Что заменяет сцепление в автоматах: гидротрансформатор?

Гидротрансформатор - это гидродинамический элемент передачи мощности, который заменяет механическое сцепление в классической автоматической коробке передач и устанавливается между двигателем и трансмиссией; на неподвижном автомобиле он передаёт крутящий момент, не глохя двигатель, а при трогании умножает крутящий момент, создаваемый двигателем, 1,8:1 до 2,5:1 и в движении с помощью блокировочного сцепления создаёт механическую связь без потерь. Коротко говоря, он выполняет все три функции сцепления в одном корпусе: разъединять, плавно соединять и при необходимости увеличивать крутящий момент.

Что заменяет сцепление и почему это не полное сцепление?

В механической коробке передач связь между двигателем и трансмиссией устанавливает и разрывает водитель с помощью педали сцепления. В автоматической коробке эту задачу выполняет не водитель, а представьте себе закрытый мешок, прикрученный к двигателю (смонтированный на маховике или гибкой пластине): находящаяся внутри жидкость передаёт вращательное движение, полученное от двигателя, на входной вал трансмиссии. Такая система позволяет автомобилю с включённой передачей стоять при заглушенном двигателе; пока двигатель продолжает работать, трансмиссия остаётся свободно отсоединённой.

Почему жидкость, а не сухое сцепление? Потому что механическое сцепление, пока есть контакт, либо полностью заблокировано, либо проскальзывает - а при проскальзывании фрикционные накладки нагреваются и изнашиваются. В жидкостной муфте нет такого понятия, как контакт; проскальзывание - это естественный режим работы конструкции, и она естественно гасит вибрации двигателя. Более того, простая жидкостная муфта передаёт крутящий момент лишь с некоторым снижением. Гидротрансформатор отличается тем, что благодаря находящемуся между ними статору может увеличивать крутящий момент при низких выходных оборотах; то есть это элемент, который при низкой скорости вращения вынужден вести себя как адаптивный редуктор.

Здесь же кроется секрет способности управляемой компьютером автоматической коробки принимать решения независимо от педали водителя: гидротрансформатор предоставляет контролируемое и безопасное окно проскальзывания, на которое не способно сцепление; трансмиссия ни в какой момент не сталкивается с неожиданным механическим ударом.

Насос, Турбина и Статор: Как умножается крутящий момент?

У гидротрансформатора есть три вращающихся/невращающихся компонента. Насос (крыльчатка) соединён с двигателем и работает как центробежный насос: при вращении он отбрасывает жидкость наружу, создавая вакуум в центре и всасывая новую жидкость. Отброшенная жидкость ударяется о изогнутые лопатки турбины, меняет направление и, вращая турбину, передаёт мощность на входной вал трансмиссии.

Настоящий интеллект скрыт в третьем элементе. Жидкость, выходящая из турбины, движется в направлении, противоположном вращению двигателя; при простом захвате жидкости эта возвращающаяся энергия лишь превращается в тепло. Статор располагается между насосом и турбиной и, перенаправляя эту жидкость, подает её на насос под оптимальным углом. Таким образом энергия возвращающейся жидкости восстанавливается, а выходной крутящий момент добавляется к моменту, создаваемому двигателем. Если говорить с точки зрения механического баланса: жидкость, выходящая из турбины, ударяется о статор и поэтому прикладывает к корпусу, в котором закреплён статор, крутящий момент противоположного направления; эта разница напрямую отражается на выходной стороне в виде выигрыша крутящего момента.

С инженерной точки зрения критически важны две детали. Первая - геометрия лопаток: в турбине и статоре используются наклонные, изогнутые лопатки, и небольшие вариации геометрии существенно меняют характеристики. Вторая - размер: уравнения движения гидротрансформатора основаны на турбомашинном уравнении Эйлера, восходящем к XVIII веку, и поскольку характеристики зависят от радиуса в пятой степени, крутящая способность теоретически пропорциональна плотности жидкости, квадрату оборотов и пятой степени диаметра. Небольшое увеличение диаметра многократно сильнее увеличивает пропускную способность.

Важно и то, что статор не должен оставаться свободным: статор установлен на обгонной муфте . При трогании и разгоне жидкость толкает его сзади, и статор остаётся неподвижным; при переходе в фазу сцепления давление жидкости снижается, и статор начинает свободно вращаться - вращение же в обратную сторону блокируется обгонной муфтой.

