Чому автомобілям з автоматичною коробкою передач потрібен гідротрансформатор для зупинки без ковтання двигуна?
Водіям, знайомим із механічною коробкою передач, ця процедура напевно знайома. Двигун. Зчеплення. Коробка передач. Коли ви відпускаєте педаль зчеплення, двигун глухне. Натискаєте її і машина починає рух. Це механічне з’єднання, яке при необхідності переривається. А як бути з автоматичною коробкою? Там немає педалі зчеплення. Немає від’єднання. Однак коли автомобіль стоїть на місці, двигун продовжує працювати.
Як це працює?
Відповідь криється в гідротрансформаторі.
Хоча назва звучить як складне технологічне диво, насправді це гідравлічна муфта. Вона замінює механічне зчеплення у механічній коробці передач. Без неї автомобіль з автоматичною коробкою передач глухий би щоразу при натисканні на гальмо. Це дозволяє двигуну обертатися незалежно від коліс. Не магія. Це гідродинаміка.
Фізика крутного моменту
Давайте прояснимо один момент. Крутний момент – це не швидкість. Це сила, що обертає.
Обертання колінчастого валу створює крутний момент. Чим більше момент, що крутить, тим швидше можна розігнатися. Це енергія, яка стоїть за рухом. У механічній коробці передач крутний момент двигуна передається безпосередньо на коробку. Колеса обертаються. Двигун працює. Вони жорстко пов’язані.
В автоматичній коробці передач справа інакша.
Гідротрансформатор розташований між двигуном та коробкою передач. Він використовує трансмісійну рідину передачі потужності. Коли ви зупиняєтеся на червоне світло, двигун працює на неодружених оборотах. Гідротрансформатор обертається. Але вхідний вал коробки при цьому обертатися не повинен. Рідина дозволяє відбуватися проковзування. Саме це прослизання є ключем до того, щоб не затихнути.
Більшість людей плутають класичні автоматичні коробки з сучасними варіаторами (CVT) або напівавтоматичними коробками. Тут мова йде про традиційні планетарні автоматичні коробки передач. Про тих самих, за кермом яких ви, мабуть, сиділи з 1950-х років. Ці системи повністю залежить від цієї гідравлічної муфти. Нові технології, такі як безступінчасті трансмісії (CVT), використовують ремені та шківи. Гідротрансформатор у них не застосовується. А як же класичні автоматичні коробки? Вся справа в рідині.
Усередині трансформатора
Цей пристрій виглядає як велика важка металева гайка. Зовні це все, що можна побачити. Але всередині три основні компоненти працюють разом.
- Насос-лопаткове колесо (з’єднане з двигуном)
- Турбіна (з’єднана з коробкою передач)
- Реактор (розташований між ними)
Двигун обертає насос. Насос нагнітає трансмісійну рідину турбіну. Турбіна обертається. Турбіна обертає вхідний вал коробки передач. Машина рухається.
Але тут починається найцікавіше. Якби були тільки насос та турбіна, ККД був би дуже низьким. Потужність губилася б. На сцену виходить реактор.
Реактор змінює напрямок потоку рідини, що повертається від турбіни. Він посилює момент, що крутить. Саме тому пристрій і називається гідротрансформатор. На низьких швидкостях гідротрансформатор множить крутний момент двигуна. Це дає початковий поштовх при натисканні на педаль газу зі старту. Без цього множення автомобілі з автоматичною коробкою передач здавалися б повільними.
Реактор зафіксовано в одному положенні за допомогою обгінної муфти. Це дозволяє ефективно змінювати напрямок потоку рідини під час прискорення. Як тільки автомобіль набирає швидкість, потік рідини змінюється. Реактор починає вільно обертатися. Він перестає множити крутний момент. На швидкостях трасою гідротрансформатор
Механічний принцип роботи гідравлічного зчеплення
Розглядайте гідротрансформатор як гідравлічний міст між двигуном та коробкою передач. Він не з’єднаний жорстко як зчеплення в автомобілі з механічною коробкою передач. Натомість він використовує рідину для автоматичної коробки передач (ATF) для передачі потужності. Така конструкція дозволяє двигуну працювати на неодруженому ходу без зупинки всього трансмісійного тракту.
