Řidiči znalí manuálních převodovek tento postup pravděpodobně znají. Motor. Spojka. Přenos. Když uvolníte pedál spojky, motor zhasne. Stiskněte jej a auto se rozjede. Jedná se o mechanické spojení, které se v případě potřeby přeruší. A co automatická převodovka? Není tam spojkový pedál. Žádné odpojení. Když však vůz stojí, motor běží dál.
Jak to funguje?
Odpověď leží v měniči točivého momentu.
Ačkoli název zní jako složitý technologický zázrak, jde v podstatě o tekutou spojku. Nahrazuje mechanickou spojku v manuální převodovce. Bez ní by se auto s automatickou převodovkou zadrhlo při každém šlápnutí na brzdu. To umožňuje otáčení motoru nezávisle na kolech. Není to magie. To je hydrodynamika.
Fyzika točivého momentu
Ujasněme si jeden bod. Točivý moment není rychlost. Toto je rotační síla.
Otáčení klikového hřídele vytváří točivý moment. Čím větší točivý moment, tím rychleji můžete akcelerovat. Toto je energie za pohybem. U manuální převodovky se točivý moment motoru přenáší přímo do převodovky. Kola se točí. Motor běží. Jsou pevně spojeny.
U automatické převodovky je situace jiná.
Měnič točivého momentu je umístěn mezi motorem a převodovkou. K přenosu výkonu využívá převodovou kapalinu. Když zastavíte na červenou, motor běží na volnoběh. Měnič točivého momentu se otáčí. Vstupní hřídel převodovky se však nemusí otáčet. Kapalina umožňuje prokluzování. Právě tento skluz je klíčem k tomu, aby se nezastavil.
Většina lidí si klasické automatické převodovky plete s moderními bezestupňovými převodovkami (CVT) nebo poloautomatickými převodovkami. Zde se bavíme o tradičních planetových automatických převodovkách. Ty samé, které jste pravděpodobně řídili už od 50. let. Tyto systémy jsou zcela závislé na této hydraulické spojce. Nové technologie, jako jsou plynule měnitelné převodovky (CVT), využívají řemeny a řemenice. Nepoužívají měnič točivého momentu. Co klasické automatické převodovky? Všechno je to o tekutině.
Uvnitř transformátoru
Toto zařízení vypadá jako velká matice z těžkého kovu. Zvenčí je to jediné, co je vidět. Uvnitř ale spolupracují tři hlavní složky.
- Oběžné kolo čerpadla (připojeno k motoru)
- Turbína (připojená k převodovce)
- Reaktor (umístěný mezi nimi)
Motor otáčí čerpadlem. Čerpadlo tlačí převodovou kapalinu do turbíny. Turbína se otáčí. Turbína pohání vstupní hřídel převodovky. Auto jede.
Tady ale začíná zábava. Pokud by tam bylo jen čerpadlo a turbína, účinnost by byla velmi nízká. Moc by se ztratila. Na scénu přichází reaktor.
Reaktor mění směr toku kapaliny vracející se z turbíny. Zvyšuje točivý moment. Proto se zařízení nazývá „měnič točivého momentu“. V nízkých otáčkách měnič točivého momentu násobí točivý moment motoru. To způsobí počáteční sešlápnutí, když sešlápnete plynový pedál od začátku. Bez tohoto násobení by se auta s automatickou převodovkou zdála malátná.
Reaktor je fixován v jedné poloze pomocí jednosměrné spojky. To umožňuje efektivně měnit směr proudění kapaliny během zrychlování. Jakmile vůz nabere rychlost, změní se proudění kapaliny. Reaktor se začne volně otáčet. Přestane násobit točivý moment. Při dálničních rychlostech měnič točivého momentu
Mechanický princip hydraulické spojky
Měnič točivého momentu si představte jako hydraulický most mezi motorem a převodovkou. Není pevně spojena jako spojka u vozu s manuální převodovkou. Místo toho používá k přenosu výkonu kapalinu automatické převodovky (ATF). Tato konstrukce umožňuje motoru běžet na volnoběh bez zastavení celého převodového traktu.
Když zastavíte na semaforu, otáčky motoru se zvýší, ale na kola se téměř nic nepřenese. Tekuté uklouznutí. Díky tomu je zastavení auta na semaforech snadné a stačí sotva sešlápnout brzdový pedál. Přenos točivého momentu je minimální.
