Устройство и принцип работы гидротрансформатора АКПП

Гидротрансформатор АКПП (ГДТ) — элемент трансмиссии, расположенный между двигателем и механизмом переключения передач. Агрегат работает по закону гидромеханики, и является частью гидросистемы АКПП. Узел требует регулярного техобслуживания. Чтобы его починить, придется обращаться в сервис.

Устройство гидротрансформатора АКПП

Что такое гидротрансформатор в АКПП или «бублик», как его называют механики? ГДТ — это гидропривод, который связывает двигатель и автомат без жесткого соединения. Играет роль сцепления в аналогии с МКПП.

Гидроприводы бывают двух видов: гидромуфта и гидротрансформатор. Разница между ними заключается в возможности трансформатора преобразовывать крутящий момент. В то время как гидромуфта может только передавать. «Бублик» АКПП работает в обоих режимах с автоматическим переключением, поэтому его можно назвать гибридным агрегатом.

Для чего в АКПП нужен гидротрансформатор? Узел имеет несколько назначений:

• обеспечивает бесступенчатое переключение скоростей и плавное движение автомобиля;
• гасит вибрации и удары от работы двигателя и трансмиссии, продлевая их срок службы;
• позволяет работать двигателю на холостом ходу;
• способствует торможению двигателем;
• повышает проходимость автомобиля в тяжелых условиях, непрерывно передавая крутящий момент от двигателя к колесам.

Устройство гидротрансформатора АКПП основано на законах гидравлики. Механическая сила двигателя переходит в «бублик» и превращается в гидравлическую энергию за счет движения потока жидкости в полости ГДТ. Возникает давление и кинетическая энергия, которые заставляют вращаться вал трансмиссии. А от него крутящий момент переходит в планетарный механизм переключения передач.

В теории АКПП могла бы состоять только из гидротрансформатора. Но на больших скоростях его КПД сильно снижается. Передаточное отношение «бублика» ограничено. Он не может обеспечить движение задним ходом или достаточное количество передач. Поэтому в АКПП за гидротрансформатором устанавливают планетарный редуктор, который способен получить любое передаточное число в заданном диапазоне.

Одним из передовых разработчиков восьми скоростных коробок передач с гидротрансформатором является немецкая компания ZF. Высокотехнологичные трансмиссии этого производителя устанавливают в автомобилях Jeep, BMW, Volkswagen, Audi, Jaguar, Cadillac, Infinity.

Описание конструкции гидротрансформатора

Гидротрансформатор расположен в корпусе АКПП и соединен с масляным насосом через входной вал трансмиссии. С противоположной стороны «бублик» крепится к маховику двигателя через резьбовые бобышки.

Детали гидротрансформатора АКПП находятся в герметичном кожухе, где погружены в жидкость ATF. Из-за тороидальной формы корпуса гидротрансформатора его и прозвали «бубликом». Чтобы добраться до начинки, нужно аккуратно разрезать сварной шов по экватору кожуха.

В разрезе гидротрансформатор АКПП представляет собой набор лопастных колес и муфт, установленных на одной оси:

• насосное колесо;
• турбинное колесо;
• реакторное колесо;
• обгонная муфта;
• муфта блокировки.

Насосное колесо приварено к крышке корпуса, который соединяется с коленчатым валом двигателя. Турбинное колесо конструктивно похоже на насосное и установлено напротив с небольшим зазором. Турбина жестко связана с входным валом трансмиссии.

Между насосом и турбиной стоит реактор. Он зафиксирован на муфте свободного хода, которая крепится на втулке входного вала. Муфта блокировки находится за турбиной.

На кинематической схеме изображено, как расположены основные части гидротрансформатора, и показана траектория движения потока жидкости. Конструктивно гидротрансформатор АКПП представляет собой устройство прямого хода, когда лопастные колеса заставляют жидкость циркулировать в таком порядке: насос — турбина — реактор — насос.

Гидротрансформаторы с обгонной муфтой называют комплексными.

Составные части гидротрансформатора

Основу насосного и турбинного колес гидротрансформатора составляет чаша, отлитая из легкого сплава. На внутренней и наружной поверхности чаши вырезаны пазы, между которыми расположены лопатки. Лопатки изготовлены штамповкой и соединены между собой торическим диском с помощью подгибных усиков. Дополнительно лопатки на чаше застопорены кольцом.

Кривизна чаши и сложная форма лопаток рассчитаны под требование увеличить эффективность циркуляции жидкости. Таким образом, конструкция колес обеспечивает необходимую скорость и направление движения масла.

Турбинное колесо опирается на вал посредством ступицы и подшипников скольжения или качения. Подшипник воспринимает радиальные и осевые нагрузки.

Ступица насоса обычно используется для привода масляного насоса, расположенного за гидротрансформатором. Привод срабатывает при заходе торцевых шлицев ступицы в соответствующие пазы ведущей шестерни насоса.

