Системы управления сцеплением и коробкой передач

  Одна из наиболее актуальных проблем современного автомобиле­строения — упрощение и облегчение управления автомобилем не может быть решена без автоматизации управления трансмиссией. Как показывает более чем 50-летний опыт создания автоматических транс­миссий, их совершенствование идет по двум направлениям: автомати­зация управления механическими трансмиссиями, состоящими из сту­пенчатой коробки передач и фрикционного сцепления (т. е. такими трансмиссиями, которыми оборудуется подавляющее большинство выпускаемых автомобилей), и оснащение автомобилей автоматичес­кими специализированными трансмиссиями, обеспечивающими наи­более удобное, простое и легкое управление, высокую комфортабель­ность автомобиля.

  По уровню автоматизации управления трансмиссии могут быть разделены на полуавтоматические, которые автоматизируют управле­ние не целиком всей трансмиссией, а только отдельными ее узлами (например, сцеплением), и автоматические, управляемые без участия водителя.

  Чем выше уровень автоматизации, тем более сложные задачи должна решать система управления, что, естественно, связано с ее усложнением и удорожанием. Поэтому автоматические трансмиссии применяются преимущественно в автомобилях более высоких классов, хотя есть и конструкции, предлагаемые для установки на автомобилях малого класса. При этом основное применение в качестве автомати­ческих трансмиссий в настоящее время получили гидромеханические передачи. Повысился интерес к полуавтоматическим и автоматичес­ким механическим трансмиссиям.

  Благодаря достижениям микроэлектроники решение проблемы автоматического управления обычными фрикционными сцеплениями обрело реальную базу, потому что именно электроника способна сформировать все необходимые режимы работы фрикционного сцеп­ления:

принудительное выключение на период переключения передач и при снижении частоты вращения коленчатого вала до уровня, соот­ветствующего режиму холостого хода двигателя;

принудительную блокировку, гарантирующую его работу без про­буксовки, после того как в процессе разгона автомобиля отпадает надобность в получении разности частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач;

регулирование момента трения по заданным законам во время разгона автомобиля с целью наименьшего буксования при одно­временном сохранении высоких тягово-скоростных качеств автомо­биля.

  Первые два режима реализуются достаточно простыми средствами, поскольку для них необходимо только выработать команды либо пол­ного включения, либо полного выключения сцепления. Последний режим, особенно с учетом того, что регулирование момента трения должно выполняться по законам, предусматривающим оптимальную работу сцепления при самых разнообразных условиях движения авто­мобиля, осуществить гораздо труднее. Но электронике это по силам, поскольку она может фотографически точно воспроизвести самые эффективные варианты действий водителя при обычном (неавтоматичес­ком) управлении сцеплением.

  Возьмем, к примеру, режимы трогания автомобиля с места и его разгон. При неавтоматизированном управлении передаваемый сцепле­нием крутящий момент в момент нажатия водителем на педаль подачи топлива (г. с. при увеличении частоты вращения коленчатого вала) и одновременном отпускании педали сцепления возрастает. Очевидно, что при переходе на автоматическое управление сцеплением такой закон регулирования крутящего момента должен быть сохранен. У водителя остается только одна функция — нажимать на педаль пода­чи топлива.

  Функцию же управления отпусканием педали сцепления берет на себя электроника, реагирующая на положение педали подачи топлива или на частоту вращения коленчатого вала, либо на то и другое одновременно.

  Системой, реагирующей на положение педали подачи топлива, яв­ляется, например «Drivc-Matic» (рис. 1) фирмы «Petri und Ler», выпус­каемая в Германии в качестве оборудования автомобилей, предназна­ченных для инвалидов.

  Исполнительное устройство этой системы представляет собой ва­куумную сервокамеру 1, между корпусом которой и диафрагмой 3 располагается полость 2 регулируемого режима.

  При установке рычага 11 переключения передач в нейтральное положение и отпущенной педали подачи топлива 8 расположенные в его рукоятке и под рычагом электроконтакты ВС и ВП разомкнуты. Поэтому обмотки электромагнитов 16 и 26 оказываются отключенны­ми от источника электропитания. Вакуумный клапан 25 при этом закрыт, и полость 2 сервокамеры соединена не с вакуум-ресивером 27, а с атмосферой (через открытый воздушный клапан 24). Сцепление находится во включенном состоянии. Как только водитель при непо­движном автомобиле включает какую-либо передачу, на обмотки электромагнитов 16 и 26 через замкнувшиеся контакты выключи имя ВП и замкнутую выходную цепь электронного блока управления (ЭБУ) 13 подается электропитание. В результате электромагниты сра­батывают и воздушный клапан 24 отсоединяет полость 2 сервокамеры от атмосферы, а клапан 25 подключает се к вакуум-ресиверу 27. Сцеп­ление выключается (позиция II).