Sešlápněte pedál plynu. Rychlost otáčení se zvyšuje. Čerpadlo měniče točivého momentu pracuje intenzivněji a čerpá více kapaliny do systému. Tím se skutečný výkon přenese na převodovku. Pokud nejsou brzdy pevně sešlápnuty, vůz se prudce rozjede vpřed. Nejedná se o závadu. Je to fyzika, která dělá přesně to, k čemu byla navržena.
Uvnitř měniče točivého momentu
Uvnitř samotného měniče točivého momentu spolupracují tři hlavní komponenty. Nejsou k sobě přišroubované. Fungují na principu řetězové reakce.
První je čerpadlo (neboli oběžné kolo čerpadla). Je přímo spojen se setrvačníkem motoru. Když se motor otáčí, otáčí se i čerpadlo. Funguje jako odstředivé čerpadlo, vyhazuje kapalinu ven.
Tato tekutina pak proudí do další součásti, turbíny. Turbína je spojena se vstupním hřídelem převodovky. Kapalina z čerpadla naráží na lopatky turbíny a způsobuje jejich rotaci. Takto se přenáší výkon z motoru do převodovky.
Avšak dřívější měniče točivého momentu ztrácely energii. Kapalina prostě prošla turbínou, ztratila hybnost a vrátila se do motoru. Zde přichází třetí část: stator.
Stator je umístěn mezi turbínou a čerpadlem. Při nízkých rychlostech se nemůže volně otáčet. Přesměrování vracející se kapaliny zpět do čerpadla vyžaduje určitou vynalézavost. Dodává sílu příchozímu toku. Právě tento zvýšený točivý moment umožňuje vozům s automatickou převodovkou snadno akcelerovat ze zastavení, a to i přes kluznější spojení ve srovnání s manuální spojkou.
„Stator nasměruje vracející se kapalinu při nízkých otáčkách ke zvýšení točivého momentu a efektivně poskytuje dodatečný výkon při akceleraci.“
Při vysokých otáčkách se stator volně otáčí, když otáčky turbíny dosáhnou otáček čerpadla. Přestane přidávat točivý moment a pokračuje v otáčení. To snižuje odpor na dálnici a zlepšuje spotřebu paliva. Měnič točivého momentu se v podstatě stává kapalinou plněnou spojkou s velmi malým prokluzem.
Blokovací spojky
Moderní převodovky vyřešily problém účinnosti kvůli prokluzu pomocí blokovací spojky. Když je dosaženo rychlosti na dálnici, hydraulický tlak zapojí lamelu spojky v měniči točivého momentu. Tím se mechanicky zablokuje turbína a čerpadlo.
Motor a převodovka se točí přesně stejnou rychlostí. Skluz se bude blížit nule. Účinnost paliva se dramaticky zvyšuje. Množství generovaného tepla klesá. Získáte spolehlivost pevného spojení a pohodlí plynulé autonomní jízdy.
Ne všechny měniče momentu se zablokují okamžitě. Někteří zařazují pouze vysoké převodové stupně, aby ušetřili palivo. Některé implementují fázi „částečné blokování“, aby se vyhladilo přepínání. Přesné chování závisí na kalibraci výrobce a zamýšleném použití vozidla. Nákladní automobily s těžkým provozem mohou nechat měnič točivého momentu odjištěný po dlouhou dobu, aby se řídilo teplo a točivý moment. Sportovní sedany se mohou téměř okamžitě zamknout pro maximální odezvu.
Příznaky vadného měniče točivého momentu
Uvnitř tlustého ocelového těla bojují o dominanci čtyři prvky. Jedná se o čerpadlové kolo (oběžné kolo). Turbína. Stator. A také převodová kapalina. Působí jako lepidlo, které drží celý tento chaos pohromadě.
Skříň je přišroubována přímo k setrvačníku motoru. To znamená, že se nemusíte starat o volbu převodovky. Točí se při jakýchkoliv otáčkách motoru. Lopatky čerpadla jsou připevněny k tomuto krytu. Otáčí se s motorem. Tečka.
Schématický řez níže přesně ukazuje, jak jsou tyto části spojeny.
Mechanický princip hydraulické spojky
Většina lidí si pod pojmem měnič točivého momentu představí pouze hydraulickou spojku. To je špatně. Toto je násobič točivého momentu. Tento rozdíl je důležitý pro pochopení toho, proč auto nezastaví na semaforu.
