Гидротрансформатор. Общее устройство и принцип действия.
Гидротрансформатор (ГТ) (torque converter) служит для передачи крутящего момента непосредственно от двигателя к элементам автоматической коробки передач (АКП) и состоит из следующих основных частей:
- насосное колесо или насос (pump);
- плита блокировки ГТ (lock - up piston);
- турбинное колесо или турбина (turbine);
- реактор;
- обгонная муфта (one - way clutch).
Для иллюстрации принципа действия ГТ как элемента, передающего крутящий момент, воспользуемся примером с двумя вентиляторами. Один вентилятор (насос) включён в сеть и создаёт поток воздуха. Второй вентилятор (турбина) - выключен, однако, его лопатки, воспринимая поток воздуха, создаваемого насосом, вращаются. Скорость вращения турбины меньше, чем у насоса, она как бы проскальзывает по отношению к насосу. Если применить этот пример по отношению к ГТ, то в нём в качестве вентилятора, включённого в сеть (насоса), выступает крыльчатка насосного колеса.
Насосное колесо механически связано с двигателем. В качестве выключенного вентилятора (турбины) выступает турбинное колесо, соединённое через шлицы с валом АКП. Подобно вентилятору - насосу, крыльчатка насосного колеса ГТ, вращаясь, создаёт поток, только уже не воздуха, а жидкости (масла). Поток масла, как и в случае с вентилятором - турбиной, заставляет вращаться турбинное колесо ГТ. В данном случае ГТ работает как обыкновенная гидромуфта, лишь передавая посредством жидкости крутящий момент от двигателя на вал АКП, не увеличивая его. Увеличение оборотов двигателя не приводит к сколь - нибудь существенному увеличению передаваемого крутящего момента.
Снова возвратимся к иллюстрации с вентиляторами. Поток воздуха, крутящий лопатки вентилятора - турбины, рассеивается впустую в пространстве. Если же этот поток, сохраняющий значительную остаточную энергию, направить снова к вентилятору - насосу, он начнёт вращаться быстрее, создавая более мощный поток воздуха, направленный к вентилятору - турбине. Тот, соответственно, тоже начнёт вращаться быстрее. Это явление известно как преобразование (увеличение) крутящего момента.
В ГТ в процесс преобразования крутящего момента помимо насосного и турбинного колёс включён реактор, который изменяет направление потока жидкости. Подобно воздуху, вращавшему лопатки вентилятора - турбины, поток жидкости (масла), вращавший турбинное колесо ГТ, всё ещё обладает значительной остаточной энергией. Статор направляет этот поток обратно на крыльчатку насосного колеса, заставляя её вращаться быстрее, увеличивая тем самым крутящий момент. Чем меньше скорость вращения турбинного колеса ГТ по отношению к скорости вращения насосного колеса, тем большей остаточной энергией обладает масло, возвращаемое статором на насос, и тем большим будет момент, создаваемый в ГТ.
По аналогичной схеме работает автоматическая трансмиссия и при старте с места. Только теперь самое время вспомнить про педаль газа, нажатие на которую увеличивает обороты коленчатого вала, а значит, и насосного колеса, и про то, что сначала автомобиль, а следовательно, и турбина находились в неподвижном состоянии, но внутреннее проскальзывание в гидротрансформаторе не мешало двигателю работать на холостом ходу (эффект выжатой педали сцепления). В этом случае крутящий момент трансформируется в максимально возможное число раз. Зато когда достигнута необходимая скорость, надобность в преобразовании крутящего момента отпадает. Гидротрансформатор посредством автоматически действующей блокировки превращается в звено, жестко связывающее его ведущий и ведомый валы. Такая блокировка исключает внутренние потери, увеличивает значение КПД передачи, уменьшает расход топлива в установившемся режиме движения, а при замедлении повышает эффективность торможения двигателем. Кстати, одновременно с целью снижения все тех же потерь реактор освобождается и начинает вращаться вместе с насосным и турбинным колесом.
Левый рисунок - Реактор ГТ удерживается обгонной муфтой; Правый рисунок - Статор ГТ вращается свободно.
Турбина всегда имеет скорость вращения меньшую, чем насос. Это соотношение скоростей вращения турбины и насоса максимально при неподвижном автомобиле и уменьшается с увеличением его скорости. Поскольку реактор связан с ГТ через обгонную муфту, которая может вращаться только в одном направлении, то, благодаря особой форме лопаток реактора и турбины поток масла направляется на обратную сторону лопаток реактора (рис. 4), благодаря чему реактор заклинивается и остаётся неподвижным, передавая на вход насоса максимальное количество остаточной энергии масла, сохранившееся после вращения им турбины. Такой режим работы ГТ обеспечивает максимальную передачу им крутящего момента. Например, при трогании с места ГТ увеличивает крутящий момент почти в три раза.
По мере разгона автомобиля проскальзывание турбины относительно насоса уменьшается и наступает момент, когда поток масла подхватывает колесо реактора и начинает вращать его в сторону свободного хода обгонной муфты (см. рис. 5). ГТ перестаёт увеличивать крутящий момент и переходит в режим обычной гидромуфты. В таком режиме ГТ имеет КПД, не превышающий 85%, что приводит к выделению в нём излишнего тепла и, в конечном счёте, увеличению расхода топлива двигателем автомобиля.
Для устранения этого недостатка используется блокировочная плита (рис. а). Она механически связана с турбиной, однако, может перемещаться влево и вправо. Для её смещения влево поток масла, питающий ГТ, подаётся в пространство между плитой и корпусом ГТ, обеспечивая их механическую развязку, то есть, плита в таком положении никак не влияет на работу ГТ.
При достижении автомобилем высокой скорости по особой команде от устройства управления АКП поток масла изменяется так, что он прижимает блокировочную плиту вправо к корпусу ГТ (рис. б). Для увеличения силы сцепления на внутреннюю сторону корпуса наносится фрикционный слой. Происходит механическая блокировка насоса и турбины посредством плиты. ГТ перестаёт выполнять свои функции. Двигатель жёстко связывается с входным валом АКП. Естественно, при малейшем торможении автомобиля блокировка немедленно выключается.