Kierowcy zaznajomieni z manualnymi skrzyniami biegów prawdopodobnie będą zaznajomieni z tą procedurą. Silnik. Sprzęgło. Przenoszenie. Po zwolnieniu pedału sprzęgła silnik gaśnie. Naciśnij go, a samochód zacznie się poruszać. Jest to połączenie mechaniczne, które w razie potrzeby zostaje zerwane. A co z automatyczną skrzynią biegów? Nie ma pedału sprzęgła. Brak rozłączenia. Jednakże, gdy samochód stoi, silnik nadal pracuje.
Jak to działa?
Odpowiedź kryje się w przemienniku momentu obrotowego.
Choć nazwa brzmi jak złożony cud technologii, zasadniczo jest to sprzęgło płynne. Zastępuje sprzęgło mechaniczne w manualnej skrzyni biegów. Bez tego samochód z automatyczną skrzynią biegów gaśnie przy każdym naciśnięciu hamulca. Dzięki temu silnik może obracać się niezależnie od kół. To nie magia. To jest hydrodynamika.
Fizyka momentu obrotowego
Wyjaśnijmy jedną kwestię. Moment obrotowy to nie prędkość. To jest siła wirująca.
Obrót wału korbowego wytwarza moment obrotowy. Im większy moment obrotowy, tym szybciej możesz przyspieszyć. To jest energia stojąca za ruchem. W manualnej skrzyni biegów moment obrotowy silnika przenoszony jest bezpośrednio na skrzynię biegów. Koła się kręcą. Silnik pracuje. Są ściśle powiązane.
W przypadku automatycznej skrzyni biegów sytuacja jest inna.
Przemiennik momentu obrotowego znajduje się pomiędzy silnikiem a skrzynią biegów. Wykorzystuje płyn przekładniowy do przenoszenia mocy. Gdy zatrzymujesz się na czerwonym świetle, silnik pracuje na biegu jałowym. Przemiennik momentu obrotowego obraca się. Ale wał wejściowy skrzyni biegów nie musi się obracać. Płyn umożliwia wystąpienie poślizgu. To właśnie ten poślizg jest kluczem do uniknięcia zatorów.
Większość ludzi myli klasyczne automatyczne skrzynie biegów z nowoczesnymi przekładniami bezstopniowymi (CVT) lub półautomatycznymi skrzyniami biegów. Mówimy tutaj o tradycyjnych automatycznych skrzyniach planetarnych. Te same, którymi prawdopodobnie jeździłeś od lat pięćdziesiątych. Systemy te są całkowicie zależne od tego sprzęgła hydraulicznego. Nowe technologie, takie jak przekładnie bezstopniowe (CVT), wykorzystują paski i koła pasowe. Nie używają przemiennika momentu obrotowego. A co z klasycznymi automatycznymi skrzyniami biegów? Wszystko zależy od płynu.
Wewnątrz transformatora
To urządzenie wygląda jak duża, ciężka, metalowa nakrętka. Z zewnątrz to wszystko, co widać. Ale wewnętrznie trzy główne elementy współpracują ze sobą.
- Wirnik pompy (podłączony do silnika)
- Turbina (podłączona do skrzyni biegów)
- Reaktor (znajduje się pomiędzy nimi)
Silnik obraca pompę. Pompa wtłacza płyn przekładniowy do turbiny. Turbina się obraca. Turbina napędza wał wejściowy skrzyni biegów. Samochód się porusza.
Ale tu zaczyna się zabawa. Gdyby istniała tylko pompa i turbina, wydajność byłaby bardzo niska. Moc zostałaby utracona. Reaktor wkracza na scenę.
Reaktor zmienia kierunek przepływu cieczy powracającej z turbiny. Zwiększa moment obrotowy. Dlatego urządzenie to nazywane jest „przemiennikiem momentu obrotowego”. Przy niskich prędkościach przemiennik momentu obrotowego zwielokrotnia moment obrotowy silnika. Daje to początkowe pchnięcie po naciśnięciu pedału gazu od początku. Bez tego zwielokrotnienia samochody z automatyczną skrzynią biegów wydawałyby się powolne.