Pumpové kolo je pumpa. Poháněno motorem. Vypouští tekutinu. Tato kapalina vstupuje do turbíny. Turbína je spojena se vstupním hřídelem převodovky. Když kapalina narazí na turbínu, začne se otáčet. Výkon se přenáší z motoru na převodovku.
Docela jednoduché, že?
Ale uprostřed je to složitější.
Stator je umístěn mezi čerpacím kolem a turbínou. Toto je vaše tajná zbraň. Stator mění směr kapaliny. Směr proudění se mění. Tato změna směru má za následek znásobení točivého momentu. Zejména v nízkých rychlostech.
Bez statoru ztrácíte většinu tahu v nízkých otáčkách. Kapalina se prostě marně točí dokola. Stator to chytá. A vrací se zpět k čerpadlu. Tento cyklus se opakuje.
Proč se tělo otáčí?
Tělo je kotva. Je přišroubován k pružnému disku (flexplate). Disketa je přišroubována ke klikové hřídeli. Proto, když se motor otáčí, otáčí se i pouzdro. Žádný skluz. Žádné zpoždění.
Čerpadlo je umístěno uvnitř tohoto krytu. Čepele jsou připevněny k vnitřní stěně. Otáčejí se při otáčkách motoru. To vytváří napětí. Tlak způsobuje pohyb tekutiny. Kapalina pohání turbínu.
Pokud není skříň bezpečně připojena k motoru, vše se doslova rozpadne.
Průřez
Rozložení si můžete prohlédnout na schématu průřezu.
- Vnější kroužek : Pouzdro. Připevněno k setrvačníku.
- Interní čerpadlo : Připojeno k vnějšímu krytu. Uvádí kapalinu do pohybu.
- Stator : Připojuje se k jednosměrné spojce. Nemůže se volně otáčet. Turbína se otáčí dopředu pouze tehdy, pokud se točí rychleji než kolo čerpadla.
- Turbína : Připojeno k převodovce. Pohání kola (nepřímo).
Kapalina cirkuluje. Uvnitř. Mimo. V kruhu.
Toto není těžké spojení. Je to hydraulické. Dochází ke skluzu. Můžete to cítit. Při volnoběhu motor otáčí karoserií. Turbína je stacionární. Kapalina se jen točí. Nedochází k přenosu síly.
Co se stane, když sešlápnete plynový pedál?
Kolo čerpadla se otáčí rychleji. Rychlost kapaliny se zvyšuje. Tlak stoupá. Turbína se začne otáčet. Blokovací spojka se zapíná později v cyklu, aby se zabránilo prokluzování. Ale až teď? Všechno je to o hydrodynamice.
Stator zůstává uzemněn. Mění směr vracející se tekutiny. To zvyšuje točivý moment. Proto se můžete pomalu plazit provozem, aniž byste se zastavili. Transformátor zdvojnásobuje výkon motoru.
Je to velmi matoucí. Toto
Princip činnosti oběžného kola měniče točivého momentu
Oběžné kolo funguje jako odstředivé čerpadlo. Je umístěn uvnitř měniče točivého momentu. Když se motor otáčí, kapalina je vržena směrem k vnějšímu okraji. Myslete na svou pračku: během cyklu odstřeďování je voda a oblečení přitisknuto ke stěnám bubnu. Oběžné kolo provádí podobné činnosti s převodovou kapalinou.
Tato odstředivá síla vytváří ve středu vakuum.
Vakuum nasává novou část kapaliny. Je to nepřetržitý cyklus. Kapalina je vyvržena a přichází nová část. Tento cyklus vytváří hydraulický tlak potřebný k přenosu výkonu z motoru na převodovku. Bez tohoto sacího efektu nebude měnič točivého momentu fungovat. Tekutina by měla nadále cirkulovat. Jinak se přenos energie úplně zastaví.
Když převodová kapalina opustí čerpadlo, narazí na lopatky turbíny. Nejedná se pouze o pasivní pohyb. Turbína je pevně spojena se vstupním hřídelem převodovky, takže když kapalina narazí na tyto lopatky, způsobí rotaci hřídele. Výkon je přenášen přes nápravové hřídele a diferenciály a nakonec se dostává na hnací kola.
