Устройство и принцип работы гидротрансформатора АКПП

Преобразователь автоматической трансмиссии (ATC) — это компонент трансмиссии, расположенный между двигателем и механизмом переключения передач. Он работает по закону гидромеханики и является частью гидравлической системы автоматической коробки передач. Устройство требует регулярного технического обслуживания. Для того чтобы его можно было отремонтировать, его необходимо обслужить.

Устройство гидротрансформатора АКПП

Что такое гидротрансформатор в автоматической коробке передач, или «пузырь», как его называют механики? Гидротрансформатор — это гидравлический привод, соединяющий двигатель и автоматическую коробку передач без жесткого соединения. Он действует как сцепление по аналогии с механической коробкой передач.

Гидравлические трансмиссии бывают двух видов: с гидромуфтой и гидротрансформатором. Разница между ними заключается в способности трансформатора преобразовывать крутящий момент. Жидкостное сцепление, с другой стороны, может только передавать. «Сцепление в автоматической коробке передач работает в обоих режимах, поэтому ее можно назвать гибридной установкой.

Зачем в автоматической коробке передач нужен гидротрансформатор? Он служит нескольким целям:

• он обеспечивает бесступенчатое переключение передач и плавный ход;
• поглощает вибрации и удары двигателя и коробки передач, продлевая их срок службы;
• позволяет двигателю работать на холостом ходу;
• помогает при торможении двигателем;
• улучшает характеристики управляемости на пересеченной местности за счет непрерывной передачи крутящего момента двигателя на колеса.

Конструкция гидротрансформатора в автоматической коробке передач основана на законах гидравлики. Механическая сила двигателя преобразуется в гидравлическую энергию за счет потока жидкости в полости гидротрансформатора. Это создает давление и кинетическую энергию, которая заставляет вращаться приводной вал. А от него крутящий момент передается на планетарный механизм переключения передач.

Теоретически, автоматическая коробка передач может состоять только из гидротрансформатора. Однако на более высоких скоростях его эффективность резко падает. Передаточное число сцепления ограничено. Он не может обеспечить задний ход или достаточное количество передач. По этой причине за гидротрансформатором в автоматической коробке передач установлен планетарный редуктор, который может быть адаптирован к любому передаточному числу в диапазоне.

Одним из пионеров в разработке восьмиступенчатых трансмиссий с гидротрансформатором является немецкая компания ZF. Ее высокотехнологичные трансмиссии устанавливаются на автомобили Jeep, BMW, Volkswagen, Audi, Jaguar, Cadillac и Infinity.

Описание конструкции гидротрансформатора

Гидротрансформатор находится в коробке передач и соединен с масляным насосом через всасывающий вал коробки передач. С противоположной стороны он крепится к маховику двигателя с помощью резьбовых выступов.

Компоненты гидротрансформатора помещены в герметичный корпус, где они погружены в жидкость ATF. Из-за тороидальной формы корпуса гидротрансформатора его прозвали «бубликом». Чтобы получить доступ к начинке, необходимо сделать небольшой надрез на сварном шве на экваторе оболочки.

На виде в разрезе гидротрансформатор представляет собой узел лопастных колес и муфт, установленных на одной оси:

• насосное колесо;
• турбинное колесо;
• реакторное колесо;
• одностороннее сцепление;
• блокирующая муфта.

Насосное колесо приварено к крышке корпуса, которая соединяется с коленчатым валом двигателя. Турбинное колесо по конструкции аналогично насосному колесу и устанавливается напротив него с небольшим зазором. Турбина жестко соединена с входным валом трансмиссии.

Читать В чем разница и чем роботизированная коробка передач отличается от автоматической коробки передач

Между насосом и турбиной находится реактор. Он крепится к муфте свободного хода, которая установлена на втулке входного вала. Блокировочная муфта расположена за турбиной.

Кинематическая диаграмма показывает, как расположены основные части гидротрансформатора, и показывает путь потока жидкости. Конструктивно гидротрансформатор в автоматической коробке передач представляет собой устройство прямого привода, в котором роторы заставляют жидкость циркулировать в таком порядке: насос — турбина — реактор — насос.

Преобразователи крутящего момента с однонаправленным соединением называются составными преобразователями.

Составные части гидротрансформатора

Насосно-турбинное колесо конвертера состоит из чаши, изготовленной из легкого сплава. Во внешней и внутренней частях чаши вырезаны пазы, между которыми расположены лопасти. Лопасти кованые и сцепляются с тороидальным диском посредством подрезных усилений. Кроме того, лопасти крепятся к чаше с помощью кольца.

