Острецов А.В., Бернацкий В.В., Есаков А.Е. Роботизированные коробки передач. Конструкция

81

Охлаждение масла производится в масляно-водяном теплообменнике, включенном в систему охлаждения двигателя.

Квходным датчикам системы управления КП относятся:

-датчик положения селектора;

-датчик частоты вращения вала ведущего шкива;

-датчик частоты и датчик направления вращения вала ведомого шкива;

-датчик температуры масла в КП (измеряет температуру алюминиевого основания ЭБУ трансмиссии, которая примерно равняется температуре масла в КП);

- датчик давления масла в магистрали фрикционов переднего и заднего хода.

Электрогидравлический блок управления объединен с ЭБУ КП и масляным насосом в единый узел, который находится в картере КП.

Электронный блок управления выполняет следующие функции:

-в автоматическом режиме: осуществляет выбор наиболее рационального передаточного отношения вариатора в пределах диапазона его регулирования в соответствии с условиями движения (величиной сопротивления движению) и желаниями водителя (положением педали подачи топлива и скоростью её нажатия);

-в полуавтоматическом (ручном) режиме переключения передач (реализация функции «Tiptronic»): обеспечивает имитацию выбора шести фиксированных передаточных отношений (чисел) вариатора. Включение функции «Tiptronic» может производиться либо селектором, либо переключателями на рулевом колесе.

-управляет работой фрикционов сцепления;

-осуществляет синхронное изменение диаметров ведущего и ведомого шкивов вариатора в соответствии с режимами работы двигателя;

-управляет работой КП при включении режима «kick down» (быстрого изменения передаточного отношения вариатора для получения максимального ускорения движения автомобиля), которое производится отдельным выключателем в конце хода педали подачи топлива. Датчики модуля педали подачи топлива фиксируют повышенную величину напряжения сигнала, ЭБУ двигателем распознает, что режим «kick down» включён, и подает сигнал об этом по шине CAN ЭБУ КП, который выбирает наиболее динамичную характеристику регулирования (ускорения).

82

На основании сигналов датчиков ЭБУ КП вычисляет величину давления масла и реализует это давление путем воздействия на электромагнитные клапаны.

Непосредственное управление работой вариатора осуществляется селектором. Режимы управления аналогичны режимам управления классической АКП.

Программа управления

Для управления трансмиссией вариатором в ЭБУ трансмиссии заложена программа управления.

Программа обеспечивает регулирование передаточного числа вариатора таким образом, чтобы характер движения автомобиля соответствовал желанию водителя, который бы ощущал, что трансмиссия работает так, как если бы управление ей осуществлялось в ручном режиме. Алгоритм программы представлен на рис. 53.

Чтобы передаточное число трансмиссии в любой ситуации было наиболее рациональным, необходимо учитывать как стиль вождения автомобиля, так и режим движения и профиль дороги.

Для этого блок управления оценивает скорость нажатия на педаль подачи топлива и её положение (оценка желания водителя), а также скорость и ускорение автомобиля (режим движения, профиль дороги). Затем, путем изменения передаточного числа вариатора в пределах между наиболее экономичной и спортивной характеристиками движения автомобиля устанавливается заданный уровень частоты вращения ведущего шкива вариатора.

На рис. 54 показано изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя во время ускорения (разгона) автомобиля при вклю-

ченном режиме «kick down» (Sn = 100 %).

Включением режима «kick down» водитель сообщает блоку управления КП о том, что он хочет, чтобы автомобиль разгонялся с наибольшим ускорением.

Для этого двигатель должен в кратчайшее время развить максимальную мощность, поэтому частота вращения его коленчатого вала доводится до уровня, соответствующего частоте вращения при максимальной мощности двигателя, и поддерживается на этом уровне до тех пор, пока не прекратится воздействие на педаль подачи топлива.

83

Рис. 53. Алгоритм программы управления КП

Такое действие водителя обеспечивает наиболее динамичный разгон автомобиля и позволяет поддерживать наивысшую скорость в конкретных условиях движения.

Так как частота вращения коленчатого вала двигателя возрастает быстрее, чем скорость движения, то у водителя возникает ощущение, подобные ощущению при буксовании сцепления.

Чтобы данный эффект проявлялся в меньшей степени, при разгоне автомобиля с полной нагрузкой двигателя (Sn = 100 %), но без включения режима «kick down» или с частичной нагрузкой (например, Sn = 80 %) регулирование вариатора осуществляется по другим характеристикам. Эти характеристики соответствуют пропорциональному увеличению частоты вращения коленчатого вала двигателя и вала ведущего шкива КП в зависимости от скорости нажатия на педаль подачи топлива и её положения (рис. 55). Такое регулирование

84

имитирует известное по работе с АКП поведение автомобиля, вызывая у водителя привычные ощущения. В соответствии со стилем вождения автомобиля при резком нажатии на педаль подачи топлива (спортивный стиль) устанавливается высокий уровень нарастания частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис. 56), а при плавном её нажатии (экономичный стиль) – низкий (рис. 57).