Dávejte pozor na tvar lopatek. Jsou zakřivené. Kapalina pochází z vnějšího okraje a musí se vrátit do středu, aby mohla vycházet přes středový náboj. Změna dráhy toku vytváří krouticí moment.
Třetí Newtonův zákon zde platí bez výjimky. Když změníte směr pohybu objektu, působí na něj síla. Předměty vyvíjejí stejné a opačné síly. Lopatky turbíny směrují tekutinu dovnitř a obracejí její tok. Kapalina zase vyvíjí tlak na lopatky. Tento tlak způsobuje otáčení turbíny.
Vyskytl se však problém s výstupním proudem. Když kapalina opouští turbínu, její pohyb je přesně opačný ke směru otáčení čerpadla nebo motoru. Když proudící kapalina opět narazí na oběžné kolo čerpadla, funguje jako brzda. To spotřebovává energii motoru a snižuje účinnost motoru.
To je důvod, proč měnič točivého momentu vyžaduje stator.
Role statoru při konverzi točivého momentu
Stator je umístěn mezi turbínou a čerpadlem. Neotáčí se tak volně jako ostatní dvě součásti. Jeho úkolem je přesměrovat kapalinu opouštějící turbínu tak, aby narážela na čerpadlo správným směrem.
Bez statoru je měnič točivého momentu jen hydraulická spojka. Energii předává, ale nepřidává. Díky statoru je transformátor schopen zvýšit točivý moment motoru, zejména při nízkých otáčkách. To je důvod, proč při akceleraci z klidu cítíte nárůst výkonu. Stator se zablokuje a obrátí směr proudění, čímž vznikne řetězová reakce, která zvýší sílu.
Kdy je stator uzamčen?
Stator nezůstává vždy zablokovaný. S rostoucí rychlostí vozidla se rychlost turbíny blíží rychlosti čerpadla. Tekutina opouštějící turbínu již neproudí silně v opačném směru, aby těžila ze změny směru. V tomto okamžiku se uvolní jednosměrná spojka statoru.
Stator se začne otáčet spolu se zbytkem sestavy. Neexistuje prakticky žádný odpor. Z měniče točivého momentu se v podstatě stává hydraulická spojka. To snižuje ztráty třením a zlepšuje spotřebu paliva při dálničních rychlostech.
Násobení točivého momentu a přímý přenos
Pochopení toho, jak stator funguje, vysvětluje, proč se auta s manuální převodovkou cítí „pomalejší“ než automatická. Měnič točivého momentu zvyšuje točivý moment motoru vlivem statoru. Mechanické spojky závisí pouze na otáčkách motoru a materiálu třecího obložení. Transformátory vyhlazují přenos energie a zároveň ji zvyšují.
Tento design má své nevýhody. Hydraulické spojky jsou ze své podstaty méně účinné než mechanické spojky. Vždy dojde k nějakému skluzu. Klíčový je ale kompromis mezi plynulým chodem a zvýšeným točivým momentem.
Stator je neopěvovaným hrdinou automatické převodovky. Zvyšuje točivý moment a těžká vozidla reagují lépe při rozjezdu z klidu. Bez toho by všechna auta s automatickou převodovkou vyžadovala motory s velkým zdvihovým objemem, aby fungovaly stejně dobře jako malá auta s manuální převodovkou.
Následující část popisuje mechanické části jednosměrné spojky statoru.
Stator je umístěn ve středu měniče momentu. Přesměruje kapalinu vracející se z turbíny před jejím opětovným vstupem do čerpadla. Toto jednoduché řešení zvyšuje efektivitu.
Lopatky statoru mají agresivní tvar. Téměř úplně mění směr proudění tekutiny. Jednosměrná spojka ve statoru jej zajišťuje na pevném hřídeli. Směr, ve kterém spojka umožňuje otáčení, je přísně definován. Tato konstrukce znamená, že stator se nemůže otáčet s kapalinou. Je možná pouze zpětná rotace. To způsobí, že kapalina při dopadu na lopatky změní směr.
Věci se zkomplikují, když se podmínky zhorší. Na dálnici se oběžné kolo (čerpadlo) a turbína točí přibližně stejnou rychlostí. Čerpadlo je vždy o něco rychlejší, ale rychlostí jsou blízko. V tomto okamžiku není stator potřeba.
Kapalina vracející se z turbíny vstupuje do čerpadla, které se již pohybuje stejným směrem.