Кривизна чаши и сложная форма лопастей призваны повысить эффективность циркуляции жидкости. Таким образом, конструкция рабочих колес обеспечивает необходимую скорость и направление потока масла.

Турбинное колесо опирается на вал с помощью ступицы и подшипников скольжения или качения. Подшипник несет радиальные и осевые нагрузки.

Втулка насоса обычно используется для привода масляного насоса, расположенного ниже по потоку от гидротрансформатора. Привод приводится в действие, когда торцевые шлицы ступицы входят в соответствующие пазы в ведущей шестерне насоса.

Реактор состоит из 2 металлических колец разного диаметра. Между кольцами привариваются лопатки под заданным углом наклона. Лопастное окно со стороны турбины реактора шире, чем со стороны насоса. Такое расположение позволяет создать необходимое давление жидкости.

Все рабочие механизмы размещенные в корпусе бублика

Реактор посажен на свободную муфту роликового типа. Муфта состоит из внутреннего кольца и наружного кольца, между которыми расположены ролики и стопорные элементы. Внутреннее кольцо прикреплено к валу, а внешнее кольцо соединено с реактором. Когда ролики катятся свободно — зажимы вращаются независимо друг от друга. Когда ролики заблокированы пружинами, муфты входят в зацепление и могут двигаться только в направлении вала. Одностороннее сцепление характеризуется высокой грузоподъемностью и износостойкостью.

Для повышения эффективности и экономичности в автоматическую коробку передач встроено блокирующее сцепление. Он состоит из корпуса, поршня с фрикционным диском и ступицы. Корпус имеет форму диска с пазами, в которых установлены пружины. Пружины действуют как гасители крутильных колебаний. Поршень выполнен в виде круглой металлической пластины с фрикционным диском, приклеенным к боковой стенке корпуса сцепления.

В 6-ступенчатой автоматике муфта блокировки гидротрансформатора может быть настроена на работу в трех состояниях: разомкнутом, проскальзывающем и замкнутом. Режим зависит от включенной передачи, нагрузки на двигатель и скорости автомобиля. Как правило, при разгоне блокировочный преобразователь сначала входит в зацепление с управляемым проскальзыванием, а затем закрывается.

Принцип работы гидротрансформатора

Принцип работы гидротрансформатора в автоматической коробке передач основан на преобразовании и передаче крутящего момента от двигателя к коробке передач за счет работы жидкости. Производитель выбирает ATF по вязкости, допустимой нагрузке на двигатель и количеству присадок. Поэтому качество работы масла АКПП зависит от его эксплуатационных характеристик.

Читать Регулировка, замена и зачем нужен ремень в автоматических коробках передач

Насосное колесо и масляный насос начинают работать при запуске двигателя. Масло из автоматической коробки передач поступает в гидротрансформатор. Центробежная сила отводит жидкость от колеса насоса от центральной оси и заставляет ее двигаться по часовой стрелке к верху. Оттуда масло направляется к верхним лопастям рулевого колеса турбины. Давление «толкает» их, заставляя турбину вращаться.

Под действием центростремительной силы ATF движется от верхнего края турбины к центру, усиливая вращение. Происходит преобразование крутящего момента. Чем выше частота вращения коленчатого вала, тем больше ускоряется турбина.

Жидкость от лопастей турбины движется против часовой стрелки и возвращается к насосному колесу. В то же время давление масла противодействует движению насоса, замедляя его. Остановка нарастания крутящего момента. Отныне автоматическая коробка передач работает без гидротрансформатора: она находится в режиме гидромуфты.

Между колесами установлен реактор для предотвращения торможения. Его функция заключается в перенаправлении потока жидкости от турбины в направлении движения насосного колеса. Кинетическая энергия турбинного масла используется для увеличения скорости насоса. Таким образом, реактор помогает двигателю вращать насос или гидротрансформатор в целом, увеличивая крутящий момент.

Режимы работы

Изменение гидродинамического привода в гидротрансформаторе достигается путем установки реактора на одностороннюю муфту. Это автоматически переключает муфту в режим гидромуфты и гидротрансформатора.

В задачи обгонной муфты входит:

• удерживать колесо реактора в неподвижном состоянии — режим сцепления;
• привод во вращательное движение;
• обеспечить свободное вращение — режим трансформатора.