Reaktor jest unieruchomiony w jednym położeniu za pomocą sprzęgła jednokierunkowego. Dzięki temu możliwa jest efektywna zmiana kierunku przepływu płynu podczas przyspieszania. Gdy tylko samochód nabiera prędkości, zmienia się przepływ płynu. Reaktor zaczyna się swobodnie obracać. Przestaje mnożyć moment obrotowy. Przy prędkościach autostradowych przemiennik momentu obrotowego
Zasada mechaniczna sprzęgła hydraulicznego
Pomyśl o przemienniku momentu obrotowego jako o mostku hydraulicznym pomiędzy silnikiem a skrzynią biegów. Nie jest ono połączone na sztywno jak sprzęgło w samochodzie z manualną skrzynią biegów. Zamiast tego do przenoszenia mocy wykorzystuje olej do automatycznych skrzyń biegów (ATF). Taka konstrukcja umożliwia pracę silnika na biegu jałowym bez zatrzymywania całego układu przeniesienia napędu.
Kiedy zatrzymujesz się na światłach, prędkość obrotowa silnika wzrasta, ale prawie nic nie jest przenoszone na koła. Płynne poślizgi. Dzięki temu zatrzymanie samochodu na światłach jest łatwe i nie wymaga wciskania pedału hamulca. Przenoszenie momentu obrotowego jest minimalne.
Naciśnij pedał przyspieszenia. Zwiększa się prędkość obrotowa. Pompa przemiennika momentu obrotowego pracuje ciężej i pompuje więcej płynu do układu. W ten sposób rzeczywista moc jest przekazywana do skrzyni biegów. Jeśli hamulce nie zostaną mocno wciśnięte, samochód gwałtownie ruszy do przodu. To nie jest usterka. Fizyka robi dokładnie to, do czego została zaprojektowana.
Wewnątrz przemiennika momentu obrotowego
Wewnątrz samego przemiennika momentu obrotowego współpracują ze sobą trzy główne elementy. Nie są ze sobą skręcone. Działają na zasadzie reakcji łańcuchowej.
Pierwsza to pompa (lub wirnik pompy). Jest on bezpośrednio połączony z kołem zamachowym silnika. Gdy silnik się obraca, obraca się również pompa. Działa jak pompa odśrodkowa, wyrzucając ciecz na zewnątrz.
Płyn ten przepływa następnie do innego elementu, turbiny. Turbina połączona jest z wałem wejściowym skrzyni biegów. Płyn z pompy uderza w łopatki turbiny i powoduje ich obrót. W ten sposób moc przekazywana jest z silnika na skrzynię biegów.
Jednak wczesne przemienniki momentu obrotowego traciły energię. Płyn po prostu przeszedł przez turbinę, stracił pęd i wrócił do silnika. Oto część trzecia: stojan.
Stojan znajduje się pomiędzy turbiną a pompą. Przy małych prędkościach nie może się swobodnie obracać. Przekierowanie powracającego płynu z powrotem do pompy wymaga pewnej pomysłowości. Dodaje siły napływającemu przepływowi. To właśnie ten zwiększony moment obrotowy umożliwia samochodom z automatyczną skrzynią biegów łatwe przyspieszanie od zatrzymania, pomimo bardziej śliskiego połączenia w porównaniu ze sprzęgłem ręcznym.
„Stator kieruje powracający płyn przy niskich prędkościach, aby zwiększyć moment obrotowy, skutecznie zapewniając dodatkową moc podczas przyspieszania”.
Przy dużych prędkościach stojan obraca się swobodnie, gdy prędkość turbiny osiąga prędkość pompy. Przestaje dodawać moment obrotowy i nadal się obraca. Zmniejsza to opór na autostradzie i poprawia oszczędność paliwa. Przemiennik momentu obrotowego zasadniczo staje się sprzęgłem wypełnionym płynem o bardzo małym poślizgu.
Sprzęgła blokujące
Nowoczesne przekładnie rozwiązały problem wydajności spowodowany poślizgiem poprzez zastosowanie sprzęgła blokującego. Po osiągnięciu prędkości autostradowej ciśnienie hydrauliczne włącza tarczę sprzęgła w przemienniku momentu obrotowego. To mechanicznie blokuje turbinę i pompę.
