Законы гидравлики
20.05.2010
Краткий обзор гидравлики
Гидравлика - это наука, которая имеет дело с поведением жидкостей. В случае автоматической коробки передач мы особенно заинтересованы в знании поведения трансмиссионной жидкости, находящейся под давлением. В этом разделе описываются основные законы гидравлики, действующие в автоматической коробке передач.
Когда жидкость, находящаяся под давлением, правильно управляется, она может использоваться для передачи движения.
Жидкость под давлением можно использовать для передачи движения от одного поршня к другому.
Когда первичный поршень перемещается в цилиндре, его движение передается гидравлической жидкостью к вторичному поршню, который перемещается на то же самое расстояние, что и первичный поршень.
Конечно, для выполнения этой простой задачи можно использовать механическую связь, но использование жидкости дает очень большое преимущество: эти два поршня не должны располагаться в одном и том же цилиндре. Фактически, они могут быть далеко разнесены друг от друга и могут располагаться в отдельных цилиндрах. Все, что необходимо, - это соединительный шланг для передачи жидкости от цилиндра к цилиндру.
Первичный поршень передает свое движение через гидравлическую жидкость к вторичному поршню.
Способность жидкости передавать движение является следствием отсутствия ее сжимаемости. Т.е. когда жидкость подвергается сжатию, ее объем не уменьшается. Так, например, потребуется 29 029 кг (32 тонны) груза, чтобы сжать 6.45 кубических сантиметров (один кубический дюйм) воды на 10 процентов.
Назначение насоса трансмиссионной жидкости
Т.к. автоматическая коробка передач требует для обеспечения своей работы наличия трансмиссионной жидкости, находящейся под давлением, в коробке передач должен иметься источник давления - насос трансмиссионной жидкости. Этот насос приводится в движение двигателем и является источником потока жидкости.
Типы насосов
В большинстве автоматических коробок передач используются три типа насосов:
• Роторного типа
• Шестеренного типа
• Лопастного типа
Все насосы имеют впускной и выпускной порты. Впускной порт соединяется с фильтром трансмиссионной жидкости, который погружен в масляный картер коробки передач. Масло поступает во впускной порт под воздействием атмосферного давления и низкого давления, создаваемого вращающимся ротором, шестернями или лопастями насоса. Выпускной порт направлен к блоку клапанов.
Насос роторного типа
Насос роторного типа для создания низкого давления использует внутренний и внешний роторы. Когда жидкость вовлекается в насос, она сжимается между выступами ротора, которые переносят жидкость вдоль корпуса насоса к выпускному порту.
Насос шестеренного типа
В насосе шестеренного типа используется большая шестерня с внутренним зацеплением (называемая ведомой шестерней), устанавливаемая над ведущей шестерней на ступице. Ось этой большой шестерни смещена от оси ведомой шестерни, поэтому зубья этих двух шестерен только частично находятся в зацеплении. Когда шестерня вращается, между зубьями шестерен образуется постепенно расширяющийся зазор. Зазор создает низкое давление, которое позволяет всасывать жидкость в насос.
Т.к. этот зазор должен быть заполнен жидкостью, к комплекту шестерен добавляется другой элемент, называемый серповидным. Серповидный элемент предотвращает прохождение жидкости обратно к впускному порту. Когда зазор между зубьями шестерен сужается, жидкость выжимается из промежутка между зубьями и выводится через выпускной порт.
Насос лопастного типа
Насос лопастного типа, чтобы прогнать жидкость через насос, использует центробежную силу. Когда жидкость входит во впускной порт, она подхватывается быстро вращающимися лопастями. Центробежная сила сбрасывает жидкость с краев лопастей и прогоняет ее через выпускной порт.
Типовая работа насоса
Впускной порт насоса трансмиссионной жидкости соединяется с масляным картером, расположенным в нижней части картера коробки передач. Когда жидкость забирается из масляного картера, она проходит через фильтр, который удаляет инородные частицы и грязь.
Жидкость входит во впускной порт насоса, потому что давление воздуха давит на поверхность трансмиссионной жидкости. На уровне моря давление воздуха равняется приблизительно 1.01 бар (14.7 psi). Фактически давление воздуха не может толкать жидкость вверх через сетчатый фильтр в насос. Сначала насос должен создать низкое давление, или "пустоту", во впускном порте. Только затем атмосферное давление может заставлять жидкость идти в насос, заполняя "пустоту".