Реактор свободно вращается до тех пор, пока разница между скоростями вращения насосного колеса и турбинного колеса не достигнет предела. Затем фланцы сцепления фиксируются. Реактор заблокирован.

Через лопатки реактора со стороны турбины проходит больше масла, чем выходит к насосу. Скорости вращения колес выравниваются. Объем впускной жидкости в реакторе совпадает с объемом выпускной жидкости, и муфта освобождает реактор. Таким образом, гидротрансформатор снова становится гидромуфтой.

Проскальзывание гидротрансформатора

Большая разница в скорости вращения колес насоса и турбины приводит к проскальзыванию. Этот эффект называется проскальзыванием в автоматическом гидротрансформаторе. Жидкость ускоряется и быстро нагревается.

20% гидравлической энергии преобразуется в тепловую энергию. Избыток тепла уходит в радиатор, что означает, что деньги на топливо буквально тратятся впустую.

Для повышения топливной эффективности автоматической коробки передач инженеры установили блокирующее сцепление. Это исключает пробуксовку сцепления и позволяет использовать режимы работы:

• полное участие;
• зацепление с регулировкой проскальзывания;
• полное разъединение.

КПД гидротрансформатора достигает 90% при заблокированном сцеплении. Чтобы увеличить этот показатель до 97%, в цепь управления сцеплением был добавлен клапан с электронным управлением. В некоторых трансмиссиях блокировка включается на 2-й передаче.

Блокировка гидротрансформатора АКПП

Сцепление имеет гидравлический привод и работает по сигналу от золотников, которые приводятся в действие давлением жидкости. Трансмиссионное масло поступает в полость между нажимным диском и поршневой плитой, а затем в полость турбины. Фрикционный диск не касается крышки GDT. Крышка свободно скользит. Когда давление в полостях становится одинаковым, муфта расцепляется.

Читать Можно ли запустить автоматическую коробку передач: последствия для автоматических коробок передач

Сигнал от гидравлического блока вызывает клапан для изменения контура масла. Давление жидкости передается на поршень со стороны турбины. В камере между поршнем и крышкой регулятора давления. Жидкость выводится через канал. Давление со стороны турбины заставляет поршень двигаться к корпусу. Сцепление включается плавно.

Поршневой диск вибрирует относительно ступицы, пружины на крышке муфты блокировки деформируются. Пружинный демпфер поглощает вибрацию, передавая ее на вал гидротрансформатора. Увеличивается трение между сцеплением и крышкой. В результате происходит блокировка гидротрансформатора в автоматической коробке передач. Между валом двигателя и турбиной находится жесткое сцепление.

Режим Lock-up обеспечивает спортивные характеристики движения при плавном переключении передач в автоматической коробке передач. Динамика, комфорт и экономичность вознаграждаются за счет снижения надежности и долговечности сцепления.

При жестком сцеплении двигатель и коробка передач подвергаются ударным нагрузкам, поскольку жидкость в сцеплении не поглощает удары и вибрации. Высокие скорости вызывают быстрое истирание в результате трения, загрязняя масло абразивным материалом. Это приводит к сокращению срока службы коробки передач.

Управление ГДТ

Современные гидротрансформаторы автоматических коробок передач управляются электронным модулем управления (ECM). Он собирает и анализирует информацию от датчиков давления, частоты вращения приводного вала и других. Затем он генерирует импульсы, которые передаются на соленоиды в гидробоксе. Отсюда запускается алгоритм управления датчиками и клапанами.

Про масло АКПП

Рабочий орган гидротрансформатора сильно нагревается. Чтобы охладить его, масло выходит из полости регулятора давления и стекает в сливной клапан. Оттуда жидкость под давлением поступает к распределительному клапану. Если указатели температуры регистрируют повышение температуры, масло поступает в охладитель автоматической трансмиссии. Охлажденная жидкость через регулятор давления поступает к масляному насосу.

Эффективность ГДТ

Эффективность гидротрансформатора в автоматической коробке передач измеряется:

• отношение угловых скоростей его колес;
• коэффициент трансформации, который показывает степень увеличения крутящего момента;
• Коэффициент полезного действия, определяющий энергетические и экономические характеристики;
• Коэффициент прозрачности.

Коэффициент трансформации Kt зависит от диаметра «палки», плотности масла в АКПП и крутящего момента на колесах. Максимальное значение Kt=2,5-3,0 достигается, когда турбина неподвижна. Чем выше передаточное число, тем ниже передаточное число. В режиме гидромуфты крутящие моменты на валах колес равны, поэтому преобразования Kt=1 не происходит.