Silnik i skrzynia biegów obracają się z dokładnie tą samą prędkością. Poślizg będzie bliski zeru. Efektywność paliwowa wzrasta dramatycznie. Ilość wytwarzanego ciepła maleje. Otrzymujesz niezawodność sztywnego połączenia i wygodę płynnej jazdy autonomicznej.
Nie wszystkie przemienniki momentu obrotowego blokują się natychmiast. Niektórzy włączają wysokie biegi tylko w celu oszczędzania paliwa. Niektórzy wdrażają fazę „częściowego blokowania”, aby wygładzić przełączanie. Dokładne zachowanie zależy od kalibracji producenta i przeznaczenia pojazdu. Ciężkie samochody ciężarowe mogą pozostawiać przemiennik momentu obrotowego odblokowany na długi czas w celu zarządzania temperaturą i momentem obrotowym. W celu zapewnienia maksymalnej szybkości reakcji sportowe sedany można niemal natychmiast zamknąć.
Objawy uszkodzonego przemiennika momentu obrotowego
Wewnątrz grubego, stalowego korpusu cztery żywioły walczą o dominację. To jest koło pompy (wirnik). Turbina. Stojan. A także płyn przekładniowy. Działa jak klej spajający cały ten chaos w całość.
Obudowa jest przykręcona bezpośrednio do koła zamachowego silnika. Oznacza to, że nie musisz martwić się wyborem biegu. Obraca się przy dowolnej prędkości obrotowej silnika. Łopatki pompy są przymocowane do tej obudowy. Obraca się wraz z silnikiem. Kropka.
Poniższy schematyczny przekrój pokazuje dokładnie, jak te części są połączone.
Zasada mechaniczna sprzęgła hydraulicznego
Większość ludzi myśli o przemienniku momentu obrotowego jak o sprzęgle hydraulicznym. To jest błędne. To jest mnożnik momentu obrotowego. To rozróżnienie jest ważne dla zrozumienia, dlaczego samochód nie zgaśnie na światłach.
Koło pompy to pompa. Napędzany silnikiem. Wyrzuca płyn. Ciecz ta dostaje się do turbiny. Turbina połączona jest z wałem wejściowym skrzyni biegów. Kiedy płyn uderza w turbinę, zaczyna się ona obracać. Moc przekazywana jest z silnika na skrzynię biegów.
Całkiem proste, prawda?
Jednak w środku jest trudniej.
Stojan znajduje się pomiędzy kołem pompy a turbiną. To twoja tajna broń. Stojan zmienia kierunek przepływu płynu. Zmienia się kierunek przepływu. Ta zmiana kierunku powoduje zwielokrotnienie momentu obrotowego. Zwłaszcza przy małych prędkościach.
Bez stojana tracisz większość ciągu przy niskich obrotach. Płyn po prostu wiruje na próżno. Stator to łapie. I wracamy do koła pompy. Ten cykl się powtarza.
Dlaczego ciało się obraca?
Ciało jest kotwicą. Jest przykręcony do elastycznego dysku (flexplate). Dyskietka jest przykręcona do wału korbowego. Dlatego gdy silnik się obraca, obudowa również się obraca. Brak poślizgu. Żadnych opóźnień.
Pompa znajduje się wewnątrz tej obudowy. Ostrza są przymocowane do wewnętrznej ściany. Obracają się z prędkością obrotową silnika. To tworzy napięcie. Ciśnienie powoduje ruch płynu. Płyn napędza turbinę.
Jeżeli obudowa nie będzie dobrze połączona z silnikiem wszystko dosłownie się rozsypie.
Przekrój poprzeczny
Układ można zobaczyć, patrząc na schemat przekroju.
- Pierścień zewnętrzny : Obudowa. Mocowany do koła zamachowego.
- Pompa wewnętrzna : Podłączona do obudowy zewnętrznej. Wprawia ciecz w ruch.
- Sjanr : Mocowany do sprzęgła jednokierunkowego. Nie może się swobodnie obracać. Turbina obraca się do przodu tylko wtedy, gdy obraca się szybciej niż koło pompy.
- Turbina : Połączona ze skrzynią biegów. Napędza koła (pośrednio).