В насосе шестеренного типа низкое давление создается за счет работы зубьев шестерен. Зубья находятся в плотном зацеплении, но когда они вращаются, они начинают разделяться. Это разделение создает низкое давление между зубьями шестерен, а атмосферное давление заставляет жидкость заполнять эту "пустоту".
Попав в насос, жидкость "зажимается" между зубьями шестерен, которые несут ее вдоль окружности корпуса насоса к выпускному порту. Когда зубья шестерен приближаются к выпускному порту, зазор между зубьями шестерен начинает сужаться. Жидкость не может просачиваться назад к впускному порту, потому что ее путь блокирует серповидный элемент.
Зазор продолжает сужаться и так до тех пор, пока зубья шестерен не начинают входить в зацепление. В этот момент жидкость сжимается между зубьями, и сжатие происходит до тех пор, пока жидкость не достигает выпускного порта. Из выпускного порта жидкость идет в гидравлическую систему коробки передач.
Регулировка давления
Насосы трансмиссионной жидкости бывают без проскальзывания или с регулируемым проскальзыванием.
Насос лопастного типа - это насос с регулируемым проскальзыванием. Это означает, что он подает на выход фиксированное количество трансмиссионной жидкости, как только двигатель достигает требуемой частоты вращения. Давление "обратной связи" из возвратного контура блока клапанов препятствует тому, чтобы лопастной насос создавал большую подачу, чем требуется. Эта функция помогает сберегать мощность двигателя за счет уменьшения количества мощности, требуемой для активизации насоса.
Насосы роторного и шестеренного типа - это насосы без проскальзывания. Это означает, что насос должен выпустить всю жидкость, которая входит в него. Не имеется никакого другого канала для выхода жидкости, кроме выпускного порта. Такой насос продолжает подавать жидкость, даже если давление на выпускной стороне насоса чрезмерно высоко. Фактически, если выпускной порт закупорен, насос будет продолжать работать до тех пор, пока в конечном счете не остановится вследствие создания чрезвычайно высокого давления.
Чтобы предотвратить остановку, насос без проскальзывания должен иметь некоторый способ для изменения маршрута потока жидкости, если давление становится слишком высоким. Когда давление насоса растет, открывается и закрывается клапан регулятора давления, позволяя поддерживать давление в системе на безопасном уровне.
Работа клапана регулировки давления управляется калиброванной пружиной. Жесткость пружины определяет давление открытия этого клапана.
Три стадии работы
Клапан регулировки давления имеет три ярко выраженных стадии работы:
• Заполнение магистралей
• Питание гидротрансформатора
• Слив в масляный картер коробки передач
Заполнение магистралей
Сразу же после запуска автомобиля магистрали заполняются трансмиссионной жидкостью. На этой стадии имеется небольшое сопротивление течению жидкости в системе, поэтому давление не растет. Пружина, расположенная ниже клапана регулировки, удерживает его в верхнем (или закрытом) положении.
Питание гидротрансформатора
Когда в системе начинает расти давление, клапан регулировки давления преодолевает усилие пружины, и открывается другой порт. Жидкость из насоса проходит через этот порт в контур гидротрансформатора. Т.к. давление в гидротрансформаторе сохраняется постоянным, для предотвращения роста избыточного давления требуется другой выход жидкости.
Слив в масляный картер
Давление продолжает расти, и клапан регулировки давления дальше преодолевает усилие пружины. Открывается другой порт. Этот порт соединяется с масляным картером, расположенным в нижней части коробки передач. Весь избыток масла возвращается в масляный картер, откуда он снова может рециркулировать через впускной порт насоса. Эта заключительная стадия -нормальное рабочее состояние при работающем двигателе.
Балансировочный клапан
Как только клапан регулировки давления достигает 3-ей стадии, давление в главной системе управления регулируется за счет уравновешивания давления и силы пружины клапана. Пружина управляет давлением, а клапан регулируется автоматически таким образом, чтобы сила пружины, действующая в направлении вверх, равнялась гидравлическому давлению, действующему вниз.
Если давление падает, пружина перемещает клапан вверх и отсекает часть потока к масляному картеру (и при необходимости к гидротрансформатору), чтобы сохранить отрегулированное давление. Этот клапан называется балансировочным клапаном, а давление, которое он регулирует, называется давлением управления или давлением в магистрали. Давление в магистрали также может управляться электронным электромагнитным клапаном.