Рис. 54. Характеристика разгона автомобиля в режиме «kick down»:

Т – время, с; ne – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; Sn – ход педали подачи топлива, %; Vа – скорость автомобиля, км/ч

Уменьшение степени нажатия на педаль подачи топлива ведет к снижению частоты вращения коленчатого вала двигателя. При резком отпускании педали подачи топлива, особенно при спортивном стиле вождения, частота вращения коленчатого вала двигателя некоторое (более длительное) время поддерживается на высоком уровне (торможение двигателем, высокая частота принудительного холостого хода), что при последующем резком нажатии на педаль подачи топлива обеспечивает динамичный разгон автомобиля.

Для распознавания величины дополнительного сопротивления движению NΣ (подъем, движение с прицепом) ЭБУ трансмиссии рассчитывает мощность на преодоление этого сопротивления:

NΣ = Ne – Nj – Nf ,

где Ne – фактическая мощность двигателя; Nj – мощность, затрачиваемая на разгон автомобиля; Nf – мощность, затрачиваемая на преодоление сил сопротивления движению.

85

Рис. 55. Характеристика разгона автомобиля с частичной нагрузкой двигателя (Sn = 80 %):

Т – время, с; ne – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; Sn – ход педали подачи топлива, %; Vа – скорость автомобиля, км/ч

Рис. 56. Характеристика разгона автомобиля при спортивном стиле вождения:

Т – время, с; ne – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; Sn – ход педали подачи топлива, %; Vа – скорость автомобиля, км/ч

При преодолении подъёма мощность двигателя и частота вращения его коленчатого вала возрастают за счёт увеличения передаточного отношения вариатора, поэтому водитель избавляется от необходимости увеличения нажатия на педаль подачи топлива (рис. 58).

86

При движении под уклон для использования торможения двигателем водитель должен нажать на педаль тормоза, чтобы сообщить о своём намерении ЭБУ КП.

Рис. 57. Характеристика разгона автомобиля при экономичном стиле вождения:

Т – время, с; ne – частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1; Sn – ход педали подачи топлива, %; Vа – скорость автомобиля, км/ч

Рис. 58. Характеристика зависимости частоты вращения коленчатого вала двигателя ne от скорости движения автомобиля Vа

при преодолении подъёма:

1 – крутизна подъёма 15 %; 2 – крутизна подъёма 5 %; 3 – горизонтальный участок дороги; 4 – прирост частоты вращения коленчатого вала двигателя при движении автомобиля на подъём крутизной 5 %

Если двигатель работает на принудительном холостом ходу, а скорость, несмотря на нажатую педаль тормоза, возрастает, то пере-

87

даточное отношение вариатора увеличивается и вместе с ним увеличивается тормозной момент двигателя.

При многократном нажатии на педаль тормоза (скорость при этом не снижается) ЭБУ КП постепенно изменяет передаточное отношение вариатора в сторону увеличения. Таким образом, водитель может существенно влиять на торможение двигателем.

С уменьшением крутизны уклона передаточное отношение вариатора изменяется в сторону уменьшения. При этом скорость движения немного увеличивается.

Если водитель нажал педаль тормоза при подъезде к спуску и во время движения под уклон продолжает удерживать ее нажатой, то до тех пор, пока под действием тормозов скорость автомобиля остаётся практически неизменной, ЭБУ КП не в состоянии распознать намерений водителя и помочь ему увеличением момента торможения двигателя. Но как только ускорение автомобиля превысит определенное значение, функция торможения двигателем включается.

Защитные функции работы

Для контроля температуры электронных компонентов в алюминиевое основание ЭБУ КП встроен датчик температуры. Его показания примерно соответствуют температуре масла в КП.

Для защиты электронных компонентов ЭБУ КП от перегревания и обеспечения их работоспособности при температуре масла 145 0C и более ЭБУ КП ступенчато снижает крутящий момент двигателя до тех пор, пока частота вращения коленчатого вала двигателя не снизится до частоты холостого хода и автомобиль остановится.

Для защиты узлов КП клапан ограничения давления ограничивает давление масла в гидросистеме до 8,2 МПа (82 бар).

3.4. Буксирование автомобиля

При буксировании автомобиля необходимо соблюдать следующие условия:

-селектор должен находиться в положении «N»;

-допустимая скорость буксирования не должна превышать

50км/ч;

-допустимое расстояние буксирования не должно превышать

50км; Это связано со следующими причинами:

88

1.При буксировании автомобиля масляный насос КП не работает

исмазывание вращающихся деталей не осуществляется, поэтому расстояние буксирования автомобиля ограничено.

2.При буксировании автомобиля ведомый шкив вариатора приводит во вращение ведущий шкив. Конструкция вариатора предусматривает, что в этом случае он устанавливается в положение, соответствующее передаточному числу примерно 1:1. Ограничение скорости буксирования предохраняет ведущий шкив и планетарный механизм от слишком высокой частоты их вращения, что может привести к повреждениям элементов трансмиссии.