Płyn krąży. Wewnątrz. Poza. W kręgu.
To nie jest trudne połączenie. To jest hydrauliczne. Występuje poślizg. Możesz to poczuć. Na biegu jałowym silnik obraca nadwozie. Turbina stoi. Płyn po prostu się kręci. Nie ma przeniesienia mocy.
Co się stanie po naciśnięciu pedału gazu?
Koło pompy obraca się szybciej. Zwiększa się prędkość płynu. Ciśnienie rośnie. Turbina zaczyna się obracać. Sprzęgło blokujące jest włączane w dalszej części cyklu, aby zapobiec poślizgowi. Ale do teraz? Wszystko zależy od hydrodynamiki.
Stojan pozostaje uziemiony. Zmienia kierunek powracającego płynu. Zwiększa to moment obrotowy. Dlatego możesz powoli czołgać się w ruchu ulicznym, bez zatrzymywania się. Transformator podwaja moc silnika.
To bardzo mylące. To
Zasada działania wirnika przemiennika momentu obrotowego
Wirnik pełni funkcję pompy odśrodkowej. Znajduje się wewnątrz przemiennika momentu obrotowego. Gdy silnik się obraca, ciecz jest wyrzucana w kierunku zewnętrznej krawędzi. Pomyśl o swojej pralce: podczas wirowania woda i ubrania dociskają ścianki bębna. Wirnik wykonuje podobne działania z płynem przekładniowym.
Ta siła odśrodkowa wytwarza próżnię w środku.
Podciśnienie zasysa nową porcję cieczy. To ciągły cykl. Ciecz zostaje wyrzucona i napływa nowa porcja. Cykl ten wytwarza ciśnienie hydrauliczne potrzebne do przeniesienia mocy z silnika do przekładni. Bez tego efektu ssania przemiennik momentu obrotowego nie będzie działał. Płyn powinien nadal krążyć. W przeciwnym razie przenoszenie mocy zostanie całkowicie zatrzymane.
Kiedy olej przekładniowy opuszcza pompę, uderza w łopatki turbiny. To nie jest tylko ruch bierny. Turbina jest sztywno połączona z wałem wejściowym skrzyni biegów, więc gdy płyn uderza w te łopatki, powoduje obrót wału. Moc przekazywana jest przez półosie i mechanizmy różnicowe i ostatecznie dociera do kół napędowych.
Zwróć uwagę na kształt łopatek. Są zakrzywione. Płyn wypływa z zewnętrznej krawędzi i musi powrócić do środka, aby wyjść przez środkową piastę. Zmiana ścieżki przepływu wytwarza moment obrotowy.
Trzecie prawo Newtona ma tu zastosowanie bez wyjątku. Kiedy zmieniasz kierunek ruchu obiektu, wywierana jest na niego siła. Przedmioty wywierają równe i przeciwne siły. Łopatki turbiny kierują płyn do wewnątrz i odwracają jego przepływ. Płyn z kolei wywiera nacisk na łopatki. Ciśnienie to powoduje obrót turbiny.
Występuje jednak problem ze strumieniem wyjściowym. Gdy płyn opuszcza turbinę, jego ruch jest ściśle przeciwny do kierunku obrotu pompy lub silnika. Gdy przepływająca ciecz ponownie uderzy w wirnik pompy, działa jak hamulec. Powoduje to zużycie energii silnika i zmniejszenie jego wydajności.
Dlatego przemiennik momentu obrotowego wymaga stojana.
Rola stojana w konwersji momentu obrotowego
Stojan znajduje się pomiędzy turbiną a pompą. Nie obraca się tak swobodnie, jak pozostałe dwa elementy. Jego zadaniem jest przekierowanie płynu opuszczającego turbinę tak, aby trafił on na pompę we właściwym kierunku.
Bez stojana przemiennik momentu obrotowego jest jedynie sprzęgłem hydraulicznym. Przekazuje energię, ale jej nie dodaje. Dzięki stojanowi transformator jest w stanie zwiększyć moment obrotowy silnika, szczególnie przy niskich prędkościach. Dlatego podczas przyspieszania od zatrzymania odczuwa się wzrost mocy. Stojan zostaje zablokowany i odwraca kierunek przepływu, tworząc reakcję łańcuchową, która zwiększa siłę.
