Prijenos snage (I)

Mehanička spojka i pretvarač okretnog momenta

Premda će netko, možda, zaključiti kako se u priči o automobilskoj tehnici krećemo (pre)sporo, detaljan uvid u osnove svake pojedine komponente automobilskog motora smatrali smo nužnim za stvaranje slike o tome kako se dobivaju snaga i okretni moment koji pokreću naša vozila. Nastavci u kojima smo obradili goriva te potom i maziva predstavljali su kratki interludij na našem putu “od motora do kotača”. Naime, snagu i okretni moment koji smo, uz pomoć goriva (i podmazano uljima), dobili u automobilskom motoru, u konačnici ćemo isporučiti kotačima koji vozilo povezuju s podlogom i omogućuju mu kretanje. Taj put, između motora i kotača, nazivamo prijenosom snage, a prva stepenica koja slijedi jest spojka, iliti popularni kuplung (od njem. Kupplung, odn. kuppeln – povezati).

Spojka je, uštogljenim tehničkim rječnikom, “odvojiva veza između dva vratila”. A, u današnjim automobilima najčešće susrećemo tzv. mehaničku (ili “tarnu” s obzirom da se povezivanje ostvaruje trenjem) ili hidrauličku (povezivanje se ostvaruje djelovanjem sila u hidrauličkoj tekućini) spojku.

Povezivanje i razdvajanje

Spojka je mehanički dio prijenosnog sustava automobila koji služi kako bi se, prema potrebi, mogao prekinuti prijenos snage između motora i mjenjača. Da malo pojasnimo, reći ćemo kako prijenos snage u automobilu započinje na izlaznom dijelu koljenastog vratila i nastavlja se na spojku, odakle odlazi prema mjenjaču. Iz mjenjača, snaga se prenosi do diferencijala te, na kraju, putem (polu)osovina do kotača. Uz ovo je potrebna i jedna mala digresija. Kao i uvijek, da bi štovani kolege strojari mogli u miru spavati, napominjemo kako ćemo radi lakšeg razumijevanja teme govoriti o “prijenosu snage motora”, premda bi, možda, ispravnije bilo reći “prijenos momenta motora”.

A, zašto uopće trebamo spojku? Prema jednoj od definicija, spojka je mehanička naprava koja služi za razdvajanje pogona (ili možda, za prekid isporuke okretnog momenta) između stroja koji stvara neprekidnu isporuku tog istog momenta. Naime, kako je motor automobila na našem putu od točke A do točke B stalno u radu (zaboravite sada Start & Stop sustave ili električne, odn. hibridne automobile, jer potsjetimo se, ovdje je riječ o osnovama automobilske tehnike), kada se zaustavimo ili poželimo npr. promijeniti stupanj prijenosa, potrebno je prekinuti vezu između motora i ostatka prijenosnog sustava. Kada stojimo na mjestu, logično je, taj je prekid nužan kako se vozilo ne bi nastavilo kretati, dok mjenjači također zahtijevaju prekid u isporuci momenta iz nekih drugih (čitajte u sljedećem poglavlju Škole) razloga.

Najznačajniji dio mehaničke ili tarne spojke je tzv. lamela, ili stručnije, tanjur spojke. Radi se u stvari o metalnom kolutu na koji su s obje strane zalijepljene (ili zakovane) tarne obloge. Kada su obloge pritisnute o zamašnjak osiguravaju trenje potrebno da bi se snaga prenosila bez gubitaka. No, cijela priča zapravo i počinje od zamašnjaka. Zamašnjak, koji je pričvršćen na izlaznom dijelu koljenastog vratila, ima na sebi površinu predviđenu za nalijeganje lamele spojke. S druge strane lamele spojke nalazi se potisna ploča.