Рис. 1. Система автоматического управления сцеплением «Drive-Malic»:

1 — вакуумная сервокамера; 2 — полость разрежения; 3 — диафрагма;

4 — шток вакуумной камеры; 5 — рычаг; б — тяга; 7 — педаль сиспления; 8 — педаль подачи топлива;

9 — трос; 10 — рукоятка переключения передач; 11 — рычаг рукоятки переключения передач;

12 — датчик; 13 — ЭБУ; 14 — потенциометр ; 15 — стравливающее отверстие;

16, 26 — обмотки электромагнитов; 17, 21 — каналы сервокамеры; 18 — корпус эолозника;

19 — золотник; 20 — поворотный элемент; 22, 23 — каналы золотника;

24 — воздушный клапан; 25 — вакуумный клапан: 24 — вакуум-ресивер;

28 — клапан ; 29 — коллектор; 30 — трубопровод

  Чтобы автомобиль начал движение, водитель нажимает педаль 8 подачи топлива. При этом контакты микровыключателя МВх размы­каются, и цепь питания обмотки электромагнита 26 размыкается. Поэ­тому клапан 25 закрывается, отсекая полость 2 сервокамеры от реси­вера. Но поскольку обмотка электромагнита 16 остается под напряже­нием, воздушный клапан 24 оказывается также закрытым, и разрежение в полости 2 вакуумной камеры определяется только поло­жением золотника 19. Дело в том, что корпус 18 золотника установлен по отношению к его поворотному элементу 20 таким образом, что при отпущенной педали 8 подачи топлива и расположении штока 4 вакуумной камеры в крайнем левом (по схеме) положении (полностью выключенное сцепление) каналы 22 и 23 золотника соединены между собой. Одновременно и полость 2 сервокамеры через каналы 17 и 21 соединяется с атмосферой, что приводит к постепенному уменьшению в ней разрежения и, как следствие, к перемещению штока 4 слева направо.

  Движение штока будет продолжаться до тех пор, пока элемент 20, поворачиваемый этим штоком, не разобщит каналы 22 и 23. Как только это произойдет, шток 4 прекратит движение, поскольку связь полости 2 сервокамеры с атмосферой прерывается.

  Внимание! При отладке системы элементы золотника устанав­ливаются таким образом, что при отпушенной педали подачи топлива шток 4 сервокамеры занимает положение, соответствующее началу передачи крутящего момента сцеплением. Этот период работы носит название «режим быстрого свода дисков».

  При дальнейшем перемещении педали 8 подачи топлива трос 9 поворачивает элемент 20, соединяя каналы 22 и 23. Это повлечет за собой соединение полости 2 сервокамеры с атмосферой и дальнейшее перемещение штока в направлении включения сцепления. Перемеще­ние прекратится, когда шток 4 опять установится в положение, соот­ветствующее разобщению каналов 22 и 23. Очевидно, что чем на больший угол была открыта дроссельная заслонка, тем дальше в на­правлении включения сцепления должен перемещаться шток 4 — до положения, при котором произойдет разобщение каналов 22 и 23. Угол открытия дроссельной заслонки изменяется от минимального в позиции /// на рис. 1 до максимального при полностью открытом дросселе в позиции /.

  После того как автомобиль разгонится до скорости срабатывания датчика 12, сигнал от этого датчика поступает на электронный блок 13. Последний отключает от «массы» свою клемму К, разрывая тем самым цепь питания обмотки электромагнита 16. В результате воз­душный клапан 24 открывается, полость 2 сервокамеры соединяется с атмосферой независимо от того, в каком положении находятся эле­менты золотника. Сцепление блокируется. Чтобы оно при этом вклю­чалось плавно, диаметр стравливающего отверстия 15 выбран так, что скорость поступления воздуха через него не зависит от скорости от­крытия воздушного клапана. (Принудительная блокировка сцепления после разгона автомобиля до заданной скорости, устанавливаемая при помощи потенциометра 14, предотвращает повышенное изнашивание выжимного подшипника сцепления при движении автомобиля с малы­ми углами открытия дросселя.)

  Принудительное выключение сцепления в процессе переключения передач при всех частотах вращения коленчатого вала двигателя и скорости движения автомобиля обеспечивается замыканием контак­тов выключателя ВС, встроенного в рукоятку 10 переключателя передач. В этом случае включается электромагнит 26, благодаря чему полость 2 сервокамеры через открывшийся вакуумный клапан соеди­няется с вакуум-ресивером. Сцепление полностью выключается.