Пуск двигателя автомобиля буксированием не возможен.

3.5. Принцип работы тороидного вариатора

Тороидный (торовый) вариатор был запатентован в 1877 г. Чарльзом Хантом. Среди автомобилестроителей первой эту конструкцию применила британская компания Austin на модели Seven образца 1930 г. Но наиболее известен тороидный вариатор, используемый в конструкции истребителя вертикального взлета Harrier (Великобритания) для привода генератора мощностью 25 кВт.

Вариатор с 1999 г. применялся в бесступенчатой трансмиссии Extroid, производимой японской фирмой Jatco для автомобилей

Nissan Cedric, Gloria и Skyline 350GT8, снятых с производства в 20052007 гг. В автомобилестроении разработкой тороидных вариаторов также занимается британская компания Torotrak (рис. 59 [11]).

Тороидные вариаторы способны работать с двигателями мощностью не более 206 кВт (280 л.с.) и передавать крутящий момент не более 370 Нм [18].

Вариатор включает два соосных вала со сферической (тороидной) рабочей поверхностью ведущего и ведомого дисков, между которыми зажаты ролики (рис. 60 [10, 11]), передающие крутящий момент за счет сил трения между рабочими поверхностями.

Ведущий диск соединён с двигателем, а ведомый – с карданным валом.

Передаточное отношение такой трансмиссии изменяется в зависимости от положения роликов и, соответственно, изменения радиусов, по которым контактируют обоймы с роликами, поэтому скорость автомобиля зависит от взаимоположения контактных роликов.

89

Рис. 59. Тороидный вариатор компании Torotrak

При повороте роликов в одно крайнее положение (рис. 60,а) они передают крутящий момент от минимального радиуса ведущего диска максимальному радиусу ведомого диска, в результате чего получается понижающая передача. При повороте роликов в противоположное крайнее положение получается повышающая передача (рис. 60,б), а при вращении роликов по одинаковым радиусам – прямая передача (рис. 60,в). В результате передаточное число вариатора может изменяться в пределах между крайними значениями с помощью электрогидравлического привода, управляемого электронным блоком.

В стационарном положении оси роликов и дисков пересекаются. При изменении передаточного отношения вариатора гидравлический исполнительный механизм на доли миллиметра смещает обоймы с роликами в вертикальной плоскости. В результате возникшего сдвига относительно оси вращения дисков ролики автоматически принимают требуемое положение. Датчики обратной связи следят за синхронизацией положений роликов.

Тороидный вариатор – механизм фрикционного типа и его работа сопровождается трением между дисками и роликами. Чем выше передаваемый вариатором крутящий момент, тем больше должна быть

90

сила трения при очень малой площади контакта. В связи с этим, сила сжатия в паре «диск-ролик» достигает 10 т [2], и рабочие поверхности подвергаются очень высоким контактным нагрузкам. Поэтому детали вариатора изготовляются из подшипниковой стали сверхвысокой степени очистки от примесей с упрочнением рабочих поверхностей цементацией, что обеспечивает вариатору необходимую долговечность, но существенно повышает себестоимость трансмиссии Extroid. Сталь для производства вариаторов Extroid и Torotrak поставляют японские фирмы NSK и Koyo-Seiko, соответственно.

Кроме того, было разработано специальное масло, которое создает на рабочих поверхностях вариатора тончайшую пленку толщиной всего 0,05...0,40 мкм. Под высоким давлением молекулы масла между роликом и диском сцепляются друг с другом, и масло становится весьма вязким, помогая передавать крутящий момент (рис. 61). Это же масло выполняет и обычные функции – используется в гидротрансформаторе и гидравлическом приводе поворота обойм с роликами вариатора Extroid, а также смазывает шестерни редуктора заднего хода.

Чтобы разгрузить детали и уменьшить размеры трансмиссии с вариатором Extroid, в ней используется сдвоенный вариатор (рис. 62), разделяющий поток мощности на две параллельные части.

При установке тороидного вариатора (как и клиноременного вариатора) в трансмиссию автомобиля необходимо обеспечить его трогание с места, задний ход и отключение вариатора от двигателя. Для трогания автомобиля с места и отключения вариатора от двигателя используется гидротрансформатор, который устанавливается в связи с тем, что вариатор Extroid имеет недостаточный диапазон регулирования (4,333). Задний ход обеспечивается планетарной передачей, управляемой с помощью мокрого многодискового фрикционного сцепления.

В процессе движения автомобиля его электронный блок управления обеспечивает работу двигателя и вариатора в экономичном режиме. При разгоне и торможении двигателем плавно изменяется только передаточное число вариатора. В связи с этим автомобиль Nissan Gloria с вариатором Extroid по сведениям компании Nissan был на 10 % экономичнее модели с классической 4-х ступенчатой АКП [9].

КП имеет два «автоматических» режима работы «Power» и «Snow» и возможность «ручного» управления с шестью фиксированными ступенями переключения передач.