Pritiskom na papučicu spojke (to je lijeva papučica kod automobila s tri papučice…) u stvari se pomiče potisna ploča (putem potisnog ležaja). Ona, tada, pritisne lamelu spojke o zamašnjak te se cijeli taj sustav počinje okretati. Iz slika je vidljivo i to da kolut od kojega se sastoji lamela spojke ima u sredini nekakav nazubljeni otvor. U tom je otvoru pričvršćena osovina spojke koja, kada je lamela pritisnuta na zamašnjak i kada se okreće, prenosi snagu s koljenastog vratila prema mjenjaču. Na kolutu lamele spojke nalazi se i opruge čija je uloga u ublažavanju trzaja koji bi se mogao prenijeti na mjenjač kada (pre)naglo otpustimo papučicu spojke.

A, da ne bi sve bilo tako jednostavno, naše spojka ima još nekoliko bitnih dijelova. Jedan od bitnijih je i potisna ploča. Radi se opet o nekakvom metalnom tanjuru (ili prstenu, što ovisi o vašem filozofskom pristupu problemu…) s namjenom da lamelu spojke pritisne o zamašnjak. Potisna ploča je čvrsto povezana sa zamašnjakom. Kada je papučica spojke otpuštena, potisna ploča čvrsto naliježe na lamelu koju, s druge strane, okreće zamašnjak. Da bi se mogao ostvariti potreban pritisak potisne ploče na lamelu spojke (dovoljan da prijenos snage s koljenastog vratila prema mjenjaču krene bez proklizavanja), s njene se stražnje strane nalaze opruge. Ove opruge pritišću potisnu ploču prema lameli spojke, a samu lamelu prema zamašnjaku.

Prethodno opisan je “normalni” položaj spojke i u njemu je omogućen prijenos snage. No, kada pritisnemo papučicu spojke, posredstvom niza poluga (ili hidrauličkim sustavom), zapravo sabijamo ove opruge čime se lamela odvaja od zamašnjaka. Tako se, pritiskom na papučicu, prekida prijenos snage kroz spojku. Opruge koje pritišču potisnu ploču mogu biti spiralne ili tanjurastog oblika (ovo drugo je uobičajenije). Poklopac spojke nepomično je pričvršćen na zamašnjak i okreće se zajedno s njime. Na njega se, s unutarnje strane, oslanjaju opruge koje pritišću potisnu ploču. Potisni ležaj posljednji je od vitalnih dijelova spojke, a preko njega se prenosi sila s polužja koje vodi od papučice spojke. Unutar potisnog ležaja prolazi osovina spojke, koja se nastavlja prema mjenjaču.

Mehanička (tarna) spojka s više lamela

Kako bi se omogućilo prenošenje velikog okretnog momenta, a bez povećanja promjera lamele (i pripadajućih dijelova) spojke, neki su automobili opremljeni spojkama s više lamela (eng. Multi Plate Clutch). Pored činjenice da omogućava prijenos većeg okretnog momenta, spojka s više lamela zahtijeva i manji pritisak na papučicu, smanjuje ukupnu masu spojke te moment inercije spojke, u odnosu na adekvatnu spojku s jednom lamelom. Povećanjem broja lamela (točnije, povećanjem njihove površine) ekvivalentno se povećava i okretni moment koji spojka može prenijeti. Koliki utjecaj imaju promjer i broj lamela spojke na kapacitet prijenosa okretnog momenta pokazuje i ova tablica:

U ekstremnom slučaju, a automobilski sport i posebice Formula 1 takav bez sumnje predstavljanju, spojka može izgledati gotovo neprepoznatljivo pokušamo li ju usporediti s onom velikoserijskih automobila. Spojka s više lamela za bolide Formule 1 tako može imati manje od 100 mm u promjeru i težiti ispod 1,5 kg. Pa ipak, ta minijaturna spojka s više karbonskih lamela ukupne tarne površine od nekih 200-tinjak cm2 ima “zadatak” prenijeti tek 300-tinjak Nm (točnije, za motor snage od 740 KS pri 19000 o/min riječ je o 274 Nm – prisjetite se priče o snazi i okretnom momentu), dok . Dakako, ove su spojke aktivirane putem hidrauličkog sustava. Recimo i to da je konstrukcija spojke s više lamela u osnovi jednaka konstrukciji s jednom lamelom, dakako, uz razliku u broju lamela te uz separatore koji se postavljaju između njih. Spojka s više lamela također koristi jednu tanjurastu oprugu, odn. jedan komplet spiralnih opruga.