Три фазы работы: стопорение, разгон и сцепление

Поведение гидротрансформатора наиболее наглядно рассматривать в трёх фазах. В фазе стопорения (stall) передача включена, тормоза удерживают автомобиль, турбина не вращается, но насос вращается вместе с двигателем; при достаточной входной мощности здесь достигается максимальное умножение крутящего момента, и это отношение называется коэффициентом стопорения. В автомобильных применениях типичное значение - 1,8:1-2,5:1; в специальных гидротрансформаторах промышленного, морского и heavy-duty назначения это отношение 5,0:1 достигает. Суммарный эффект ступеней при стопорении может быть поразительным: передаточное отношение коробки 2,46:1 в сочетании с коэффициентом стопорения 2,2:1 даёт при полной остановке суммарное умножение на колёсах 5,41:1; при переходе в фазу сцепления это число падает до 2,73:1.

В фазе разгона по мере роста нагрузки разница оборотов между насосом и турбиной всё ещё велика; умножение крутящего момента присутствует, но ниже значения при стопорении. В этой области преобладает вихревой поток жидкости, спиралеобразно движущейся от насоса к статору, а оттуда к турбине - именно этот режим является пиком умножения крутящего момента.

В фазу сцепления (coupling) турбина входит, достигнув примерно 90% оборотов насоса: пока насос делает 10 оборотов, турбина делает 9, то есть проскальзывание около 1,11:1 типично. В этот момент умножение крутящего момента фактически заканчивается; спиральному движению жидкости на смену приходит вращательный поток, в котором оба колеса вращаются совместно оставляет и статор переходит в свободное вращение. Между коэффициентом трансформации момента и КПД существует явный компромисс: конверторы с высоким коэффициентом проскальзывания работают менее эффективно в районе скорости сцепления. Те, кто хочет динамики, вынуждены выбирать коэффициент трансформации, а те, кто хочет экономичности, - характеристику с малым проскальзыванием.

Блокирующее сцепление: второе сцепление, сводящее проскальзывание к нулю

У гидравлической передачи нет сверхъестественных свойств: проскальзывание означает прямую потерю КПД и нагрев. Именно поэтому в конверторе существует блокирующее сцепление (lock-up clutch) Оно на ходу механически соединяет турбину напрямую с насосным колесом, передавая всю мощность механическим путём; гидравлические потери и выделение тепла исчезают, обороты слегка снижаются и к колёсам прокладывается более прямая линия передачи мощности.

Его история интересна. Первое автомобильное применение относится к Packard Ultramatic трансмиссии 1949 года: при достижении крейсерской скорости автомобиль блокировался, а при нажатии на газ или замедлении блокировка расцеплялась. В 1950-х годах оно встречалось и в некоторых трансмиссиях Borg-Warner, затем было отвергнуто из-за стоимости и сложности. Когда в середине 1970-х приоритеты сместились к топливной экономичности, идея вернулась; Chrysler в 1978 году представил современную версию. В технической литературе широкое распространение блокирующих конверторов в современную эпоху иногда датируют 1981 годом; разница объясняется тем, что первое применение и массовое внедрение пришлись на разные периоды.

Сегодняшние же споры касаются калибровки: включение блокировки на самых ранних оборотах даёт экономию топлива при городской езде, но означает отказ от преимущества коэффициента трансформации конвертора. В высокопроизводительных дорожных автомобилях блокировка обычно позиционируется не как экономичный аксессуар, а как элемент, обеспечивающий жизнеспособность мощного конвертора в повседневной эксплуатации. Поскольку с ростом числа передач нагрузка по коэффициенту трансформации на конвертор снижается, в современных 6-10-ступенчатых автоматах ранняя и частая блокировка стала нормой; напротив, в классических автоматах конвертор сознательно остаётся разблокированным на большей части движения - в вариаторах же он почти всегда заблокирован выше примерно 8 км/ч, поскольку работа по трансформации момента там и так принадлежит вариатору.

Влияние на характер вождения и известные режимы отказа

Конвертор - тихий герой, определяющий характер автомата. При включении блокирующего сцепления он обеспечивает плавность работы; в разблокированных фазах он через жидкость гасит колебания двигателя и крутильные вибрации. Однако эта демпфирующая способность не бесконечна: крутильные вибрации в трансмиссии - главное инженерное ограничение, не позволяющее включать блокировку слишком рано. Когда блокирующее сцепление вместо плавного проскальзывания схватывает внезапно, возникает stick-slip поведение, которое может распространить вибрации по всей трансмиссии - именно это явление нарушает ощущение комфорта у водителя.