Коли ви зупиняєтеся на світлофорі, обороти двигуна зростають, але майже нічого не передається на колеса. Рідина прослизає. В результаті зупинка автомобіля на світлофорах відбувається легко, і вам майже не потрібно натискати на гальмо педаль. Передача моменту, що крутить, мінімальна.
Натисніть на педаль акселератора. Швидкість обертання зростає. Насос гідротрансформатора працює інтенсивніше та закачує більше рідини в систему. Це передає реальну потужність коробку передач. Якщо гальма не натиснуті сильно, автомобіль різко рушить вперед. Це несправність. Це фізика, яка виконує саме те, для чого вона була розроблена.
Усередині гідротрансформатора
Усередині самого гідротрансформатора три основні компоненти працюють разом. Вони не з’єднані болтами. Вони діють за принципом ланцюгової реакції.
Перший — це насос (або робоче колесо насоса). Він безпосередньо з’єднаний із маховиком двигуна. Коли двигун обертається, насос також обертається. Він працює як відцентровий насос, розкидаючи рідину назовні.
Ця рідина потім потрапляє на інший компонент – турбіну. Турбіна з’єднана із вхідним валом коробки передач. Рідина від насоса ударяє по лопатках турбіни та змушує їх обертатися. Саме так потужність передається від двигуна до коробки.
Однак ранні гідротрансформатори втрачали енергію. Рідина просто проходила крізь турбіну, втрачаючи імпульс і поверталася до двигуна. Тут з’являється третина: статор.
Статор розташований між турбіною та насосом. На низьких швидкостях він може обертатися вільно. Переадресація рідини, що повертається, назад до насоса вимагає певної винахідливості. Вона додає силу вхідного потоку. Саме цей збільшений момент, що крутить, дозволяє автомобілям з автоматичною коробкою передач легко розганятися з місця, незважаючи на більш «слизьке» з’єднання в порівнянні з механічним зчепленням.
«Статор направляє рідину, що повертається, на низьких швидкостях для збільшення крутного моменту, ефективно забезпечуючи додаткову потужність при розгоні».
На високих швидкостях статор обертається вільно коли швидкість турбіни досягає швидкості насоса. Він перестає додавати момент, що крутить, і продовжує обертатися. Це знижує опір на шосе та покращує паливну економічність. Гідротрансформатор по суті перетворюється на зчеплення з рідинним заповненням з дуже невеликим ковзанням.
Зчеплення з блокуванням
Сучасні коробки вирішили проблему ефективності через прослизання за допомогою зчеплення з блокуванням. При досягненні швидкості руху по шосе гідравлічний тиск включає пластину зчеплення гідротрансформаторі. Це автоматично блокує турбіну з насосом.
Двигун і коробка обертаються з абсолютно однаковою швидкістю. Прослизання буде близько до нуля. Паливна економічність різко зростає. Кількість тепла, що виділяється, зменшується. Ви отримуєте надійність жорсткого з’єднання та зручність плавного автономного водіння.
Не всі гідротрансформатори блокуються одразу. Деякі підключаються лише на високих передачах для економії палива. Деякі реалізують фазу “часткового блокування” для згладжування перемикань. Конкретна поведінка залежить від калібрування виробника та передбачуваного використання транспортного засобу. Вантажівки для важких умов експлуатації можуть залишати гідротрансформатор розблокованим протягом тривалого часу для керування теплом та крутним моментом. Спортивні седани можуть блокуватись майже миттєво для максимальної чуйності.
Симптоми несправності гідротрансформатора
Усередині товстого сталевого корпусу чотири елементи виборюють панування. Це насосне колесо (імпелер). Турбін. Статор. А також трансмісійна рідина. Вона діє як клей, який утримує весь цей хаос разом.
Корпус безпосередньо прикручено до маховика двигуна. Це означає, що вам не потрібно турбуватися про вибір передачі. Він обертається на будь-якій швидкості двигуна. Лопатки насоса прикріплені до корпусу. Він обертається разом із двигуном. Крапка.
Схематичний поперечний переріз нижче показує, як саме ці деталі з’єднані.