Поток трансмиссионной жидкости
В автоматической коробке передач трансмиссионная жидкость проходит через различные каналы и каналы цилиндров. Хотя многие из них располагаются в картере коробки передач и в корпусе насоса, больше всего каналов находится в главном устройстве управления потоком, называемом главным блоком клапанов управления (блоком клапанов). Поток жидкости через эти каналы управляется или одиночным клапаном или рядом клапанов, работающих совместно.
За исключением двух клапанов, все клапаны управления в блоке клапанов работают автоматически, направляя трансмиссионную жидкость для выполнения определенных функций. Например, переключение передачи с 1-ой на 2-ую, называемое переключением 1-2, - это отдельная гидравлическая функция.
Когда происходит такое переключение передач, жидкость идет через специальные каналы, каналы цилиндров и клапаны. Это прохождение жидкости называется масляным контуром.
Автоматическая коробка передач имеет отдельный масляный контур для каждой гидравлической функции. Фактически клапан регулировки давления, описанный в предыдущем разделе, - это масляный контур, который управляет давлением насоса.
Когда вы изучаете масляный контур, вы смотрите на схему, которая показывает путь прохождения трансмиссионной жидкости и клапаны для реализации требуемой функции.
Управление потоком трансмиссионной жидкости
Чтобы продемонстрировать основные принципы управления потоком, мы исследуем гипотетический канал клапана. Этот канал связывается с потоком жидкости от клапана регулировки давления.
Внутри этого канала находится клапан с одной перемычкой, соединенный со штоком, который проходит через один конец канала. (Перемычка - это круглая уплотнительная поверхность клапана.) По бокам канала имеются два порта: впускной порт - для жидкости от регулятора давления, и выпускной порт - соединенный с каналом, идущим к цилиндру. В пределах этого цилиндра располагается поршень в верхней точке его хода.
При работающем двигателе жидкость течет из контура регулятора давления к каналу клапана и останавливается. Она не может проходить через канал, потому что клапан блокирует впускной порт.
Если клапан открывается вручную, жидкость идет во впускной порт через канал и выходит из выпускного порта на ее пути к цилиндру.
Когда жидкость достигает цилиндра, она давит на поверхность поршня, заставляя его перемещаться вдоль канала цилиндра. Сила, генерируемая насосом, передается к поршню.
Масляный контур функционален, но он имеет один важный недостаток: отсутствие автоматического возврата в исходное положение (автоматической переустановки). Когда давление сбрасывается, поршень автоматически не возвращается к верхней точке канала, в состояние готовности для следующего хода поршня. Чтобы сделать переустановку поршня автоматической, за поршень устанавливается пружина.
При закрытом клапане и остановленном потоке жидкости пружина должна отжимать поршень назад к вершине цилиндра. Однако, пружина не может перемещать поршень до тех пор, пока в контуре цилиндра находится жидкость под давлением. Пружина не может перемещать поршень, пока жидкость не будет слита из цилиндра.
Чтобы обеспечить слив жидкости, находящейся под давлением, контур должен быть доработан. Добавление выпускного канала, направленного к масляному картеру, и смещение канала цилиндра позволяет уплотнять впускной порт без "захватывания" жидкости в цилиндре.
Теперь клапан может открыть впускной порт, идущий от насоса, а также выпускной порт, направленный к цилиндру. Одновременно клапан уплотняет выпускной порт, направленный к масляному картеру, предотвращая любую потерю давления.
Когда клапан закрывает впускной порт, он также открывает канал цилиндра к выпускному порту. Жидкость сливается через выпускной порт, когда пружина отжимает поршень обратно вдоль цилиндра.
Золотниковый клапан
Золотниковый клапан имеет две или несколько перемычек, или уплотнительных зон, соединенных штоком, давая клапану форму золотника. Зона между перемычками позволяет жидкости проходить через канал клапана.
Когда золотниковый клапан перемещается, перемычки открывают и закрывают различные порты, направляя поток жидкости соответствующим образом. Например, верхняя перемычка располагается в верхней части канала, открывая впускной порт насоса. Нижняя перемычка уплотняет выпускной порт, позволяя жидкости проходить через центр канала цилиндра.
Золотниковый клапан закрывает впускной порт насоса и открывает выпускной порт. Он выпускает жидкость, находящуюся под давлением, из цилиндра и позволяет ей вытекать через выпускной порт назад к масляному картеру коробки передач.
