Как устроена и работает планетарная коробка передач

Современная автоматическая коробка – второй по сложности агрегат после двигателя, и одним из основных его узлов является планетарная передача. Но самое интересное, что этот механизм имеет более чем 100-летнюю историю – впервые его использовали в далёком 1908 году на автомобиле Ford model T.

Правда, на коробке с ручным переключением передач. Многие не в курсе, но первая АКПП появилась ещё раньше – в 1906 году. Она была трехступенчатой и с гидравлическим приводом, который прижился и использовался повсеместно вплоть до последнего времени, когда управление работой автоматической коробкой переложили на электронику.

Но планетарная коробка передач до сих пор остается самой распространённой разновидностью среди автоматических трансмиссий.

Устройство, принцип работы

Схематически АКПП можно представить как конструкцию, состоящую из двух частей – планетарного механизма и гидротрансформатора. Крутящий момент от силового агрегата передаётся на гидротрансформатор – именно он преобразует момент вращения, реагируя на изменение режима движения (или вообще не передаёт вращение).

В МКПП валов три (ведущий, промежуточный, ведомый), а их шестерни пребывают в постоянном зацеплении. Переход на другую передачу осуществляется за счёт подключения ведомого вала к определённой паре шестерён. В коробке-автомате принцип иной: выбор необходимого режима движения осуществляется посредством блокировки соответствующих шестерен планетарного механизма.

Конструкция планетарной КПП, или планетарного редуктора, включает солнечную шестерню, принимающую вращение от гидротрансформатора посредством элемента, называемого водило, к которому подключены сателлиты в количестве 3 или 4 штук. Сателлиты стыкуются с коронной шестерней (её второе название – кольцевая). Все перечисленные элементы планетарной передачи содержит тормозной механизм фрикционного типа (в редких случаях – ленточные тормоза), с помощью которых и осуществляется блокировка шестерен.

Чтобы понять принцип работы планетарной коробки, рассмотрим три простых примера:

• пускай нам нужно ускориться, то есть перейти на повышенную передачу. В этом случае кольцевая шестерня стопорится, вращательное движение от гидротрансформатора и СШ поступает на сателлиты, скорость вращения которых возрастает. Водило как бы «суммирует» вращение сателлитов и в результате тоже начинает вращаться быстрее;
• при уменьшении скорости движения фиксируется уже водило, а сателлиты продолжают вращаться, что заставляет кольцевую шестерню снизить скорость вращения;
• прямая передача обеспечивается следующим образом: водило при помощи фрикциона жёстко фиксируется с кольцевой шестерней, все не активные элементы «планетарки» не вращаются, минимизируя трение.

Важно понять, что в каждом из режимов происходит блокировка определённых элементов планетарной передачи.

Как же происходит передача крутящего момента далее, на приводы (раздатку для авто с ПП или карданный вал для заднеприводных авто)? Всё просто: вращение «снимается» с тех элементов, которые остались незаблокированными. Так, если блокируется водило, вращение на колёса передаётся с кольцевой шестерни. Если говорить о прямой передаче, здесь планетарный редуктор является фактически «лишним», поскольку крутящий момент на привод передаётся непосредственно с гидротрансформатора.

Усовершенствование АКПП, направленное на снижение расхода горючего, создание для мотора более благоприятных условий работы, улучшение динамики автомобиля, происходит по нескольким направлениям. Для этого увеличивают количество планетарных редукторов, при этом все редукторы, кроме первого, не содержат понижающих передач. Вследствие этого прямая передача на втором и так далее редукторах оказывается более скоростной, нежели повышающая передача основного редуктора. В то же время понижающая передача дополнительным редукторам как бы не нужна, поскольку крутящий момент с них снимается далеко не во всех случаях.

Рассмотрим более подробно работу фрикционов, которые, собственно, и отвечают за переключение режимов. Каждый планетарный редуктор включает набор фрикционов – тонких подвижных или фиксированных колец. Подвижные кольца связаны с вращающимися узлами редуктора. Если электроника, среагировав на манипуляции с педалью акселератора, создаёт соответствующее давление жидкости в АКПП, неподвижные диски вступают в зацепление с подвижными. В результате определённые элементы (например, КШ или водило) оказываются обездвиженными. Такой принцип является сутью планетарного механизма.

Очень многое зависит от электроники. Именно она отслеживает текущую скорость движения машины, а также скорость вращения коленвала, регулируя работу коробки таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для двигателя при минимизации расхода топлива. Современная электроника умеет даже определять степень износа фрикционов, и при выполнении диагностики автомобиля сообщать об этом. Тем, кто планирует покупку б/у авто с АКПП, это полезно знать – так можно застраховать себя от приобретения авто с неисправной трансмиссией.

Устройство планетарной КПП включает насос, в функции которого входит создание требуемого давления в магистрали движения технической жидкости, между магистралями распределение давления жидкости регулируется электромагнитными клапанами.

Поскольку величина давления, создаваемого насосом, довольно значительная, авто с коробкой-автоматом «с толкача» не заведёшь – буксировка нужного давления обеспечить не может.