Механічний принцип гідрозчеплення
Більшість людей вважають гідротрансформатор просто гідрозчепленням. Це негаразд. Це помножувач моменту, що крутить. Ця відмінність важлива для розуміння того, чому автомобіль не глухне на світлофорі.
Насосне колесо – це насос. Приводиться у дію двигуном. Він відкидає рідину назовні. Ця рідина потрапляє на турбіну. Турбіна з’єднана із вхідним валом коробки передач. Коли рідина попадає на турбіну, вона починає обертатися. Потужність передається від двигуна до коробки.
Досить просто, правда?
Але в середині стає складніше.
Статор розташований між насосним колесом та турбіною. Це ваша секретна зброя. Статор змінює напрямок рідини. Змінюється напрямок потоку. Ця зміна напряму призводить до множення моменту, що крутить. Особливо на низьких швидкостях.
Без статора ви втрачаєте більшу частину тяги на низьких обертах. Рідина просто обертається марно. Статор вловлює її. І повертає назад до насосного колеса. Цей цикл повторюється.
Чому корпус обертається
Корпус – це якір. Він прикручений до гнучкого диска (флексплейту). Гнучкий диск прикручений до колінчастого валу. Отже, коли двигун обертається, обертається корпус. Жодного прослизання. Жодних затримок.
Насос знаходиться усередині цього корпусу. Лопатки прикріплені до внутрішньої стінки. Вони обертаються із частотою обертання двигуна. Це створює напругу. Тиск змушує рідину рухатися. Рідина приводить у дію турбіну.
Якщо корпус не надійно з’єднаний із двигуном, все буквально розвалиться.
Поперечний переріз
Ви можете побачити компонування, подивившись на схему поперечного перерізу.
- Зовнішнє кільце : Корпус. Кріпиться до маховика.
- Внутрішній насос : З’єднаний із зовнішнім корпусом. Наводить рідину в рух.
- Статор : Прикріплений до обгінної муфти. Він не може обертатися вільно. Турбіна обертається тільки вперед, якщо вона обертається швидше ніж насосне колесо.
- Турбіна : З’єднана із коробкою передач. Наводить колеса (непрямо).
Рідина циркулює. Всередину. Назовні. По колу.
Це не жорстка сполука. Воно гідравлічне. Є ковзання. Ви можете це відчути. На неодруженому ходу двигун обертає корпус. Турбіна нерухома. Рідина легко обертається. Передача потужності відсутня.
Що відбувається, коли ви натискаєте на педаль газу?
Насосне колесо обертається швидше. Швидкість рідини зростає. Тиск зростає. Турбіна починає обертатися. Муфта блокування підключається пізніше в циклі, щоб запобігти прослизу. Але досі? Вся справа у гідродинаміці.
Статор залишається заземленим. Він змінює напрямок рідини, що повертається. Це збільшує крутний момент. Отже, ви можете повільно повзти у пробці, не глухнувши. Трансформатор подвоює потужність двигуна.
Це дуже заплутано. Це
Принцип роботи робочого колеса гідротрансформатора
Робоче колесо функціонує як відцентровий насос. Воно розташоване всередині гідротрансформатора. При обертанні двигуна рідина розкидається до зовнішнього краю. Згадайте вашу пральну машину: під час віджиму вода та одяг притискаються до стінок барабана. Робоче колесо здійснює аналогічні дії з трансмісійною рідиною.
Ця відцентрова сила створює вакуум у центрі.
Вакуум затягує нову порцію рідини. Це безперервний цикл. Рідина викидається назовні, а всередину надходить нова порція. Цей цикл створює гідравлічний тиск, необхідний передачі потужності від двигуна до трансмісії. Без цього ефекту всмоктування гідротрансформатор не працюватиме. Рідина має продовжувати циркулювати. В іншому випадку передача потужності повністю припиниться.
Коли трансмісійна рідина залишає насос, вона потрапляє на лопатки турбіни. Це не просто пасивний рух. Турбіна жорстко з’єднана з вхідним валом коробки передач, тому коли рідина впливає на ці лопатки, вона змушує вал обертатися. Потужність передається через півосі та диференціали і, нарешті, досягає провідних коліс.