Самая частая жалоба - вибрация конвертора (shudder) она обычно проявляется на ~64-72 км/ч диапазоне, краткий рывок, ощущаемый при блокировке муфты. При частичной блокировке сцепление работает не проскальзыванием, а удержанием; изношенные накладки сцепления и грязное/деградировавшее ATF - основные причины, и в большинстве случаев замену трансмиссионной жидкости решает проблему. Если жалоба исчезает при нажатии на педаль газа или тормоза, это типичный признак: когда гидротрансформатор разблокируется, зона проскальзывания исчезает. На практике источник большинства неисправностей муфты блокировки - вовсе не сам гидротрансформатор; они возникают в клапанной плите, электронном управлении или в соленоиде включения.

Есть и более серьезные режимы отказа:

• Перегрев: Попытки выбраться, раскачиваясь вперед-назад в снегу или грязи, надолго удерживают гидротрансформатор в режиме стопа; современная геометрия лопастей минимизирует скорость потока на низких оборотах, снижая этот риск, но не устраняя его.
• Заклинивание муфты статора: Когда статор перестает свободно вращаться, гидротрансформатор работает на фазе сцепления с очень низким КПД; заметный рост расхода топлива - классический признак.
• Поломка муфты статора: Резкие приложения мощности (например, события вроде neutral start в момент пуска двигателя) могут сломать обгонную муфту.

Краткая история: Как гидротрансформатор основал автоматическую коробку?

Подъем гидротрансформатора в автомобилестроении ускорился после Второй мировой войны благодаря опыту военных машин с Hydra-Matic . 1948 году с Buick Dynaflow гидромуфты начали уступать место гидротрансформаторам; Dynaflow был смелой конструкцией, полностью полагавшейся в единственной передаче на пятиэлементный гидротрансформатор для умножения момента. За ним последовали 1949 Packard Ultramatic и 1950 Chevrolet Powerglide : в этих двухступенчатых коробках работу по умножению момента в основном брал на себя гидротрансформатор.

В 1950-х установился баланс: трехступенчатые автоматы BorgWarner и конструкции на основе составного планетарного набора Симпсона, такие как Chrysler TorqueFlite, сделали гидротрансформатор неотъемлемым компонентом автоматических коробок. Многоэлементные эксперименты с гидротрансформаторами (Buick Triple Turbine Dynaflow, Chevrolet Turboglide) были оставлены из-за низкого КПД; их сменили схемы из трехступенчатой коробки плюс трехэлементный гидротрансформатор. Любопытная деталь GM того времени - статор с изменяемым углом: при резком нажатии газа угол атаки статора менялся, КПД приносился в жертву ради увеличения коэффициента трансформации момента - механический предок современной философии адаптивной калибровки.

Часто задаваемые вопросы

Как гидротрансформатор умножает крутящий момент?

Жидкость, выходящая из турбины, течёт в направлении, противоположном вращению двигателя; статор перенаправляет этот поток в сторону вращения насоса, возвращая энергию. Таким образом, на выходной вал поступает крутящий момент, превышающий момент, создаваемый двигателем; при трогании это соотношение составляет от 1,8:1 до 2,5:1.

Почему в автоматических коробках вместо сцепления используется гидротрансформатор?

Потому что трансформатор превращает проскальзывание не в неисправность, а в режим работы: он позволяет автомобилю стоять на месте при включённой передаче, поглощает рывки, умножает крутящий момент и выполняет эти три задачи непрерывно и безопасно без участия водителя. Механическое сцепление на механике выполняет лишь одну из этих функций - соединение и разъединение.

На что похожа вибрация гидротрансформатора?

Это короткий толчок, похожий на лёгкий дисбаланс колеса, но ощущаемый только в определённом диапазоне скоростей (обычно 64–72 км/ч) и в момент блокировки. Он заметнее при лёгком нажатии на газ и чаще всего исчезает при увеличении нагрузки на педаль; может быть устранён заменой масла.

Резюме: три задачи трансформатора в одном предложении

В классическом автомате гидротрансформатор выполняет функцию разъединения с помощью жидкости, функцию увеличения крутящего момента - с помощью статора, а требование эффективности - с помощью блокировочной муфты. Этот механизм, умножающий крутящий момент в стоп-режиме до 2 раз, живущий с проскальзыванием 10% в фазе сцепления и сводящий проскальзывание к нулю при блокировке, - единственный компонент, несущий в себе одновременно комфорт и экономичность автомата.

Источники

• Torque converter - Wikipedia
• Torque Converters: The Backbone of Modern Automotive Technology - Gears Magazine
• Understanding Torque Converters - Hot Rod
• Torque converter torque multiplication - Engineering Stack Exchange
• Torque converter clutch - x-engineer.org
• The Evolution of Lock-Up Torque Converters - Motor State
• What is Torque Converter Shudder? - Roadrunner Converters
• The torque converter can of worms - Transmission Digest
• Aggressive Torque Converter Clutch Slip Control (Otanez 2009) - JSTOR