Prijenos snage (II)

Prijenos snage (II)
tekst: autonet.hr

Ručni mjenjač

Pero, reci nam čemu služi spojka? Pa, hm, da vozaču ne bi bilo dosadno. Mislim, da služi kako bi on imao što pritiskati tijekom vožnje. Sjedni Pero, pišem ti jedinicu i nauči do slijedećeg tjedna!

Osnovni dijelovi prijenosnog sustava automobila s naprijed postavljenim motorom i pogonom na stražnje kotače

Kao što smo rekli u proteklom nastavku Škole automobilske tehnike, sustav prijenosa snage automobilskog motora započinje spojkom koja je pričvršćena na izlaznom dijelu koljenastog vratila, tj. na zamašnjak. Prijenosni sustav automobila, pored spojke, podrazumijeva još neke dijelove kojima ćemo se pozabaviti u ovoj rubrici. To su mjenjač, kardansko vratilo te diferencijal. Stoga, poslije spojke, u priči o prijenosnom sustavu red je da se pozabavimo mjenjačima. Uostalom, spojka, o kojoj je bilo riječi u prošlom nastavku, upravo i služi tome da bi smo mogli upotrebljavati mjenjač. Naime, kako bi se promijenio stupanj prijenosa (brzina) potrebno je, na kratko vrijeme, prekinuti prijenos okretnog momenta s motora na mjenjač. Upravo tu, u "igru" ulazi spojka koje omogućava taj prekid. No, koja je zapravo uloga mjenjača?

Demistificirana teorija načina rada mjenjača

Ručni 6-stupanjski mjenjač za Mercedes-Benz B klasu (Daimler AG)

Mjenjač je mehanička naprava kojom se energija prenosi s jednog sustava na drugi te koja se koristi kako bi se smanjenjem brzine (okretanja) povećao okretni moment. Sjajno! A, sada, ljudskim rječnikom... Kada bi smo pogon s izlaza motora, dakle s koljenastog vratila prenijeli izravno na kotače, naš bi se teorijski automobil ponašao poput dječjeg autića s elektromotorom. Koliko gasa dodamo, tolika će mu biti brzina. I kada bi smo kod našeg teorijskog vozila pretpostavili da se motor okreće brzinom proporcionalnom pritisku na papučicu gasa (akceleratora), mogli bi smo brzinu kretanja prilagođavati isključivo pritiskom na gas. Ipak, ta je teorija izvediva isključivo u idealnim uvjetima. Kada bi takav automobil došao na uzbrdicu, naglo bi se povećalo opterećenje na njegov pogonski sustav i motor bi s vremenom (stalno gubeći broj okretaja) prestao raditi. Upravo stoga, u automobilski sustav prijenosa snage ugrađuju se mjenjači (kod električnog je automobila moguće izbjeći mjenjač iz razloga što električni motori, u pravilu, pružaju najveći raspoloživi okretni moment već od 0 okretaja u minuti. No, o toj temi, nešto kasnije).

Uzmimo sada, ilustracije radi, svima znatno bliži primjer - bicikl. Kada se vozite po ravnoj cesti, mjenjač vam se nalazi u, recimo, 5. stupnju prijenosa. No, iznenada se ispred vas stvorila uzbrdica. Jasno je, prebacujete u "nižu" brzinu (stupanj prijenosa koji označujemo manjim brojem). Primjer bicikla je koristan jer se kod njega prijenosni odnosi izvode u njihovom najjednostavnijem (gotovo teorijskom) obliku. Tako kod bicikla, na osovini pedala imamo zupčanik određenog broja zuba. Kada je mjenjač postavljen u stupanj kojim se s ovog zupčanika prijenos vodi na zupčanik jednakog broja zuba govorimo o tzv. izravnom (ili direktnom) prijenosu. Dakle, koliko puta okrenemo pedale, toliko će se puta okrenuti i kotač jer je zupčanik na osovini pedala vezan lancem sa zupčanikom na osovini kotača koji ima jednak broj zuba. Ipak, dolaskom uzbrdice ubrzo će vam ponestati snage. Rješenje koje se jedino postavlja jest prebacivanje mjenjača u niži stupanj prijenosa. To znači da će te sada prijenos prebaciti na zupčanik (na kotaču) koji ima veći broj zuba od zupčanika na osovini pedala.