Клапаны, описываемые в этом разделе, иллюстрируют законы гидравлики, которые применимы к клапанам управления в автоматической коробке передач.
Давление можно использовать для перемещения:
• клапанов, преодолевая усилие пружины.
• клапанов назад и вперед в канале.
• поршней в цилиндре.
Все эти действия происходят в автоматической коробке передач в целях управления потоком жидкости и сохранения давления в магистрали.
Главный блок клапанов управления
Главный блок клапанов управления (блок клапанов) - это главный элемент управления потоком трансмиссионной жидкости в автоматической коробке передач. Он имеет сложную систему каналов, называемых лабиринтными дорожками, а также несколько каналов, в которых располагаются клапаны со множеством перемычек (уплотнительных поверхностей). Каждый канал или клапан образует масляный контур для выполнения какой-либо функции.
Схемы гидравлических контуров
Используя гидравлические схемы, вы можете прослеживать масляный контур и точно определять, какие клапаны и каналы используются для выполнения какой-либо функции коробки передач.
Если вы проследите прохождение потока от насоса дальше от регулятора давления, вы найдете клапан с ручным управлением. Этот клапан соединяется посредством механических рычагов с рычагом выбора передач, расположенным в салоне автомобиля. Клапан с ручным управлением перемещается в канал или из него в зависимости от положения рычага выбора передач (например: "Р", "R" или "D").
Давление в магистрали останавливается в клапане с ручным управлением, потому что жидкость улавливается между двумя перемычками. На других передачах перемычки клапана перемещаются, чтобы изменить направление потока к различным клапанам, муфтам и сервоблокам.
Клапан регулятора
Когда водитель перемещает рычаг выбора передач в одно из положений движения, активизируется другой важный масляный контур. Контур клапана регулятора используется для синхронизации переключения передач в автоматической коробке передач.
Клапан регулятора принимает давление в магистрали, идущее от клапана с ручным управлением, и преобразовывает его в сигнал давления. Этот сигнал сообщает клапанам управления переключением передач, насколько быстро перемещается автомобиль. (Клапаны управления переключением передач направляют поток жидкости, который переключает передачи, например с 1-ой на 2-ую передачу или с 3-ей на 2-ую передачу.)
В большинстве случаев клапан регулятора устанавливается на вторичном вале, где он вращается вместе с валом. В переднеприводных автомобилях регулятор обычно приводится в движение шестернями в главной передаче.
Регулятор в сборе состоит из отдельного малого блока клапанов с тремя каналами: один канал служит для давления в магистрали, другой - для давления регулятора и третий - для выпуска к масляному картеру коробки передач.
Когда автомобиль останавливается, прохождение трансмиссионной жидкости к регулятору, блокируется. Когда автомобиль начинает перемещаться, регулятор вращается, и центробежная сила заставляет грузики перемещаться в направлении наружу. В зависимости от скорости вращения, движение грузиков наружу толкает на клапан, позволяя отрегулированному давлению входить в клапан регулятора, где оно направляется к клапанам управления переключением передач.
В коробках передач с электронным управлением регулятор заменяется электромагнитным клапаном, управляемым модулем управления.
Контур дроссельной заслонки
Чтобы правильно назначить момент переключения передач, автоматическая коробка передач должна "знать" больше, чем только значение скорости движения. Она должна знать нагрузку двигателя. Нагрузка -это показатель силы, которую должен преодолевать двигатель, чтобы генерировать мощность. Например, автомобиль, поднимающийся на крутой холм при скорости 64 км/ч (40 миль/ч), создает более серьезную нагрузку для двигателя, чем тот же самый автомобиль, спускающийся с холма со скоростью 40 миль в час. Кроме того, работающая система кондиционирования воздуха при полной эффективности также может создавать большую нагрузку для двигателя.
В автоматической коробке передач контур дроссельной заслонки (TV) определяет нагрузку двигателя, преобразовывает это значение в сигнал давления и направляет сигнал к клапанам управления переключением передач. Давление регулятора можно использовать в качестве сигнального для всех переключений передач, но переключения передач всегда будут происходить при той же самой скорости движения и не будут изменяться в соответствии с нагрузкой двигателя.