Реактор представляет собой 2 металлических кольца разных диаметров. Между кольцами приварены лопасти под заданным углом наклона. Окно лопатки реактора со стороны турбины шире, чем со стороны насоса. Это решение позволяет создавать необходимое давление жидкости.

Все рабочие механизмы размещенные в корпусе бублика

Реактор установлен на муфте свободного хода роликового типа. Муфта состоит из внешней и внутренней обоймы, между которыми находятся ролики и стопорные элементы. Внутренняя обойма зафиксирована на валу, а внешняя соединена с реактором. Когда ролики свободно перекатываются — обоймы вращаются независимо. При стопорении роликов пружинами обоймы сцепляются и могут двигаться только в направлении вала. Обгонная муфта обладает высокой нагрузочной способностью и износостойкостью

Для увеличения КПД и экономичности «бублика» в АКПП в конструкцию введена муфта блокировки. В ее состав входят: корпус, поршень с фрикционным диском и ступица. Корпус выполнен в виде диска с пазами, в которых установлены пружины. Они выполняют роль демпфера крутильных колебаний. Поршень представляет собой круглую металлическую плиту с приклеенным фрикционным диском со стороны корпуса ГДТ.

Принцип работы гидротрансформатора

Принцип работы гидротрансформатора АКПП основан на преобразовании и передаче крутящего момента от двигателя к трансмиссии через работу жидкости. Производитель подбирает ATF по вязкости, допуску на нагрузку двигателя, количеству присадок. Поэтому от рабочих свойств масла зависит качество работы «бублика» и всей АКПП.

С запуском двигателя начинает работать насосное колесо и масляный насос. В гидротрансформатор попадает масло АКПП. Под действием центробежной силы жидкость от насосного колеса захватывается из центральной оси и нагнетается лопастями к верхнему краю по часовой стрелке. Оттуда масло перебрасывается на верхние лопатки турбинного колеса. Давление «толкает» их, заставляя турбину вращаться.

Под действием центростремительной силы ATF от верхней границы турбины переходит к центру, усиливая вращение. Происходит трансформация крутящего момента. Чем выше частота оборотов коленчатого вала, тем сильнее раскручивается турбина.

Жидкость от лопаток турбины движется против часовой стрелки и возвращается к насосному колесу. При этом, давление масла противодействует движению насоса, затормаживая его. Прекращается усиление крутящего момента. С этого момента АКПП работает без гидротрансформатора: он перешел в режим гидромуфты.

Для предотвращения торможения между колесами установлен реактор. Его задача — перенаправить поток жидкости от турбины в направление движения насосного колеса. Кинетическая энергия масла турбины расходуется на увеличение частоты вращения насоса. Таким образом, реактор помогает двигателю вращать насос или гидротрансформатор в целом, усиливая крутящий момент.

Режимы работы

Изменение гидродинамической передачи в гидротрансформаторе обеспечивается установкой реактора на обгонную муфту. Это позволяет «бублику» автоматически переключаться в режим гидромуфта и гидротрансформатор.

Реактор свободно вращается, пока разница между скоростями насосного и турбинного колес не достигает предела. Тогда обоймы муфты стопорятся. Реактор блокируется.

Через лопасти реактора со стороны турбины проходит масла больше, чем выходит к насосу. Скорости колес выравниваются. Объем входного потока жидкости на реакторе совпадает с выходным, и муфта освобождает ректор. Так гидротрансформатор снова превращается в гидромуфту.

Проскальзывание гидротрансформатора

При большой разнице частот вращения насосного и турбинного колес происходит их пробуксовка. В ГДТ АКПП этот эффект называется проскальзыванием. Жидкость ускоряется и быстро нагревается.

20% гидравлической энергии переходит в тепловую. Излишки тепла выбрасываются в радиатор охлаждения, т.е. деньги за топливо буквально вылетают на воздух.

Чтобы повысить экономичность «бублика» в АКПП, инженеры установили муфту блокировки. Она устраняет проскальзывание ГДТ и обеспечивает режимы работы:

• полное включение;
• регулируемое по пробуксовке включение;
• полное выключение.

КПД гидротрансформатора при включении блокировки достигает 90%. Чтобы увеличить показатель до 97%, для управления муфтой в схему включили клапан с электронным управлением. В некоторых моделях АКПП блокировка включается уже на 2 передаче.

Блокировка гидротрансформатора АКПП

Муфта является гидроуправляемой и работает по сигналу золотниковых клапанов, которые приводятся в действие давлением жидкости. Трансмиссионное масло поступает в полость между кожухом «бублика» и поршневой плитой, а затем в полость турбины. Фрикционный диск не касается крышки ГДТ. Крышка работает со свободным скольжением. Когда давление в полостях равны, муфта отключена.