Učinak ovakvog prebacivanja je taj da (ukoliko sada zupčanik na osovini kotača ima npr. 2 puta više zuba od onog na osovini pedala) pedale okrećete jednakom brzinom kao i prije, no kotač se okreće upola sporije. Ipak, sada je moment na kotaču dva puta veći, što vam olakšava vožnju uzbrdicom. Dakle, kao što smo rekli u onoj kompliciranoj teoriji na početku ovog odlomka, smanjenjem brzine okretanja (do kojeg smo došli razlikom između broja zuba na zupčanicima) povećavamo okretni moment.

Promjena brzine obrnuto je proporcionalna promjeni okretnog momenta: na slikama su prikazana tri stupnja prijenosa. Pretpostavimo da je lijevi zupčanik pogonski, a desni gonjeni. Na sivoj traci je naveden prijenosni omjer, a slijedi broj zuba pojedinog zupčanika, okretni moment te brzina okretanja.

Ručni mjenjač sa 6 stupnjeva prijenosa. Lijevo je košara koja pokriva spojku, a desno poluga ručice mjenjača. Ispod nje vidljiva je izlazna osovina (BMW AG, 2003.)

Kod automobila, kao što vidimo iz primjera bicikla, možemo tako podešavati moment koji prenosimo na pogonske kotače promjenom stupnja prijenosa. S obzirom da motori s unutarnjim izgaranjem razvijaju veću snagu povećanjem broja okretaja, mjenjač nam upravo omogućava da u slučaju većeg opterećenja (uzbrdica, svladavanje inercije vozila pri kretanju iz stanja mirovanja...) povećamo broj okretaja motora, a ne kotača. Dakako, obrnuti slučaj također vrijedi. Naime, šaljemo li pogon s motora na zupčanik mjenjača koji je većeg broja zuba od zupčanika koji je u prijenosu bliže kotaču, smanjit ćemo moment, no povećati brzinu okretanja kotača.

I dok gornja ilustracija, jednostavnosti radi, prikazuje nekakve omjere broja zuba na zupčanicima s kojima je lakše računati, u praksi su prijenosni omjeri mjenjača rezultat kudikamo kompleksnijih računica te zahtjeva. Mjenjač se proračunava uzevši u obzir mnogo parametara, a sama brzina kretanja i dostupnost okretnog momenta tek su neki od njih. Jedan 6-stupanjski mjenjač modernog sportskog automobila tako može imati sljedeće prijenosne omjere: u I stupnju 3,92, u II stupnju 2,04, u III stupnju 1,37, u IV stupnju 1,05, u V stupnju 0,85 te u VI stupnju 0,74 (dakako, tu je i stupanj za hod unazad čiji je prijenosni omjer najčešće sličan prijenosnom omjeru I stupnja).

Ručni mjenjač s 4 stupnja prijenosa (PD)

Dakle, kada kažemo da mjenjač u npr. III stupnju prijenosa ima omjer od 1,37, to znači da ovaj automobil za svakih 1,37 okretaja koljenastog vratila napravi 1 okretaj osovine koja izlazi iz mjenjača. Kada bi to bio bicikl, (dakle vozilo bez diferencijala), kotač bi se okretao brže od pedala. U praksi to znači veliku brzinu vožnje, no malo raspoloživog momenta za svladavanje uzbrdice. U nižim su stupnjevima prijenosa ovi omjeri znatno veći upravo stoga što te stupnjeve koristimo za svladavanje uzbrdica i pokretanje vozila iz stanja mirovanja. Više stupnjeve prijenosa, dakle one čiji je prijenosni omjer manji od 1,00 : 1 u praksi koristimo za razvijanje viših brzina pri kojima je potrebna veća brzina okretanja kotača, dok za održavanje konstantne brzine na (relativno) ravnoj podlozi nije potreban posebno velik moment.

Mjenjač, iznutra...

Mjenjač, ili mjenjačka kutija, u stvari je hrpetina zupčanika koje pomoću nekakvih poluga dovodimo u željene međusobne odnose. Tako prebacivanjem ručice mjenjača (govorimo o ručnom, ili manualnom, mjenjaču kod kojeg se stupnjevi mijenjaju rukom, a ne automatski) poluge (vilice za povezivanje zupčanika i izlazne osovine mjenjača) mijenjaju položaj čime se ostvaruju i promjene u prijenosnim odnosima.