Если бы автоматическая коробка с планетарным механизмом была напрямую подключена к двигателю, при остановке авто и переключении передач мотор бы глох, ведь сцепление здесь не предусмотрено. Проблему решает гидротрансформатор, который, собственно, и выполняет функции сцепления, но в автоматическом режиме.

Он состоит из трёх компонентов:

• центробежного насоса, жёстко соединённого с валом маховика;
• реактора, в случае необходимости блокирующего передачу вращения;
• центростремительной турбины, в функции которой входит передача преобразованного момента вращения планетарному механизму.

Колёса турбины и насоса имеют между собой некоторый зазор. Вращение на турбину передаётся посредством трансмиссионного масла, которое с лопастей насосного колеса направляется на лопасти турбинного. Геометрия элементов гидротрансформатора подобрана таким образом, что, невзирая на отсутствие жёсткого сцепления между насосом и турбиной, ТМ движется по замкнутому кругу. Таким образом, при остановке автомашины вращение передаётся без необходимости выключать передачу. При возникновении необходимости изменения текущего режима движения начинает «трудиться» реактор.

При резком нажатии на педаль акселератора (скажем, при старте) скорость вращения турбинного колеса увеличивается, при этом реактор останавливается. Это так называемый гидротрансформаторный режим. Форма лопастей реактора такова, что когда масло возвращается из турбины в насосную секцию, формируется дополнительное сопротивление, способствующая ускорению движения жидкости.

В определённый момент времени скорость вращения турбинного колеса сравнивается с насосным, и тогда колесо реактора тоже приходит в движение, не препятствуя движению жидкости увеличивая КПД автоматической трансмиссии. Этот режим гидромуфты.

Сфера применения планетарных МКПП

На заре автомобилестроения планетарные трансмиссии присутствовали и в механических коробках – например, в знаменитой модели Ford T. Передачи переключались тремя педалями, педаль газа перенесли на подрулевой переключатель. Первая передача включалась левой педалью, вторая – центральной, задняя – правой. В 1928 году модель сняли с конвейера, и эра планетарных МКПП ушла в небытиё.

В 30-е годы появились первые полуавтоматические коробки передач планетарного типа, которые впоследствии были вытеснены полностью автоматическими.

В полуавтоматах функции сцепления выполняла гидромуфта. В автоматических трансмиссиях – гидротрансформатор.

Впрочем, планетарные МКПП всё ещё в ходу – их устанавливают в гусеничную технику (трактора, экскаваторы), в том числе военного назначения (танки, транспортёры, тягачи). Используется планетарный механизм в металлорежущих станках, и даже в турбинах авиационных двигателей, в качестве редуктора.

Весьма популярны планетарные коробки передач в велосипедных трансмиссиях. Они отличаются долговечностью, малым весом и простотой эксплуатации, являясь, по существу, необслуживаемыми. Однако они существенно увеличивают стоимость двухколёсной техники, поэтому в чисто спортивных моделях не используются, во многом – из-за увеличения массы ТС на 1,5-2 кг. и плохой ремонтопригодностью, если сравнивать с устройствами переключения передач параллелограммного типа.

Плюсы и минусы планетарных трансмиссий

Планетарный механизм, используемый в автоматических коробках, обладает рядом неоспоримых достоинств:

• компактность механизма (все шестерни скомпонованы рядом и расположены на одной оси);
• низкая шумность, обусловленная минимальной загрузкой зубьев;
• планетарная коробка обеспечивает увеличение количества передаточных чисел;
• такая коробка работает более плавно, с гораздо меньшим уровнем вибраций;
• зубья шестерен обладают большим ресурсом, поскольку могут выдерживать в разы большую нагрузку.

Но есть и недостатки:

• сложность конструкции предполагает высокую стоимость изготовления, что сказывается на конечной цене изделия;
• из-за необходимости соблюдения высокой точности при сборке ремонтопригодность таких трансмиссий весьма низкая;
• планетарный механизм весьма требователен к нагрузкам: если этим злоупотреблять, надёжность и КПД коробки резко падает. Причина очевидна – сложность конструкции и большое количество шестерен, при частой интенсивной нагрузке потери на трение возрастают, как и вероятность поломки;
• АКПП весьма чувствительна к качеству и уровню трансмиссионного масла. Если с этими характеристиками возникнут проблемы, коробка долго не проработает.

В любом случае принцип работы, положенный в основу планетарной коробки передач, позволяет делать её более компактной, чем механический аналог, что в современном автомобилестроении ценится очень высоко.

Характерной особенностью планетарных механизмов является способность обеспечивать передачу солидного крутящего момента, который весьма равномерно передаётся на сателлиты, и чем их больше, тем меньшие нагрузки испытывают зубья. Эта особенность активно используется в тяжёлой военной технике.

Если соблюдать все регламентные процедуры, то можно утверждать, что современные АКПП обладают большим ресурсом.

Если конструкция такой коробки спроектирована грамотно, то она заведомо будет иметь больший КПД, чем у двух- и трёхвальных МКПП.

Отметим также, что тенденция производить автоматические коробки с увеличенным числом ступеней ведёт к существенному усложнению конструкции, вызванному необходимостью применения каскадных схем, что сказывается на надёжности таких агрегатов.