Prijenos snage (III)

Prijenos snage (III)
tekst: autonet.hr

Automatski mjenjač

Ono što je nekoć bila tek privilegija bogatih, danas nalazimo i u automobilima nižih segmenata. Klasični automatski mjenjač nije ponudio samo spas za lijene već i rješenje za motore (pre)velikog okretnog momenta

Hydra-Matic je bio prvi uspješni automatski mjenjač (General Motors)

Premda automatskih mjenjača, ako ih takvima definiramo prema načinu (ili jednom od mogućih načina) rada, ima u raznoraznim izvedbama, ovaj nastavni sat Škole automobilske tehnike pozabavit će se nečime što nazivamo "klasičnim" automatskim mjenjačem. Dakle, riječ je o mjenjaču koji na mjestu spojke koristi pretvarač okretnog momenta, a u svojoj unutrašnjosti krije planetne prijenosnike. I, upravo da odmah na početku ovog teksta sami sebi uskočimo u riječ, prvi automatski mjenjač nije imao pretvarač okretnog momenta već jednostavnu, hidrauličku spojku. No, 1939. priča je mogla započeti.

Te je godine, naime, General Motors predstavio svoj prvi automatski mjenjač. Pod komercijalnim nazivom Hydra-Matic krio se sustav s četiri stupnja prijenosa i hodom unazad, a prva izdanja ovog prijenosa nisu imala parkirni položaj mjenjača. Bitno je napomenuti da Hydra-Matic nije predstavljao prvi takav mehanizam u povijesti, no svakako je bio prvi koji je ovu tehnologiju ponudio u praktičnoj i upotrebljivoj formi te koji je ušao u širu proizvodnju. Automobilska marka koja je prva opremljena ovim mjenjačima bio je Oldsmobile, a mjenjač Hydra-Matic se mogao dobiti uz doplatu od 57 USD.

No, neke se stvari, katkada, počnu razvijati iz krivog smjera. Kada je krenula masovnija upotreba automatskog mjenjača, moglo ga se dobiti tek u luksuznim automobilima. To je, u stvari paradoks. Naime, automatski je mjenjač najkorisniji upravo u gradskoj gužvi kada za prijeđenih 50-ak metara treba stati i krenuti desetak ili više puta, a prosječna brzine u pravilu ne prelazi 15-ak km/h. U gradskoj gužvi, pak, najčešće srećemo male automobile. Svi oni koji svakodnevno "uživaju" u vožnji središtem nekog od većih gradova, dobro će znati o čemu govorimo. Žuljevi na desnoj ruci i dosada neprekidnih posezanja za ručicom mjenjača postali su neizbježna svakodnevnica.

Teorija koja bi nam trebala pojasniti načelo rada automatskog mjenjača...

7G-TRONIC: prvi automatski mjenjač sa 7 stupnjeva prijenosa (Daimler AG)

Načelo rada automatskog mjenjača je, u stvari, jednostavno izuzmemo li iz cijele priče činjenicu da se unutar njegovog kučišta nalazi cijela hrpa svakojakih dijelova... No, doista, sve zanimljivo vezano uz automatski mjenjač odvija se unutar planetnog zupčanog prijenosnika (ili epicikličkog prijenosa ili planetarija).

Suhoparna definicija: planetni prijenosnici su vrsta zupčaničkih prijenosnika u kojima se zupčanici (planeti), pored rotacije oko vlastite osi, kružno gibaju po unutarnjem obodu kolutnog zupčanika (s unutarnjim ozubljenjem) te oko središnjeg (sunčanog) zupčanika.

Planetni zupčani prijenosnik i smjer okretanja pojedinih zupčanika

Dakle, planetni se prijenosnik sastoji od nekoliko zupčanika koji su međusobno povezani. Središnji zupčanik (sunčani) nalazi se na središnjem vratilu i okružen je s nekoliko manjih (planetnih) zupčanika koje povezuje zajednički nosač povezan s vratilom, oko kojih kruži kolutni zupčanik kod kojeg se zubi nalaze s unutarnje strane. Blokiranjem pojedinih zupčanika unutar planetnog prijenosnika mijenjaju se i njihovi međusobni odnosi. Kako su zupčanici od kojih se sastoji planetni prijenosnik različitih veličina (i brojeva zuba), ovim se kombinacijama (blokiranjem pojedinih zupčanika) dobivaju različite brzine okretanja izlaznog vratila. Različite brzine okretanja izlaznog vratila, u konačnici, posljedica su odabira različitih prijenosnih omjera.