Postavke zupčanika ovisno o odabranom stupnju prijenosa:

  • Prazni hod: zupčanici ulaznog vratila (A) koje vodi od spojke odn. koljenastog vratila čvrsto su vezani za vratilo i okreću se s njim. No, zupčanici izlaznog vratila (B) koje vodi do diferencijala odn. kotača slobodno se okreću na svojem vratilu (koje miruje), a sa zupčanicima ulaznog vratila su u stalnom kontaktu i predstavljaju parove prema stupnjevima prijenosa
  • I stupanj prijenosa: najveći zupčanik izlaznog vratila, poluge (vilice) povezuju s izlaznim vratilom (najveći prijenosni odnos, npr. 3,92 : 1 što znači da zupčanik na vratilu koje vodi k diferencijalu ima 3,92 puta više zuba od zupčanika ulaznog vratila s kojim je u vezi). Ostvaruje se najveći prijenos momenta k deferencijalu, odn. pogonskim kotačima, ali i najmanja brzina njihovog okretanja
  • II stupanj prijenosa: sada se zupčanik I stupnja prijenosa opet slobodno okreće na izlaznom vratilu. Čvrsto spojen s izlaznim vratilom u ovom je slučaju zupčanik II stupnja prijenosa kojeg su poluge (vilice) za povezivanje zupčanika dovele u vezu. U kombinaciji s određenim zupčanikom ulaznog vratila, ostvaren je prijenosni odnos od npr. 2,04 : 1 u korist zupčanika na izlaznom vratilu (izlazno vratilo okreće se 2,04 puta sporije od ulaznog)
  • III stupanj prijenosa: slično kao i u prošlom primjeru, sada su zupčanici izlaznog vratila osovine (I i II stupanj prijenosa) 'izbačeni iz igre', a posao obavlja zupčanik III stupnja prijenosa. Ostvaruje se prijenosni omjer od npr. 1,37 : 1 što znači da se izlazno vratilo sada okreće 1,29 puta sporije od ulaznog, odn. od koljenastog vratila
  • IV stupanj prijenosa: kod mjenjača s četiri stupnja prijenosa, došli smo do završnog stupnja. Svi su zupčanici izlaznog vratila isključeni te se pogon s ulaznog vratila nastavlja u jednakom omjeru na izlazno vratilo. Drugim riječima, omjer prijenosa je 1 : 1, tj. za svaki će se okretaj koljenastog vratila osovina koja vodi k diferencijalu okrenuti 1 puta
  • Hod unazad: zupčanici I, II i III stupnja prijenosa na izlaznom su vratilu i dalje isključeni (kao i izravna veza ulaznog i izlaznog vratila), a poluge za povezivanje zupčanika sada su ostvarile vezu između zupčanika na izlaznom vratilu, jednog međuzupčanika i zupčanika na ulaznom vratilu. Jasno je da se sada zupčanik izlaznog vratila okreće u suprotnom smjeru (prijenosni odnos je npr. 3,42 : 1), zbog čega je između zupčanika ulaznog vratila i zupčanika izlaznog vratila 'ubačen' još jedan zupčanik (jer se dva međusobno povezana zupčanika okreću u suprotnim smjerovima)

Što smo zaboravili?

Nema sumnje kako će netko zaključiti da nam je preostalo još jako, jako mnogo toga u priči o ručnom mjenjaču i da smo (vjerojatno) već i u dosadašnjem dijelu teksta podosta toga preskočili. No, potsjetimo se, ova Škola automobilske tehnike govori o osnovama koje ne smiju biti prekomplicirane niti nam je cilj ulaziti pretjerano u dubinu teme. Jasno jest, naime, da se samo o ručnom mjenjaču može napisati cijela knjiga, no koliko god to mi željeli, tako opširno pisat ćemo možda jednom, negdje, u dalekoj budućnosti...