Например, при быстром ускорении двигатель находится под большой нагрузкой, и коробка передач должна оставаться на 1-ой передаче дольше, чтобы использовать преимущество дополнительной мощности за счет более низкого передаточного числа. Если бы контур регулятора в одиночку управлял
переключениями передач, коробка передач переключалась бы на 2-ую передачу при заданной скорости движения, а ускорение бы резко снизилось. При совместной работе контуров дроссельной заслонки и регулятора коробка передач производит переключения передач в соответствие частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя.
Давление перед дроссельной заслонкой также изменяет давление в магистрали. В режиме холостого хода давление минимально, чтобы уменьшить "удар при переключении передач", когда включаются передачи. При полностью открытой дроссельной заслонке давление максимально для того, чтобы муфты были сильно сжаты, предотвращая скольжение.
В большинстве автомобилей используются два типа контуров дроссельной заслонки. Контур первого типа "считывает" нагрузку двигателя через вакуумный модулятор. Вакуум - это "давление ниже атмосферного" ("отрицательное давление"), генерируемое двигателем, когда поршни идут вниз на ходе впуска. Вакуум уменьшается при приложении нагрузки к двигателю. Контур дроссельной заслонки второго типа определяет нагрузку двигателя посредством рычажной системы, подсоединенной к педали акселератора.
В электронно управляемых коробках передач "дроссельный показатель" заменяется электромагнитными клапанами и управляется модулем управления.
Вакуумный модулятор
Когда для определения нагрузки используется вакуум, вакуумный модулятор устанавливается на корпусе блока клапанов.
Вакуумный модулятор содержит две камеры, разделенные подпружиненной диафрагмой. Шланг или труба соединяют одну сторону диафрагмы с впускным коллектором двигателя. Другая сторона диафрагмы соединяется со штоком, который проходит в корпус блока клапанов.
Когда изменяется нагрузка двигателя, изменяется и вакуум во впускном коллекторе, а диафрагма при этих изменениях перемещается в ту или иную сторону. Перемещение диафрагмы передается штоку, который перемещает клапан в контуре дроссельной заслонки. Этот клапан постоянно изменяет давление в контуре дроссельной заслонки, который изменяет направление передачи давления к клапанам управления переключением передач.
Дроссельная заслонка
В контуре дроссельной заслонки, управляемом механическими рычагами, кулачок дроссельной заслонки передает движение педали акселератора к дроссельной заслонке.
Кулачок дроссельной заслонки механически связывается с педалью акселератора. При нажатии на педаль, кулачок поворачивается, перемещая пружину. Пружина толкает дроссельную заслонку вправо, открывая канал давления в магистрали. Это увеличивает давление, идущее к модулирующему клапану дроссельной заслонки.
Когда давление перед дроссельной заслонкой растет, это заставляет пружину сжиматься, перемещая дроссельную заслонку назад влево. Порт давления в магистрали закрывается, и давление перед дроссельной заслонкой сбрасывается. Когда давление перед дроссельной заслонкой сбрасывается, пружина снова толкает дроссельную заслонку вправо, открывая порт давления в магистрали и увеличивая давление перед дроссельной заслонкой. Повторяя этот цикл, дроссельная заслонка постоянно регулирует давление перед дроссельной заслонкой.
Когда педаль акселератора отпускается, кулачок поворачивается в противоположном направлении, отпуская пружину. Дроссельная заслонка перемещается влево, закрывая порт давления в магистрали, что уменьшает давление перед дроссельной заслонкой.
Давление перед дроссельной заслонкой и давление регулятора
На синхронизацию переключения передач влияет давление двух отдельных контуров: давление перед дроссельной заслонкой, которое базируется на нагрузке двигателя, и давление регулятора, которое базируется на скорости движения.
Каждый из этих контуров получает давление в магистрали от насоса и преобразовывает его в сигнал давления. Преобразованное давление, направленное в контуры дроссельной заслонки и регулятора, воздействует на клапаны управления переключением передач аналогично тому, как жидкость заставляет перемещаться поршень в контуре, описанном в этом разделе в качестве примера.
Работая с давлением в магистрали, преобразованное давление в контуре регулятора и в контуре дроссельной заслонки управляет клапанами, которые автоматически переключают передачи, чтобы привести а соответствие нагрузку двигателя и скорость движения. Клапаны в блоке клапанов управляют потоком жидкости через контуры, которые подводят давление в магистрали к различным ленточным тормозам и муфтам, которые управляют переключением передач.
автозапчасти в москве
Комментарии
Пока нет комментариев