Эффективность гидротрансформатора зависит от соотношения мощности турбины и насоса. Он может достигать 97% в режиме жидкостной связи, при оптимальном соотношении 0,7-0,8. Средний КПД составляет 70-80%.

Коэффициент прозрачности P определяет, насколько сильно GDT нагружает двигатель при изменении режима работы турбины. Для определения прозрачности необходимо соотнести крутящие моменты насосного колеса при останове турбины и при трансформации Kt=1.

При P=1 гидротрансформатор непрозрачен. Крутящий момент турбины не влияет на работу двигателя, который работает в режиме постоянной нагрузки. Прозрачный ГДТ имеет P>1. Изменение нагрузки турбинного колеса отражается на мощности двигателя. Прозрачность позволяет использовать тяговые характеристики двигателя для улучшения динамики автомобиля.

Признаки неисправности

На проблемы с гидротрансформатором указывает быстрое потемнение масла после замены. Автомобиль может потреблять больше топлива и демонстрировать рывки при плавном движении. Другие симптомы можно распознать по ощущениям, слуху и запаху.

Читать Полная и частичная замена масла в автоматической коробке передач для Kia Sorento

Симптом	Причина
Громкий металлический стук, скрип при переключении передач	Изношены лопасти колеса
Небольшой металлический шум, скрежет при переключении передач	Подшипники ломаются
Вибрация при переключении передач, тряска при переключении передач, скрежет	Пробуксовка гидротрансформатора из-за износа фрикционного слоя муфты сцепления
Вибрация при скорости 50-70 км/ч	Неравномерный износ фрикционов, загрязненная жидкость, засоренный масляный фильтр
Автомобиль потерял ход	Неисправная обгонная муфта
Обнаружение металлических частиц при проверке уровня масла	Детали обгонной муфты могут быть повреждены
Двигатель глохнет в режиме переключения передач	Преобразователь крутящего момента заблокирован системой управления
Запах расплавленного пластика	Перегрев преобразователя. Плавление пластмассовых компонентов.

Обнаружение этих симптомов не всегда указывает на проблему в гидротрансформаторе, так как причина может крыться в других частях коробки передач. Диагностика гидротрансформатора поможет определить причину и характер неисправности автоматической коробки передач.

Техник мастерской выполняет проверку по следующему алгоритму:

1. Собирает информацию о пробеге автомобиля, датах замены ATF, проведенных капитальных ремонтах, симптомах.
2. Считывает коды неисправностей с бортового компьютера.
3. Изучает автоматическую коробку передач.
4. Ставит диагноз или проводит дополнительные тесты: меняет масло, измеряет давление, проверяет электрические цепи.

Вы также можете самостоятельно поставить предварительный диагноз. Для этого необходимо изучить руководство по эксплуатации, структуру и особенности вашей автоматической коробки передач.

Что в гидротрансформаторах ломается чаще всего

Муфта блокировки

Неисправности вентильного преобразователя чаще всего вызваны проскальзыванием или трением в блокирующей муфте. Фрикционная пластина истирается, и отслоившийся материал и клей проникают в масло. В результате жидкость автоматической трансмиссии загрязняется и перегревается. Повышенный износ втулок и подшипников.

Неравномерный износ фрикционов в сцеплении коробки передач вызывает вибрации при блокировке сцепления. Сальники, подшипники и втулки повреждаются, ускоряя износ «сцепления». Страдает и масляный насос, что приводит к масляному голоданию во всей коробке передач.

Уплотнители

Другими слабыми местами гидротрансформатора являются сальники и прокладки. Детали изготовлены из тефлона или пластика. Они рассчитаны на 200 000 км. Однако из-за агрессивного вождения или плохой конструкции коробки передач уплотнения могут протекать и стареть быстрее. При износе уплотнений крупные частицы вылетают наружу, засоряя масло.

Обгонная муфта

В редких случаях одностороннее сцепление повреждается. Ролики изнашиваются и начинают проскальзывать или заедать. Это предотвращает блокировку реактора муфтой. GDT не переключится в режим жидкостной муфты. Перегрузка может привести к проворачиванию сепаратора сцепления и попаданию металлического мусора в масло.