  Как видим, система «Drive-Matic» обеспечивает плавное увеличение крутящего момента, передаваемого сцеплением, только по мере увели­чения угла открывания дроссельной заслонки. Если водитель умень­шает угол, то этот момент не уменьшается. Чтобы не произошло остановки двигателя или «рывков» автомобиля, водитель должен сна­чала полностью отпустить педаль подачи топлива (замкнуть контакты микровыключателя МВх и соединить тем самым полость 2 сервокаме­ры с ресивером), а затем перевести эту педаль в требуемое условиями движения положение.

  Данная особенность с точки зрения уменьшения опасности работы сцепления с длительной пробуксовкой — явление положительное. Однако она усложняет маневрирование на автомобиле при низких скоростях движения, а также ухудшает возможности трогания автомо­биля с места на больших подъемах.

  Система «Drive-Matic» не единственная из реализующих первый закон регулирования и нашедших коммерческое применение. Еще одним примером подобных систем может служить сервофрикцион S фирмы «Guidosimplex» (Италия). У нее практически такие же показа­тели, что и у системы «Drive-Matic». Отличается она лишь конструк­цией клапанного устройства, которое регулирует разрежение в рабо­чей полости вакуумной сервокамеры: здесь четыре клапана, два из них имеют электромагнитный привод.

  Общим для таких систем является применение двух электромагнит­ных клапанов, которые выполняют принудительные полные включе­ние и выключение сцепления. Регулирование же передаваемого им крутящего момента осуществляется при помощи дополнительных ме­ханических или пневматических устройств управления. На электрон­ную систему обычно возлагаются лишь функции включения и выклю­чения электромагнитных клапанов с учетом сигналов, поступающих от соответствующих датчиков или выключателей. Благодаря этому электронные блоки систем представляют собой сравнительно простые устройства.

  Автоматическое сцепление английской фирмы «Automotive Pro­ducts» (АР) позволяет использовать только две педали управления автомобилем с механической коробкой передач. Эта конструкция ос­нована на старой концепции, возрожденной с помощью электроники. Идея простая: сцепление отключается, как только водитель берется за рычаг переключения передач, и включается снова, когда осуществлен переход на очередную ступень.

Рис. 2. Электрогидравли­ческая схема автоматичес­кого сцепления:

1 — двигатель; 2 — механичес­кая коробка передач; 3 — дат­чик хода штока рабочего ци­линдра;

4 — рабочий цилиндр; 5 — гидравлический блок пита­ния; 6 — рычаг переключения передач;

7 — выключатели; 8 — выводы к датчикам частоты вращения коленчатого вала и включенной передаче;

9 — ЭБУ; 10 — датчик положения педали подачи топлива; 11 — педаль подачи топлива;

12 — электро­двигатель регулятора положе­ния дроссельной заслонки

  В предложенной фирмой АР системе сцепления (рис. 2) имеется гидравлический привод высокого давления, который связан с управ­лением дроссельной заслонкой во время переключения передач с помощью шагового электродвигателя. В результате частота вращения коленчатого вала может быть оптимизирована для каждого переклю­чения ступеней, что устраняет участие в этом человека и риск возмож­ного перегрева механизма, рывков и потери скорости автомобиля. Микропроцессор получает информацию от выключателей 7, связан­ных с рычагом переключения передач, и приводит в действие гидро­привод сцепления.

  Крутящий момент, передаваемый сцеплением, определяет специ­альное нагрузочное устройство, которое выдает сигнал, только когда передача включается или выключается, а не во время перемещения рычага 6 по направлению к той ступени, которая уже включена. Это предотвращает неожиданное выключение сцепления, когда рука води­теля лежит на рычаге в ожидании следующего переключения. Выклю­чатель реагирует только на перемещение рычага вперед и назад и не воспринимает легкие толчки.

  Информация о частоте вращения коленчатого вала и включенной ступени вводится в электронный модуль. Датчик включенной сту­пени также позволяет предотвратить трогание автомобиля с места на любой передаче, кроме 1-й или 2-й. Другие датчики выдают информацию о положении педали подачи топлива И и ходе штока рабочего цилиндра 4 привода сцепления (датчики 10 и 3 соответ­ственно).

  Рабочий цилиндр 4 приводится в действие гидравлическим блоком питания 5, состоящим из электронасоса и запасного бачка для жид­кости под давление 0,4 МПа. В этом случае отпадает необходимость в главном цилиндре.