Kiedy stojan jest zablokowany?
Stojan nie zawsze pozostaje zablokowany. Wraz ze wzrostem prędkości pojazdu prędkość turbiny zbliża się do prędkości pompy. Płyn opuszczający turbinę nie płynie już silnie w przeciwnym kierunku, aby skorzystać na zmianie kierunku. W tym momencie zostaje zwolnione sprzęgło jednokierunkowe stojana.
Stojan zaczyna się obracać wraz z resztą zespołu. Praktycznie nie ma oporu. Przemiennik momentu obrotowego zasadniczo staje się sprzęgłem hydraulicznym. Zmniejsza to straty tarcia i poprawia zużycie paliwa przy prędkościach autostradowych.
Powielanie momentu obrotowego i bezpośrednie przenoszenie
Zrozumienie działania stojana wyjaśnia, dlaczego samochody z manualną skrzynią biegów wydają się „wolniejsze” niż te automatyczne. Przemiennik momentu obrotowego zwiększa moment obrotowy silnika pod wpływem stojana. Sprzęgła mechaniczne zależą wyłącznie od prędkości obrotowej silnika i materiału okładziny ciernej. Transformatory wygładzają przenoszenie mocy, jednocześnie ją zwiększając.
Ten projekt ma swoje kompromisy. Sprzęgła hydrauliczne są z natury mniej wydajne niż sprzęgła mechaniczne. Zawsze jest jakiś poślizg. Kluczem jest jednak kompromis pomiędzy płynną pracą i zwiększonym momentem obrotowym.
Stojan jest niedocenianym bohaterem automatycznej skrzyni biegów. Zwiększa moment obrotowy i sprawia, że ciężkie pojazdy lepiej reagują podczas ruszania z miejsca. Bez tego wszystkie samochody z automatyczną skrzynią biegów wymagałyby do działania silników o dużej pojemności skokowej, a także małych samochodów z manualną skrzynią biegów.
W poniższej sekcji opisano części mechaniczne sprzęgła jednokierunkowego stojana.
Stojan znajduje się pośrodku przemiennika momentu obrotowego. Przekierowuje płyn powracający z turbiny, zanim zostanie on ponownie wprowadzony do pompy. To proste rozwiązanie poprawia wydajność.
Łopatki stojana mają agresywny kształt. Prawie całkowicie zmieniają kierunek przepływu płynu. Sprzęgło jednokierunkowe w stojanie blokuje je na nieruchomym wale. Kierunek, w którym sprzęgło umożliwia obrót, jest ściśle określony. Taka konstrukcja oznacza, że stojan nie może obracać się wraz z płynem. Możliwy jest tylko obrót wsteczny. Powoduje to zmianę kierunku cieczy, gdy uderza w ostrza.
Sprawa się komplikuje, gdy warunki stają się trudniejsze. Na autostradzie wirnik (pompa) i turbina obracają się z mniej więcej tą samą prędkością. Pompa jest zawsze trochę szybsza, ale są zbliżone do prędkości. W tym momencie stojan nie jest potrzebny.
Płyn powracający z turbiny wpływa do pompy, która już porusza się w tym samym kierunku.
Wyobraź sobie, że stoisz za pickupem jadącym z prędkością 60 mil na godzinę. Rzucasz piłkę od tyłu z prędkością 40 mil na godzinę. Piłka wciąż porusza się do przodu z prędkością 20 mil na godzinę. Ta sama zasada dotyczy turbin. Turbina obraca się z dużą prędkością w jednym kierunku. Wyrzuca płyn od tyłu, ale nie tak szybko, jak pierwotna prędkość do przodu. Płyn nadal przesuwa się do przodu w stosunku do pompy.
Kiedy samochód osiągnie tę prędkość, płyn uderza w tył łopatek stojana. Stojan obraca się swobodnie za pomocą sprzęgła wyprzedzeniowego. Rotacja jest bezpłatna. Nie blokuje wątku.