По сигналу из гидроблока клапан переключает контур движения масла. Давление жидкости передается к поршню со стороны турбины. В камере между поршнем и крышкой «бублика» стравливается давление. Жидкость сливается через канал. Давление со стороны турбины заставляет поршень сместиться в сторону кожуха. Муфта плавно включается.

Поршневая плита вибрирует относительно ступицы, пружины на крышке блокировочной муфты деформируются. Пружинный демпфер поглощает колебания, передавая их на вал гидротрансформатора. Трение между фрикционом и кожухом растет. В результате гидротрансформатор АКПП блокируется. Между валом двигателя и турбиной установлена жесткая связь.

При жесткой сцепке двигатель и коробка подвержены ударным нагрузкам, поскольку жидкость «бублика» не гасит удары и вибрации. Из-за высоких скоростей быстро истирается фрикцион, загрязняя масло абразивом. В результате ресурс АКПП снижается.

Управление ГДТ

Современные гидротрансформаторы АКПП находятся под управлением электронного модуля (ТСМ). Он собирает и анализирует информацию с датчиков давления, скорости вращения вала трансмиссии и других. Затем формирует импульсы, которые передаются на соленоиды в гидроблоке. Оттуда запускается алгоритм управления датчиками и клапанами.

Про масло АКПП

Рабочее тело гидротрансформатора сильно нагревается. Для охлаждения масло покидает полость «бублика» и проходит в сливной клапан. Оттуда жидкость под давлением попадает в распределительный клапан. Если датчики регистрируют повышение температуры, масло отправляется в радиатор АКПП. Охлажденная жидкость переходит в масляный насос через регулятор давления.

Эффективность ГДТ

Работу гидротрансформатора в АКПП оценивают по:

• передаточному отношению угловых скоростей его колес;
• коэффициенту трансформации, который показывает степень увеличения крутящего момента;
• коэффициенту полезного действия, определяющему энергетические свойства и экономичность;
• коэффициенту прозрачности.

Трансформация К_т зависит от диаметра «бублика», плотности масла АКПП и крутящих моментов на колесах. Максимальное значение К_т=2,5—3,0 достигается, когда турбина неподвижна. Чем выше передаточное отношение, тем ниже коэффициент трансформации. В режиме гидромуфты крутящие моменты на валах колес равны, поэтому трансформации не происходит К_т=1.

КПД гидротрансформатора зависит от соотношения мощностей, подаваемых к турбине и насосу. Показатель может достигать 97% в режиме гидромуфты, когда передаточное отношение оптимально — 0,7—0,8. В среднем КПД составляет 70—80%.

Коэффициент прозрачности П определяет, насколько ГДТ нагружает двигатель в момент изменения режима работы турбины. Для определения прозрачности нужно соотнести моменты насосного колеса при остановленной турбине и при трансформации К_т=1.

При П=1 гидротрансформатор непрозрачен. Крутящий момент турбины не влияет на работу двигателя, который находится в постоянном нагрузочном режиме. У прозрачного ГДТ П>1. Изменение нагрузки на турбинном колесе отражается на мощности двигателя. Прозрачность позволяет использовать тяговые характеристики мотора для улучшения динамики автомобиля.

Признаки неисправности

О проблемах в гидротрансформаторе сигнализирует быстрое потемнение масла после замены. Автомобиль может расходовать больше топлива и дергаться при спокойном движении. Другие признаки можно распознать по ощущениям, слуху и запаху.

Обнаружение симптомов не всегда указывает на проблему в гидротрансформаторе, поскольку причина может скрываться и в других частях коробки. Диагностика гидротрансформатора поможет определить причину и характер поломки в АКПП.

Мастер автосервиса проводит проверку по такому алгоритму:

1. Собирает информацию о побеге автомобиля, сроках замены ATF, проведенных капремонтах, симптомах.
2. Снимает коды неисправности с бортового компьютера.
3. Осматривает АКПП.
4. Ставит диагноз или проводит дополнительные тесты: меняет масло, измеряет давление, прозванивает электрические цепи.

Предварительный диагноз можно поставить и самостоятельно. Для этого нужно изучить мануалы, устройство и особенности своей АКПП.

Что в гидротрансформаторах ломается чаще всего

Муфта блокировки

Неисправности в гидротрансформаторе чаще всего возникают из-за проскальзывания или трения муфты блокировки. Фрикционный диск истирается, отслойки материала и клей попадают в масло. В результате жидкость АКПП загрязняется и перегревается. Повышается износ втулок и подшипников.

Неоднородное истирание фрикциона в ГДТ АКПП становится причиной появления вибраций при блокировке муфты. Сальники, подшипники, втулки бьются, что ведет к ускорению износа «бублика». Страдает и масляный насос, что ведет к масляному голоданию всей коробки.

