику для включения и выключения сцепления и переключения передач (роботизированные трансмиссии).

Вы находитесь в разделе Инфо-кафе. Здесь можно не спеша, имея немного свободного времени, почерпнуть или освежить в памяти сведения, которые окажутся полезными для правильного применения добавок и лучшего понимания изложенной в других разделах сайта информации.