Зверніть увагу на форму лопаток. Вони вигнуті. Рідина надходить від зовнішнього краю і має повернутися до центру, щоб вийти через центральну маточину. Зміна траєкторії потоку створює момент, що крутить.
Тут без винятків діє третій закон Ньютона. Коли ви змінюєте напрямок руху об’єкта, на нього виявляється сила. Об’єкти надають рівні та протилежно спрямовані сили. Лопатки турбіни направляють рідину всередину та розгортають її потік. Рідина, своєю чергою, тисне на лопатки. Цей тиск змушує турбіну обертатися.
Однак є проблема з вихідним потоком. Коли рідина залишає турбіну, її рух спрямований протилежно напрямку обертання насоса або двигуна. Коли поточна рідина знову потрапляє на робоче колесо, вона діє як гальмо. Це споживає енергію двигуна та знижує його ефективність.
Саме тому гідротрансформатор вимагає наявності статора.
Роль статора у перетворенні крутного моменту
Статор розташований між турбіною та насосом. Він не обертається так вільно, як два інші компоненти. Його завдання — перенаправити рідину, що виходить із турбіни, так, щоб вона потрапляла на насос у правильному напрямку.
Без статора гідротрансформатор є лише гідравлічним зчепленням. Він передає енергію, але з додає її. Завдяки статору трансформатор здатний збільшувати момент двигуна, що крутить, особливо на низьких швидкостях. Саме тому ви відчуваєте приріст потужності під час розгону з місця. Статор блокується і розгортає напрямок потоку, створюючи ланцюгову реакцію, яка посилює зусилля.
Коли статор заблоковано?
Статор не завжди залишається заблокованим. У міру підвищення швидкості автомобіля швидкість турбіни наближається до швидкості насоса. Рідина, що виходить з турбіни, більше не тече сильно у зворотному напрямку, щоб отримати вигоду від зміни напрямку. У цей момент обгінна статора муфта відпускається.
Статор починає обертатися разом із рештою вузла. Опір практично відсутній. Гідротрансформатор фактично стає гідравлічним зчепленням. Це знижує втрати на тертя та підвищує паливну ефективність на швидкостях шосе.
Множення крутного моменту та пряма передача
Розуміння роботи статора пояснює, чому автомобілі з механічною коробкою передач відчуваються повільнішими в порівнянні з автоматичними. Гідротрансформатор збільшує крутний момент двигуна під впливом статора. Механічні зчеплення залежить тільки від оборотів двигуна і матеріалу фрикційних накладок. Трансформатори згладжують передачу потужності одночасно збільшуючи її.
Така конструкція має компроміси. Гідравлічні зчеплення за своєю природою менш ефективні, ніж механічні. Завжди є деяке прослизання. Але ключовим моментом є компроміс між плавністю роботи і збільшеним моментом, що крутить.
Статор – це непомітний герой автоматичної коробки. Він збільшує момент, що крутить, і робить важкі автомобілі більш чуйними при старті з місця. Без цього всім автомобілям з автоматичною трансмісією були б потрібні двигуни величезного об’єму, щоб працювати так само добре, як малолітражні автомобілі з механічною коробкою.
У наступному розділі описуються механічні деталі обгінної муфти статора.
Як працює статор гідротрансформатора на шосе?
Статор розташований у центрі гідротрансформатора. Він перенаправляє рідину, що повертається від турбіни, перед її повторним надходженням у насос. Це просте рішення підвищує ефективність.
Лопатки статора мають агресивну форму. Вони практично повністю змінюють напрямок потоку рідини. Обгінна муфта у статорі блокує його на фіксованому валу. Напрямок, у якому муфта дозволяє обертання, чітко визначено. Така конструкція означає, що статор не може обертатися разом із рідиною. Можливе лише зворотне обертання. Це призводить до зміни напрямку рідини при ударі об лопатки.
Все стає важче, коли умови ускладнюються. На шосе крильчатка (насос) та турбіна обертаються приблизно з однаковою швидкістю. Насос завжди трохи швидше, але вони близькі за швидкістю. У цей момент статор не потрібний.
Рідина, що повертається від турбіни, потрапляє в насос, який рухається в тому ж напрямку.