Planetni prijenosnik: brojevi zuba moraju zadovoljavati jednadžbu

Prijenosne omjere planetnog prijenosnika donekle je kompliciranije izračunati nego li je to bio slučaj s kombinacijom dvaju helikoidnih zupčanika kod ručnog mjenjača (kod kojih prijenosni omjer predstavlja omjer broja njihovih zuba). No, priča će biti donekle jednostavnija ako u obzir uzmemo u obzir da se broj zuba planetnog prijenosnika nalazi u uvijek istom međuodnosu. Recimo da broj zuba kolutnog zupčanika označavamo s K, broj zuba planetnog zupčanika s P, a broj zuba sunčanog zupčanika sa S. Tada možemo postaviti jednadžbu koja kaže K = 2 x P + S. Kako bi smo izračunali prijenosne omjere, potrebno nam je još nekoliko vrijednosti. To su: broj okretaja kolutnog zupčanika (OK), broj okretaja sunčanog zupčanika (OS) te broj okretaja nosača planetnih zupčanika (OP). Znajući sve do sada navedene podatke, možemo postaviti sljedeću jednadžbu: (K + S) x OP = K x OK + S x OS.

Ne zaboravimo, kod planetnog je prijenosnika u pravilu jedna komponenta blokirana (ne okreće se). Stoga njezina brzina okretanja iznosi 0 i kao takvu ju možemo uvrstiti u gornju jednadžbu. U ovom primjeru recimo da je kolutni zupčanik nepomičan (OK = 0) pa formula će izgledati ovako: (K + S) x OP = S x OS. Sada, recimo da je ulaznim vratilom pokretan sunčani zupčanik te je, radi kalkulacije prijenosnog omjera, potrebno izračunati brzinu okretanja nosača planetnih zupčanika: OP = OS x S / (K + S). U konačnici, iz prethodnog dobivamo prijenosni omjer: S / (K + S).

9HP, 9-stupanjski automatski mjenjač za poprečnu ugradnju (ZF Friedrichshafen AG)

Uzmimo neke konkretne brojke. Dakle, kolutni zupčanik s 48, sunčani s 24 te planetne s 12 zuba i recimo da se sunčani zupčanik okreće brzinom od 3000 o/min. Tada je brzina izlaznog vratila, povezanog s nosačem planetnih zupčanika, 1000 o/min. Kolika bi brzina izlaznog vratila bila da zaustavimo sunčani zupčanik, a da ulazna osovina pokreće nosač planetnih zupčanika?

Pojasnimo, ukratko, spomenuto "blokiranje pojedinih zupčanika". Naime, pogon koji dolazi iz spojke (ulazno vratilo iz pretvarača okretnog momenta) može se prenijeti planetnom prijenosniku npr. putem središnjeg (sunčanog) zupčanika ili putem nosača planetnih zupčanika (koji okreće, u našem primjeru, sva tri planeta). Tako možemo dobiti kombinacije u kojima npr. ulaz momenta predstavlja sunčani zupčanik, izlazno vratilo (pogon prema diferencijalu, odn. kotačima) pokreće nosač planetnih zupčanika, a kolutni je zupčanik nepomičan.

Drugu bi kombinaciju npr. mogla predstavljati situacija u kojoj ulazno vratilo okreće nosač planentih zupčanika, a izlazno vratilo je vezano uz kolutni zupčanik, dok je središnji (sunčani) zupčanik nepomičan. Tako dobivamo različite prijenosne omjere u samo jednom sklopu, tj. u planetnom zupčanom prijenosniku. Na kraju, kombiniranjem dvaju ili više planetnih prijenosnika (npr. ZF-ov 8-stupanjski automatski mjenjač koristi ih četiri, uz pet elemenata za blokiranje - pet spojki s više lamela) dobivamo širok raspon dostupnih prijenosnih omjera. Najčešće, jedan je planetni prijenosnik "zadužen" za dva stupnja prijenosa. No, zbog takve su konstrukcije automatski mjenjači duži od ručnih, ali i kompleksniji.