Как влияет на АКПП

«Заболевания гидротрансформатора влияют на другие компоненты трансмиссии, вызывая их отказ. «Переключатель передач является основным загрязнителем и нагревателем в автоматических коробках передач. Масло распределяет трение и металлические загрязнения по всей трансмиссии. Он забивает шлаком каналы гидравлического блока, соленоиды, клапаны и датчики. В результате переключение передач происходит с задержкой, увеличивается расход топлива и изнашиваются детали автоматической коробки передач. Поэтому, если вы слышите шум или вибрацию в автоматической коробке передач, следует немедленно проверить состояние гидротрансформатора в автоматической коробке передач. Это поможет вам сэкономить при минимальных затратах.

Ремонт ГДТ

Ремонт гидротрансформатора автоматической коробки передач, выполняемый в сервисе, включает в себя:

• снятие и разборка автомата;
• слив жидкости из гидротрансформатора;
• резка сварных швов на токарном станке;
• мойка и очистка деталей от сколов и масляных пятен;
• осмотр;
• замена фрикционных дисков, уплотнений, даже если они находятся в хорошем состоянии
• При необходимости замените подшипники, обгонную муфту, ступицы;
• собрать, сварить корпус;
• проверьте биение, давление, герметичность;
• установить GDT в автоматическую коробку передач;
• полная балансировка.

Дальнейший срок службы гидротрансформатора зависит от качества и точности выполненных работ. Для ремонта требуются специализированные инструменты, станки, испытательные стенды, знание особенностей конкретной автоматической коробки передач. В случае неисправности следует обращаться в узконаправленный сервис, который «приложил руку» к ремонту конкретной модели.

Устройство не всегда можно отремонтировать. Для особо редких агрегатов трудно найти замену. В этом случае принимается решение о ремонте компонентов сцепления.

Средняя цена капитального ремонта автоматической коробки передач составляет 5 000 рандов. Стоимость замены начинается примерно от 50 000 рублей. Цены зависят от модели устройства и сложности поломки.

Рекомендации по обслуживанию и эксплуатации ГДТ

Использование гидравлического сцепления в коробке передач упрощает и облегчает управление автомобилем даже в сложных условиях. Однако по сравнению с механическими коробками передач гидротрансформатор уступает:

• Эффективность без использования блокировки низкая;
• Расход топлива увеличивается на 10%;
• Диапазон крутящего момента сцепления невелик, поэтому требуется планетарный понижающий редуктор;
• Сложность конструкции и обслуживания;
• высокая стоимость.

Для того чтобы стать постоянным клиентом мастерской, ремонтирующей гидротрансформаторы для автоматических коробок передач, необходимо соблюдать два правила:

• как можно чаще нажимайте на педали акселератора и тормоза, чтобы быстро перемолоть фрикционы муфты блокировки в абразивный порошок, загрязнить масло и ускорить износ автомата;
• никогда не меняйте жидкость, особенно если она черная, горячая, а уровень жидкости выше или ниже нормы.

Если говорить серьезно, то GDT выходит из строя медленно и незаметно для водителя. Утечка масла на стыке гидротрансформатора с двигателем — явный признак неисправности. Другие признаки неисправности могут проявляться уже по мере распространения «болезни» по всей автоматической коробке передач. Поэтому, если автомобиль ведет себя странно: медленно разгоняется, увеличивается расход топлива, появляются вибрации во время движения — необходимо отправить автомобиль на осмотр.

Прежде чем самостоятельно осматривать трансмиссию, необходимо изучить строение и особенности конкретной модели автоматической коробки передач. Чтобы добраться до гидротрансформатора, необходимо снять всю коробку передач. Без распиливания и разборки гидротрансформатор отремонтировать невозможно. Промывка гидротрансформатора растворителями может повредить колеса и «съесть» сальники.

После капитального ремонта и сборки коробки передач необходимо восстановить балансировку гидротрансформатора. Не все станции технического обслуживания выполняют эту процедуру, поскольку она трудоемка и проблематична. Гидротрансформатор работает на высоких оборотах — дисбаланс или несоосность валов приведет к разрушению не только коробки передач, но и всей автоматической трансмиссии.

Срок службы гидротрансформатора современной автоматической коробки передач составляет 150 — 200 000 км. Он спокойно прослужит до 100 000 км при условии замены масла. Фрикционные муфты изнашиваются к 120 — 150 000 км и требуют замены. После 200 000 км пробега следует провести плановый капитальный ремонт фрикционного преобразователя с регулируемым проскальзыванием.