Уявіть, що ви стоїте за пікапом, що рухається зі швидкістю 60 миль на годину. Ви кидаєте м’яч ззаду зі швидкістю 40 миль на годину. М’яч все ще рухається вперед зі швидкістю 20 миль на годину. Той самий принцип застосовний до турбін. Турбіна обертається із високою швидкістю в одному напрямку. Вона викидає рідину ззаду, але так швидко, як початкова швидкість руху вперед. Рідина ще рухається вперед щодо насоса.
Коли автомобіль досягає таких швидкостей, рідина ударяється об задню частину статора лопаток. Статор вільно обертається за допомогою обгінної муфти. Обертання вільне. Чи не блокує потік.
Переваги та недоліки гідротрансформатора
Трюк з множенням крутного моменту
Думаєте, гальмування зупинить автомобіль? Неправильно. Тут важливу роль відіграє гідротрансформатор. Він запобігає глуханню двигуна при зупинці на червоне світло. Але на цьому його функції не обмежуються. Він працює як множник сили.
Гідротрансформатор збільшує крутний момент двигуна вдвічі-втричі при рушанні з місця. Цей “фокус” працює тільки в тому випадку, якщо двигун обертається значно швидше, ніж трансмісія. Прослизання створює ефект множення крутного моменту.
Пояснення конвертерів з високою кількістю обертів
Штатні автомобілі використовують стандартні гідротрансформатори. Вони ідеально підходять для подорожей. Але що щодо драг-рейсерів? Їм потрібне щось інше.
Конвертери з високим числом оборотів (high-stall) це відповідь на їх потреби. Вони затримують включення блокувальної муфти. Це дозволяє двигуну набирати вищі оберти до передачі потужності на колеса. Час не витрачається низькі обороти. Коли двигун наближається до пікової потужності, відбувається запуск автомобіля.
Це чудово підходить для треку. Але погано для щоденних поїздок працювати. У звичайних дорожніх умовах конвертер із високим числом оборотів може зробити автомобіль млявим. Він постійно шукатиме потрібну передачу. Це призведе до перевитрати палива. Це нішевий інструмент для конкретного завдання.
Зниження ефективності
Це неприємна правда про автоматичні коробки передач. Під час руху трасою швидкості двигуна і трансмісії різняться. Трансмісія відстає. Зазвичай вона обертається зі швидкістю близько 90% швидкості двигуна.
Ця різниця в 10% коштує недешево. Енергія губиться. При перемішуванні рідини усередині генерується тепло. Потужність розсіюється в атмосферу. З цієї причини автоматичні трансмісії зазвичай мають найгіршу паливну економічність у порівнянні з механічними. Прослизання відбувається постійно. Ця неефективність накопичується.
Рішення з блокуванням
Інженери ненавидять втрати. Тому вони винайшли блокувальну муфту.
Коли гідротрансформатор досягає крейсерської швидкості, муфта вмикається. Вона фізично поєднує дві половини разом. Двигун та коробка передач обертаються з однаковою швидкістю. Немає ковзання. Нема нагріву. Немає втрати потужності.
Це просте механічне з’єднання може відновити втрачену ефективність. Наближає роботу автоматичної трансмісії до механічної показників.
Війна за кількість передач
Але однієї лише блокувальної муфти вже недостатньо. Передавальні числа в сучасних автомобілях з автоматичною коробкою просто божевільні. До 10 передач уперед. Навіщо? Це дозволяє тримати двигун у оптимальному режимі роботи. Чим більше передач, тим менше двигуну доводиться набирати обертів підтримки тієї ж швидкості.
У старих механічних коробках було п’ять чи шість передач. У сучасних автомобілях їх ще більше. Це забезпечує більш оптимальну доставку потужності. Вони імітують ефективність старих механічних конструкцій, але також пропонують зручність автоматичної трансмісії.
Чи це ідеально? Ні, це дуже складно. Але це працює. Гідротрансформатор еволюціонував від найпростіших гідравлічних муфт до складних, високоефективних пристроїв. Це диво гідравлічної інженерії, замасковане під простий компонент у формі чаші.
Я ніколи не бачу, як включається блокувальна муфта. Ви не відчуєте множення моменту, що крутить. Це просто відбувається. Під капотом. У темряві. Де їй і належить бути.