  Системы автоматического управления сцеплением, реагирующие на частоту вращения коленчатого вала, формируются по иным прин­ципам (в том числе системы с коррекцией положения педали подачи топлива и разности частот вращения ведущего и ведомого элементов сцепления). Для них характерно минимальное число клапанов или других управляющих механических, гидравлических или электромаг­нитных устройств. Но формирование законов автоматического регу­лирования момента, передаваемого сцеплением, а также принудитель­ного включения и выключения последнего осуществляется электрон­ным блоком, по этой причине достаточно сложным. Пример— электронно-гидравлическая система ACTS (рис. 3), разработанная фирмой «Automotive Products» (Великобритания). В качестве источни­ка энергии для действия привода сцепления используется гидравличес­кий блок У, в состав которого входят резервуар 2 гидросистемы, гид­ронасос с электродвигателем, гидроаккумулятор, электромагнитный клапан регулирования давления жидкости, в исполнительном гидро-цилиндре 13 привода рычага 12 сцепления. В этом гидроцилиндре находится датчик 11 положения его штока, который выполняет функ­ции элемента обратной связи (по положению органа привода сцепле­ния).

Рис. 3. Система автоматического управления сцеплением ACTS

  Управление электромагнитным клапаном регулирования давления обеспечивается по командам, поступающим к нему от электронного (микропроцессорного) блока автоматики 7. Этот блок, в свою оче­редь, работает как по сигналам датчика положения штока гидроцилиндра 13, так и от датчиков 4. 11, 10, 5 (соответственно частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки пере­дач, положения педали подачи топлива, контроля включения передач) и выключателя Н, расположенного в рукоятке 9 рычага переключения передач.

  В системе ACTS вместо механического привода дроссельной за­слонки карбюратора применен привод электромеханический, содер­жащий электродвигатель 3 постоянного тока. Управляет этим электродвигателем электронный блок 7, обратную связь обеспечивает электрический датчик 6 положения дроссельной заслонки.

  Такой привод дроссельной заслонки в сочетании с датчиком час­тоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач придал новое качество системе управления автомобилем: во­дитель получил возможность переключать передачи без изменения положения педали подачи топлива. Это означает, что процесс пере­ключения передач сводится только к переводу рычага в желаемое положение. Необходимые в течение процесса включение и выключе­ние сцепления, изменение подачи топлива происходит автоматически. Дело в том, что после перевода рычага в новое положение система управления сопоставляет сигналы, получаемые от датчиков частот вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки пере­дач, и в соответствии с ними вырабатывает такие сигналы управления электродвигателем привода дроссельной заслонки и темпом включе­ния сцепления, которые обеспечивают оптимальный режим нагруже-ния трансмиссии автомобиля.

  Таким образом, система ACTS обладает достаточно широкими функциональными возможностями, что в определенной мере прибли­жает достигаемый при ее помощи комфорт управления к полностью автоматическим трансмиссиям. Хотя она по своему устройству гораз­до проще.

Однако и эта, и ей подобные системы тоже заметно удорожают и усложняют автомобиль. Поэтому их, по всей видимости, будут уста­навливать лишь на дорогие модификации автомобилей малого класса и автомобили среднего класса. Тем более что сейчас уже есть системы автоматического управления сцеплением, не требующие оборудования автомобиля дополнительным источником энергии и способные рабо­тать в комплексе с бензиновыми и дизельными двигателями (в том числе турбонаддувными). Это системы с электромеханическим приво­дом сцепления. Типичный пример — система EKS, разработанная фирмой «Sax» (Германия), для установки на грузовых автомобилях «Mersedes-Benz».

  Ее особенность состоит в том, что в составе исполнительного уст­ройства применен реверсивный приводной электродвигатель постоян­ного тока в сочетании с мощной компенсирующей пружиной, дейст­вие которой направлено на выключение сцепления, т. е. противоположно усилию нажимной пружины сцепления. Электродвигатель при его работе нагружается только разностью этих усилий, что позволяет иметь сравнительно небольшую его мощность ( ~50 Вт). При этом он обеспечивает быстрое выключение сцепления, поскольку операция вы­полняется под воздействием компенсирующей пружины, а не электро­двигателя, обладающего значительной инерционностью в работе.

  Система EKS относится к числу многопараметрических систем автоматического управления. Формируемые ею законы регулирова­ния крутящего момента, передаваемого сцеплением, вырабатываются на основе сигналов датчиков частоты вращения коленчатого вала двигателя и ведущего вала коробки передач, скорости автомобиля, положения педали подачи топлива, а также положения выключателя в рычаге переключения передач и датчика в самой коробке передач, сигнализирующего об их включении. Электронный блок сравнивает частоты вращения обоих валов и определяет разность частот враще­ния ведущего и ведомого элементов сцепления, которая и служит одним из параметров управления режимом включения сцепления в процессе разгона автомобиля.