Уплотнители

Другим «слабым местом» гидротрансформатора являются сальники и уплотнители. Детали изготавливают из тефлона или пластика. Они способны пройти 200 000 км. Но из-за агрессивного вождения или неудачной конструкции АКПП, уплотнители начинают протекать, быстрее стареют. Когда сальники истончаются, от них отрываются крупные фрагменты, которые засоряют масло.

Обгонная муфта

В редких случаях бывает неисправна обгонная муфта. Ролики изнашиваются, начинают проскальзывать или заклинивать. В результате муфта не может блокировать реактор. ГДТ не перейдет в режим гидромуфты. Из-за чрезмерной нагрузки обойму муфты может провернуть, а металлические продукты износа попадут в масло.

Как влияет на АКПП

«Заболевания» гидротрансформатора отражаются на других узлах КПП, выводят их из строя. «Бублик» — главный «загрязнитель» и «нагреватель» АКПП. Масло разносит по коробке фрикционную и металлическую грязь. Забивает шлаками каналы гидроблока, соленоиды, клапаны, датчики. В результате переключение передач происходит с задержкой, растет расход топлива, истираются детали автомата. Поэтому при появлении посторонних звуков, вибраций в автоматической коробке, нужно сразу проверять состояние гидротрансформатора в АКПП. Это поможет его спасти с минимальными расходами.

Ремонт ГДТ

В ремонт гидротрансформатора АКПП в сервисном центре входит:

• съем и разбор автомата;
• слив жидкости из гидротрансформатора;
• разрез сварочного шва на токарном станке;
• мытье и очистка составных деталей от стружки и масляных пятен;
• проведение внешнего осмотра;
• замена фрикционного диска, уплотнителей, даже если они в целом состоянии;
• замена подшипников, обгонной муфты, ступицы при необходимости;
• сборка, сварка корпуса;
• проверка биения, давления, герметичности;
• установка ГДТ в АКПП;
• балансировка в сборе.

От качества и точности выполненных работ зависит дальнейший срок службы гидротрансформатора. Для ремонта нужны специализированные инструменты, станки, стенды, знания особенностей конкретной АКПП. В случае неполадок нужно обращаться в узконаправленный сервис, который «набил руку» на ремонте определенной модели.

Агрегат не всегда можно починить. Для особо редких экземпляров сложно найти замену. В этому случае принимают решение о восстановлении деталей ГДТ.

Средняя цена за ремонт «бублика» АКПП составляет 5000 р. Замена — от 50 000 р. Цены зависят от модели агрегата и сложности поломки.

Рекомендации по обслуживанию и эксплуатации ГДТ

Применение «бублика» в трансмиссии упрощает и облегчает управление автомобилем даже в тяжелых условиях. Однако, АКПП с гидротрансформатором при сравнении с МКПП проигрывает по параметрам:

• низкий КПД без применения блокировки;
• расход топлива на 10% выше;
• малый диапазон изменения крутящего момента «бублика» и необходимость установки планетарного редуктора;
• сложность конструкции и обслуживания;
• высокая стоимость.

Чтобы стать постоянным клиентом мастерской по ремонту гидротрансформатора АКПП, нужно соблюдать два правила:

• как можно чаще вжимать педали газа и тормоза в пол, чтобы быстрее истереть фрикцион муфты блокировки в абразивную пудру, загрязнить масло и ускорить износ автомата;
• никогда не менять жидкость, особенно, если она черная, горячая, а уровень выше или ниже нормы.

Если серьезно, то ГДТ выходит из строя медленно и незаметно для водителя. Явный сигнал неисправности — течь масла в месте соединения гидротрансформатора и двигателя. Другие признаки неполадки могут проявляться уже на стадии распространения «заболевания» по все АКПП. Поэтому, если автомобиль ведет себя странно: медленно разгоняется, увеличил расход топлива, при движении появляется вибрация — нужно отправить машину на проверку.

Перед самостоятельным осмотром коробки нужно изучить устройство и особенности конкретной модели АКПП. Чтобы добраться до гидротрансформатора, придется снимать всю коробку. Без распила и разборки отремонтировать «бублик» не получится. Промывка гидротрансформатора растворителями может повредить колесам и «разъесть» сальники.

После ремонта и сборки АКПП необходима балансировка гидротрансформатора. Не все сервисы проводят эту операцию, поскольку она трудоемка и проблематична. ГДТ работает на высоких оборотах — дисбаланс или нарушение соосности валов выведут из строя не только «бублик», но и всю АКПП.

Срок службы современного гидротрансформатора АКПП составляет 150 — 200 000 км. Ресурс сократится до 100 000, если менять масло. Фрикционы истираются к 120 — 150 000 км и тоже требуют замены. После 200 000 км «бублику» с регулируемым проскальзыванием прописан плановый капремонт.