Zalety i wady przemiennika momentu obrotowego
Sztuczka z mnożeniem momentu obrotowego
Czy myślisz, że hamowanie zatrzyma samochód? Zło. Przemiennik momentu obrotowego odgrywa tutaj ważną rolę. Zapobiega zgaśnięciu silnika po zatrzymaniu na czerwonym świetle. Ale jego funkcje nie ograniczają się do tego. Działa jako mnożnik siły.
Przemiennik momentu obrotowego zwiększa moment obrotowy silnika od dwóch do trzech razy podczas ruszania. Ta „sztuczka” działa tylko wtedy, gdy silnik obraca się znacznie szybciej niż skrzynia biegów. Poślizg powoduje efekt zwielokrotnienia momentu obrotowego.
Wyjaśnienie szybkich konwerterów
Samochody seryjne korzystają ze standardowych przemienników momentu obrotowego. Idealnie nadają się do podróży. Ale co z zawodnikami dragsterów? Potrzebują czegoś innego.
Odpowiedzią na ich potrzeby są przetwornice wysokostopowe. Opóźniają załączenie sprzęgła blokującego. Dzięki temu silnik może osiągnąć wyższe prędkości przed przesłaniem mocy na koła. Przy niskich obrotach nie ma czasu na marnowanie czasu. Gdy silnik osiągnie moc maksymalną, pojazd uruchamia się.
To jest świetne na tor. Ale nie nadaje się do codziennych dojazdów do pracy. W normalnych warunkach jazdy konwerter wysokich obrotów może powodować spowolnienie samochodu. Będzie stale szukał pożądanego sprzętu. Doprowadzi to do nadmiernego zużycia paliwa. To niszowe narzędzie do konkretnego zadania.
Zmniejszona wydajność
Oto smutna prawda o automatycznych skrzyniach biegów. Podczas jazdy po autostradzie prędkości obrotowe silnika i skrzyni biegów różnią się. Transmisja jest opóźniona. Zwykle obraca się przy około 90% prędkości obrotowej silnika.
Te 10% różnicy nie jest tanie. Energia jest tracona. Kiedy ciecz jest mieszana, wewnątrz wytwarza się ciepło. Moc jest rozpraszana do atmosfery. Z tego powodu automatyczne skrzynie biegów zazwyczaj charakteryzują się mniejszą oszczędnością paliwa niż ręczne skrzynie biegów. Poślizg występuje cały czas. Ta nieefektywność kumuluje się.
Rozwiązanie blokujące
Inżynierowie nienawidzą strat. Wynaleźli więc sprzęgło blokujące.
Gdy przemiennik momentu obrotowego osiągnie prędkość podróżną, sprzęgło zostaje załączone. Fizycznie łączy obie połówki. Silnik i skrzynia biegów obracają się z tą samą prędkością. Brak poślizgu. Brak ogrzewania. Brak utraty mocy.
To proste połączenie mechaniczne może przywrócić utraconą wydajność. Przybliża osiągi automatycznej skrzyni biegów do osiągów ręcznej skrzyni biegów.
Wojna o liczbę biegów
Jednak samo sprzęgło blokujące już nie wystarczy. Przełożenia w nowoczesnych samochodach automatycznych są szalone. Do 10 biegów do przodu. Po co? Pozwala to utrzymać silnik w optymalnym trybie pracy. Im więcej biegów, tym mniejsze obroty silnik musi obracać, aby utrzymać tę samą prędkość.
Starsze ręczne skrzynie biegów miały pięć lub sześć biegów. W nowoczesnych samochodach jest ich jeszcze więcej. Zapewnia to bardziej optymalne dostarczanie mocy. Naśladują wydajność starszych konstrukcji manualnych, ale oferują także wygodę automatycznej skrzyni biegów.
Czy to jest idealne? Nie, to bardzo trudne. Ale to działa. Przemiennik momentu obrotowego ewoluował od prostych sprzęgieł hydraulicznych do złożonych, wysoce wydajnych urządzeń. To cud inżynierii hydraulicznej ukryty pod prostym elementem w kształcie misy.
Nigdy nie widziałem, żeby sprzęgło blokujące się włączało. Nie odczujesz zwiększenia momentu obrotowego. To się po prostu dzieje. Pod maską. W ciemności. Gdzie powinna być.