Spojke s više lamela i pojasne kočnice

Tarna spojka s više lamela (BMW AG)

Temelji dijelovi automatskog mjenjača, pored planetnih prijenosnika i pripadajućih vratila, su pojasne kočnice i (tarne) spojke s više lamela (sve je pokretano hidraulički) te hidraulička spojka, odn. u praksi, pretvarač okretnog momenta. Spojke, koje se poput pojasnih kočnica nalaze unutar automatskog mjenjača, imaju ulogu uključivanja odnosno prekidanja prijenosa snage između pojedinih dijelova mjenjača s planetnim prijenosnicima.

Pojasna kočnica (Toyota Motor Co.)

Blokiranje pojedinih dijelova planetnog prijenosnika unutar automatskog mjenjača moguće je izvesti pojasnim kočnicama. Ove kočnice nisu ništa drugo do prsteni koji su na jednom mjesu otvoreni (presječeni) i koji su jednim svojim dijelom pričvršćeni na kučište mjenjača. Takav je prsten postavljen oko dijela koji treba zaustaviti, a njegovim se stezanjem obuhvaća i stišće dio koji je potrebno zaustaviti. Djelovanjem ovakvih pojasnih kočnica moguće je zaustaviti vrtnju pojedinih dijelova planetnog prijenosnika te tako i mijenjati stupnjeve prijenosa.

Ona čudna slova i brojke: P. R, N, D, 4, 3, 2, 1...

5G-TRONIC: 5-stupanjski automatski mjenjač iz mercedesa W140 (1991.) (Daimler AG)

Vožnja automobila opremljenog automatskim mjenjačem znatno je jednostavnija od vožnje onoga s ručnim mjenjačem. Barem tako tvrde zagovornici automatika. Automobili s automatskim mjenjačem imaju tek dvije papučice, onu akceleratora (gasa) i kočnice, čime je izbačena potreba za radom sa spojkom. Vozač automobila opremljenog automatskim mjenjačem mora tek postaviti ručicu mjenjača u željeni položaj (P = parkiranje, R = hod unatrag, N = prazni hod, D = vožnja, S, L = isto što i npr. 1, 2 tj. ograničavanje prijenosnog odnosa) te dodati gas i to je sve.

Centrifugalni regulator koji se nalazi unutar automatskog mjenjača određuje koji će sklopovi zupčanika biti uključeni kako bi se odredio pravi stupanj prijenosa. Načelno gledajući, povećanjem broja okretaja motora doći će i do promjene stupnja prijenosa (prema višem stupnju) pri predhodno određenom broju okretaja. Ipak, to je tako samo u teoriji jer su današnji automatski mjenjači opremljeni brojnim senzorima opterećenja te trenutak promjene stupnja prijenosa prilagođavaju načinu vožnje i uvjetima kretanja vozila.

Ručica 6-stupanjskog automatskog mjenjača s opcijom ručne izmjene stupnjeva (2012.) (Adam Opel AG)

Pojasnimo i spomenuto ograničavanje prijenosnog omjera. Naime, kako automatski mjenjač u pravilu mijenja stupnjeve prijenosa ovisno o brzini rada motora, moguće ga je ograničiti da radi tek npr. u 1 ili 2 stupnju. To znači da ćete svom automatiku "narediti" da ne smije prebacivati više od 2. stupnja, za slučaj kada je vozilo pod velikim opterećenjem (vožnja uzbrdicom i/ili pod većim opterećenjem).

Također, kako automatskim mjenjačima kočenje motorom nije "prirodno", postavljanjem ručice u položaj "3" odredit će te da mjenjač na nizbrdici ne prelazi u stupanj prijenosa viši od trećeg. No, velik broj današnjih automatskih mjenjača ima samo jedan položaj za vožnju (D = Drive), ali sve češće i poseban položaj za ručne (sekvencijalne) izmjene stupnjeva prijenosa čime se, u stvari, može odabrati optimalan stupanj prijenosa na uzbrdici ili nizbrdici.