Napomene radi, premda bi to netko mogao pomisliti, recimo da spojke s više lamela ne predstavljaju neku posebnu novost. Naime, još 1928. fordov Model A bio je opremljen takvom vrstom spojke. Ipak, krajem iste godine automobil je dobio novu spojku, s jednom pločom koja je bila jednostavnije konstrukcije te time i manje sklona kvarovima ali i jeftinija.

Prijenos s dvije spojke, “mokre” spojke i ostalo…

Za početak ove teme bitno je napomenuti kako ne smijemo pobrkati prijenos s dvije spojke i prijenos sa spojkom s više ploča. Potonju smo temu upravo obradili, a sada je vrijeme da pojasnimo što su to prijenosi s dvije spojke.

Prijenos s dvije spojke koristi se kod DCT (Dual-clutch transmission) poluautomatskih ili automatiziranih ručnih mjenjača. Kod ovih je mjenjača posebnost u tome da se jedna spojka koristi za prekid prijenosa okretnog momenta na parnim stupnjevima prijenosa, dok se druga koristi za neparne. U osnovi, takav prijenos možemo gledati i kao dvija zasebna mjenjača (svaki sa svojom spojkom), smještena u zajedničkom kućištu. No, s obzirom da u ovom poglavlju obrađujemo isključivo temu spojke, detaljniji prikaz DCT prijenosa donijet ćemo u jednom od sljedećih nastavaka Škole automobilske tehnike.

Ono što je bitno napomenuti u ovom poglavlju jest da su DCT prijenosi u pravilu opremljeni “mokrim” spojkama s više lamela, a rjeđe s dvije uobičajenije “suhe” spojke s po jednom lamelom. Tzv. “mokre” spojke konstrukcijski su u pravilu jednake spojkama s više lamela, uz razliku da se lamele nalaze neprekidno uronjene u ulje. Funkcija ulja prvenstveno je u hlađenju lamela te, donekle, u njihovom čišćenju. Učinkovitost “mokre” spojke s više ploča u pravilu je nešto manja od one bez ulja, zbog gubitaka uzrokovanih radom pumpe za ulje te izvjesnog smanjenja trenja. Upravo zbog ovog potonjeg, učinkovitost “mokre” spojke kudikamo je veća kod konstrukcije s više lamela.

Aktivacija spojke, tj. razdvajanje lamele od zamašnjaka i prekid prijenosa okretnog momenta kod ručnih se mjenjača vrši pritiskom na papučicu spojke. Papučica, pak, s potisnim ležajem spojke može biti povezana polugama, čeličnim užetom ili hidraulički. Hidrauličko aktiviranje spojke u današnjim je automobilima postalo standard, a temeljnu prednost pred mehaničkim načinom aktiviranja nudi u činjenici da omogućava automatsku kompenzaciju položaja, s obzirom na trošenje tarnih površina lamele.

Pretvarač okretnog momenta

Iza pomalo zamršenog termina pretvarača okretnog momenta, u osnovi se krije hidraulička spojka kakva se koristi u kombinaciji s klasičnim automatskim mjenjačima (klasičnim, za razliku od “robotiziranih” ili “automatiziranih” ručnih mjenjača – pričekajte sljedeći nastavni sat Škole!).

Osnovni dijelovi hidrauličke spojke (ovaj termin ne smijemo pomiješati s pojmom hidraulički aktivirane spojke) su dva rotora, od kojih rotor (centrifugalne) pumpe pokreće motor (nalazi se na suprotnoj strani od motora), dok se rotor turbine nalazi sa strane motora i povezan je s mjenjačem. Ova dva rotora okreću se neovisno jedan o drugome unutar kučišta ispunjenog uljem. Uz to, rotori su odvojeni malim međuprostorom tako da nigdje nisu u kontaktu.