Prsten za sinhronizaciju

I dok same poluge (vilice) koje služe za povezivanje zupčanika s izlaznim vratilom mjenjača doista nema smisla posebno opisivati, vrijeme je da se kratko pozabavimo prstenom za sinhronizaciju. Naime, povezivanje izlaznog vratila i odabranog zupčanika omogućava zupčasta spojka. Riječ je o vrsti veze koja (u osnovi) izgleda kao zupčanik - s jedne strane radi se o vijencu sa zubima, a s druge strane o njegovom "negativu" tj. o plaštu (prstenu) s utorima koji odgovaraju zubima na vijencu. Bez mogućnosti sinhronizacije (kako su bili konstruirani nekadašnji mjenjači) nastaje problem prilikom promjene stupnjeva prijenosa zbog toga što dolazi do povezivanja zupčaste spojke čiji se dijelovi (vijenac sa zubima i plašt s utorima) koji se okreću različitim brzinama (ili se jedan od njih ne okreće, jer je npr. zupčanik odvojen od izlaznog vratila). Kada dođe do "susreta" dvaju dijelova zupčaste spojke, koji se okreću znatno različitim brzinama, postoji mogućnost da se zubi ne uspiju povezati s utorima, a sve prati poznati zvuk struganja, grebanja ili jednostavno, "starinskog" mjenjača. Iskreno, neki jeftiniji automobili u ne tako davnim vremenima nisu imali sinhronizaciju na I stupnju prijenosa zbog čega je mjenjač bilo teško ili nemoguće prebaciti u taj stupanj dok se vozilo barem malo kretalo (a, sve je bilo popraćeno karakterističnim neugodnim zvukom).

Prsten za sinhronizaciju izvan funkcije (lijevo) i s povezanim konusima (PD)

Kako bi se ovi problemi izbjegli, potrebno je zupčanik koji će biti uključen (povezan s izlaznim vratilom mjenjača), zavrtiti na brzinu izlaznog vratila s kojim će biti povezan (npr. pri prebacivanju iz II u III stupanj, zupčanik II stupnja na izlaznom vratilu mjenjača se isključuje (prekida se njegova veza s izlaznim vratilom), a zupčanik III stupnja se povezuje s izlaznim vratilom. Upravo za to ubrzavanje zupčanika koriste se prsteni za sinhronizaciju (sinhroni).

Prsten za sinhronizaciju koristi dva stupnja povezivanja sa zupčanikom koji treba ubrzati. Prvo, unutrašnji konus prstena za sinhronizaciju naliježe na vanjski konus zupčanika odabranog stupnja prijenosa. Tu dolazi do povezivanja trenjem što postepeno ubrzava zupčanik. Nakon što je ova, uvjetno rečeno tarna spojka, ubrzala zupčanik, slijedi njegovo čvrsto povezivanje s prstenom za sinhronizaciju. Vanjski plašt prstena za svojim unutarnjim utorima naliježe na zupčasti vijenac koji se nalazi na rubu vanjskog konusa zupčanika čime se ostvaruje čvrsto povezivanje koje jamči ujednačenu brzinu okretanja. U tom se položaju vanjski plašt prstena za sinhronizaciju izmiče iz središnjeg položaja (u kojem ga drži kuglica s oprugom) te se pomiče prema zupčaniku.

Helikoidni zupčanici i oni sa zakrivljenim zubima

Vrste zupčanika: zupčanik s ravnim zubima, helikoidni zupčanik i zupčanik sa zakrivljenim zubima

Na kraju, pozabavit ćemo se sa samim zupčanikom, odnosno, oblikom i položajem njegovih zuba. Naime, jednostavni zupčanik ima ravne zube. No, u mjenjačima velikoserijskih automobila gotovo se u pravilu koriste helikoidni zupčanici (zupčanici s kosim zubima). Za razliku od zupčanika s ravnim zubima, rubovi zuba helikoidnih zupčanika nisu paralelni s osi rotacije samog zupčanika, već su postavljeni pod kutem (s obzirom da je zupčanik okrugao, kut zuba predstavlja otsječak spirale - lat. helix = spirala).

Prednost helikoidnih zupčanika u usporedbi s onima ravnih zuba je u tome da se zubi helikoidnih zupčanika međusobno povezuju postepeno, što znatno smanjuje glasnoću njihovog rada (zupčanici s ravnim zubima proizvode visokofrekventno "zujanje" pri visokim brzinama). Ipak, kod helikoidnih se zupčanika javljaju određeni gubici energije. Zbog toga mjenjači natjecateljskih automobila imaju zupčanike s ravnim zubima. Konačno, u mjenjačima ćemo zateći i zupčanike sa zakrivljenim zubima. Kod takvih su zupčanika zubi zakrivljeni svojom dužinom, pored činjenice da su postavljeni i koso. Takvi zupčanici, u pravilu, imaju jednake prednosti i mane kao i helikoidni.

P.S. zupčanik s dva reda kosih zuba, postavljenih u oblik "riblje kosti" naziva se dvostruki helikoidni zupčanik ili Double Chevron