Představte si, že stojíte za pickupem jedoucím rychlostí 60 mil za hodinu. Hodíte míč zezadu rychlostí 40 mil za hodinu. Míč se stále pohybuje vpřed rychlostí 20 mil za hodinu. Stejný princip platí pro turbíny. Turbína se otáčí vysokou rychlostí v jednom směru. Vyhazuje kapalinu zezadu, ale ne tak rychle jako původní rychlost vpřed. Kapalina se stále pohybuje vpřed vzhledem k čerpadlu.
Když vůz dosáhne těchto rychlostí, kapalina narazí na zadní stranu lopatek statoru. Stator se volně otáčí pomocí jednosměrné spojky. Rotace je zdarma. Neblokuje vlákno.
Výhody a nevýhody měniče momentu
Trik násobení točivého momentu
Myslíte si, že brzdění zastaví auto? Špatně. Důležitou roli zde hraje měnič točivého momentu. Zabraňuje zhasnutí motoru při zastavení na červenou. Ale jeho funkce nejsou omezeny na toto. Funguje jako multiplikátor síly.
Měnič točivého momentu zvyšuje točivý moment motoru dvakrát až třikrát při rozjezdu. Tento „fígl“ funguje pouze v případě, že se motor točí výrazně rychleji než převodovka. Prokluzování vytváří efekt násobení točivého momentu.
Vysvětlení vysokorychlostních měničů
Skladové vozy používají standardní měniče točivého momentu. Jsou ideální na cesty. Ale co drag raceři? Potřebují něco jiného.
High-stall konvertory jsou odpovědí na jejich potřeby. Zpožďují sepnutí blokovací spojky. To umožňuje motoru dosáhnout vyšších otáček, než pošle výkon na kola. Při nízkých otáčkách se neztrácí čas. Když se motor blíží maximálnímu výkonu, vozidlo nastartuje.
To je skvělé pro trať. Ale není to dobré pro každodenní dojíždění. Za normálních jízdních podmínek může měnič s vysokými otáčkami způsobit zpomalení vozu. Neustále bude hledat požadované zařízení. To povede k nadměrné spotřebě paliva. Jedná se o specializovaný nástroj pro konkrétní úkol.
Snížená účinnost
To je ošklivá pravda o automatických převodovkách. Při jízdě po dálnici se otáčky motoru a převodovky liší. Přenos se zpožďuje. Obvykle se otáčí kolem 90 % otáček motoru.
Ten 10% rozdíl není levný. Energie se ztrácí. Když se kapalina míchá, uvnitř se vytváří teplo. Síla je rozptýlena do atmosféry. Z tohoto důvodu mají automatické převodovky obvykle horší spotřebu paliva než manuální převodovky. Ke skluzu dochází neustále. Tato neefektivita se kumuluje.
Řešení blokování
Inženýři nenávidí ztráty. Vynalezli tedy uzavírací spojku.
Když měnič točivého momentu dosáhne cestovní rychlosti, spojka sepne. Fyzicky spojuje obě poloviny dohromady. Motor a převodovka se točí stejnou rychlostí. Žádný skluz. Žádné topení. Žádná ztráta energie.
Toto jednoduché mechanické spojení může obnovit ztracenou účinnost. Přibližuje výkon automatické převodovky výkonu manuální převodovky.
Válka o počet rychlostních stupňů
Samotná uzavírací spojka už ale nestačí. Převodové poměry v moderních automatických autech jsou šílené. Až 10 rychlostních stupňů vpřed. za co? To umožňuje udržovat motor v optimálním provozním režimu. Čím více převodových stupňů, tím méně musí motor vytáčet, aby udržel stejné otáčky.
Starší manuální převodovky měly pět nebo šest stupňů. V moderních autech je jich ještě více. To zajišťuje optimálnější dodávku energie. Napodobují účinnost starších manuálních konstrukcí, ale nabízejí také pohodlí automatické převodovky.
Je to ideální? Ne, je to velmi těžké. Ale funguje to. Měnič točivého momentu se vyvinul od jednoduchých hydraulických spojek ke složitým, vysoce účinným zařízením. Je to zázrak hydraulického inženýrství maskovaný jako jednoduchá součást ve tvaru mísy.
Nikdy nevidím, jak se zamyká spojka. Žádné násobení točivého momentu nepocítíte. To se prostě stává. Pod kapotou. Ve tmě. Kde by měla být.