Tri su temeljne faze rada hidrauličke spojke:

• u praznom hodu inercijske su sile premale da bi zavrtile rotor turbine
• pri srednjem broju okretaja motora pojavljuje se efekt “proklizavanja” hidrauličke spojke – rotor pumpe se još uvijek okreće znatno brže od rotora turbine
• pri visokim se brojevima okretaja motora javljaju velike sile unutar kučišta hidrauličke spojke. Inercija ulja tada je dovoljno visoka da pokrene rotor turbine gotovo jednakom brzinom kao i rotor pumpe

No, gdje je tu naš pretvarač okretnog momenta? Kao što smo već rekli, pretvarač okretnog momenta je, u osnovi, hidraulička spojka, no zbog dodatne funkcije povećanja okretnog momenta takva je spojka dobila ovo komplicirano ime. Bitno je, pri tome, napomenuti da su hidrauličke spojke klasičnih automatskih mjenjača u pravilu pretvarači okretnog momenta pa sada možemo opisati kako to sve radi u praksi.

Gledano od strane motora, zamašnjak je povezan s kučištem pretvarača okretnog momenta tako da se kučište okreće zajedno sa zamašnjakom. Nadalje, unutar kučišta je smještena pumpa koja je s njime nepomično povezana tako da se i ona okreće jednakom brzinom kao i zamašnjak. Okretanje pumpe, uslijed centrifugalne sile, uzrokuje izbacivanje ulja na vanjskim dijelovima pumpe, dok stvoreni podtlak “povlači” nove količine ulja iz središnjeg dijela pumpe. Upravo u obrnutom smjeru, kreće se ulje kroz turbinu – ulazi s vanjske strane (na obodu), a izlazi u sredini. Na tom putu, zahvaljujući ugrađenim lopaticama, ulje mijenja smjer kretanja što u konačnici okreće turbinu. Turbina je, pak, povezana vratilom s mjenjačem. Konačno, s obzirom da se ulje koje izlazi iz turbine kreće u smjeru suprotnom od smjera vrtnje pumpe, između izlaznog dijela turbine i ulaznog dijela pumpe smješten je stator koji ispravlja smjer kretanja ulja te time podiže učinkovitost pumpe.

Iz ovog je opisa vidljivo da prijenos snage (okretnog momenta) unutar pretvarača okretnog momenta ovisi o brzini rada motora. Stoga su pretvarači okretnog momenta kod automobila opremljenih automatskim mjenjačima teorijski proračunati tako da pri najnižim brojevima okretaja (prazni hod) među rotorima djeluju iznimno male sile. Rezultat je mirovanje rotora turbine, a time i mjenjača te samog automobila.

U praksi se ovi sustavi izvode s malo povećanim djelovanjem sila na rotor turbine, pa nerijetko vidimo da vozači automobila s automatskim mjenjačem tijekom stajanja stalno drže pritisnutu kočnicu – automatici već i bez pritiska na papučicu gasa lagano kreću naprijed što nazivamo “funkcijom puzanja” (Crawl Function).

Konačno, naziv “pretvarač” okretnog momenta nastao je iz činjenice da je opisana hidraulička spojka u stanju povećati okretni moment motora i to za otprilike dva do tri puta. To povećanje okretnog momenta nastaje onda kada se motor (koljenasto vratilo) okreće znatno brže nego li pogonsko vratilo mjenjača (najčešće pri niskim brzinama kretanja vozila, odn. prilikom kretanja). No, ta razlika u brzini vrtnje, pored povećanja okretnog momenta ima i svoju lošu stranu koja se očituje u gubitku energije (što je razlog zbog kojeg automobili s klasičnim automatskim mjenjačem u pravilu imaju nešto veću potrošnju goriva od adekvatnih automobila s ručnim mjenjačem i mehaničkom spojkom).

Pri višim brzinama rada motora, broj okretaja motora i pogonskog vratila mjenjača približno je jednak. Stoga se, a kako se energija ne bi bespotrebno trošila na razliku (koliko god neznatna bila) u brzinama vrtnje, pretvarači okretnog momenta opremaju mehanizmom za zaključavanje koji, pri višim brzinama rada, privremeno čvrsto povezuje pumpu i turbinu pretvarača okretnog momenta kako bi se brzine okretanja u potpunosti izjednačile.