Prijenos snage (IV)

Mjenjači s dvije spojke i bezstupanjski mjenjači

I odmah, na samom početku ovog poglavlja Škole automobilske tehnike, moramo napraviti malu digresiju i odmaknuti se od tema najavljenih u naslovu. Naime, na našim ste stranicima vjerojatno u više navrata susreli pojam “robotiziranih” ili “automatiziranih” ručnih mjenjača. Iako se takvim terminom mogu nazivati razne vrste prijenosa, uključujući katkada i mjenjače s dvije spojke, ovaj je pojam izravno nastao s prvim automatiziranim elektrohidrauličkim mjenjačima. Takav mjenjač u osnovi je jednak standardnom ručnom mjenjaču, no opremljen je sustavom za automatsko aktiviranje spojke i automatsku promjenu stupnja prijenosa.

Kada kažemo “automatizirano”, u slučaju ovakvih mjenjača govorimo o hidrauličkom sustavu nadziranom elektronikom, koji aktivira spojku (odvaja lamelu) i mijenja stupnjeve prijenosa na način na koji bi to učinio vozač (pritiskom na papučicu spojke te promjenom položaja ručice mjenjača). Elektrohidrauličke se mjenjače najčešće može koristiti u potpuno automatskom načinu rada (računalo samo procjenjuje kada treba promijeniti stupanj prijenosa, ovisno o parametrima vožnje) te u sekvencijalnom načinu u kojem vozač bira stupnjeve prijenosa ručicom mjenjača i/ili polugama uz upravljač. Ovdje je bitno napomenuti da je ručica takve vrste mjenjača zapravo samo poluga opremljena s prekidačima (nema mehaničku vezu s vilicama za promjenu stupnja prijenosa) koji odabrani stupanj prijenosa šalju na obradu elektrohidrauličkom sustavu u obliku električnog signala.

Jedan od najpoznatijih elektrohidrauličkih mjenjača svakako je bio BMW-ov SMG (Sequential Manual Gearbox) prvi puta uveden na modelu E36 M3 iz 1992. Izvedba SMG II ugrađivala se u BMW E46 M3, bila je opremljena sa šest predefiniranih načina rada, a u najbržem su se promjene stupnjeva prijenosa u automatskom načinu rada odvijale za 80 ms.

Pojam “robotiziranog” mjenjača svojedobno je prisvojila grupacija PSA kako bi pojednostavnjeno opisala svoju obitelj automatiziranih mjenjača komercijalnog naziva SensoDrive. Ti su mjenjači bili opremljeni elektromehaničkim aktuatorima za aktiviranje spojke i promjenu stupnja prijenosa te su također imali mogućnost automatskog načina rada. Ostali automatizirani mjenjači koje smo češće susretali (ili ih još uvijek susrećemo, na cesti ili barem u literaturi…) su Selespeed iz Alfa Romea i Fiata (elektrohidraulički), lamborghinijev E gear te audijev R tronic. Većina proizvođača automobila opremljenih automatiziranim (robotiziranim) mjenjačima tijekom posljednjih je godina prešla na upotrebu mjenjača s dvije spojke.

A, prije nego li nastavimo s temom mjenjača koji nisu ručni ili automatski, vrijeme je da pojasnimo jedan termin. Naime, često se (kao, uostalom i u ovom tekstu) susrećemo s pojmom “sekvencijalne” izmjene stupnjeva prijenosa.

Sekvencijalni mjenjač je onaj čiju ručicu pomičemo u jednom smjeru (npr. prema naprijed) radi promjene u viši stupanj, potom se ona sama vraća u središnji položaj, a u suprotnom ju smjeru pomičemo za promjenu u niži stupanj. Dakle, sekvencijalni mjenjači su takvi mjenjači kod kojih vozač u jednom trenutku može promijeniti samo jedan stupanj prijenosa (prema višem ili prema nižem stupnju).

Mjenjač s dvije spojke

I, eto nas napokon na prvoj od dvije glavne teme ovog poglavlja Škole. DCT (Dual Clutch Transmission – mjenjač s dvije spojke) je vrsta poluautomatskog ili automatiziranog ručnog (kako vam drago) mjenjača koji je opremljen s dvije spojke, od kojih je jedna povezana s parnim, a druga s neparnim stupnjevima prijenosa. DCT mjenjač uvjetno možemo opisati kao dva ručna mjenjača smještena u zajedničkom kučištu, koji djeluju zajedno. Mjenjači s dvije spojke, u pravilu, nude mogućnost potpuno automatskog rada ili ručne (sekvencijalne) izmjene stupnjeva prijenosa, bilo putem ručice mjenjača ili poluga smještenih uz upravljač. No, kako to sve zapravo radi?

Jedna spojka mjenjača povezana je sa zupčanicima mjenjača koji prenose parne, a druga neparne stupnjeve prijenosa. Kada je mjenjač npr. u II stupnju prijenosa, a vozilo i dalje ubrzava, nadzorno računalo “zaključuje” da treba pripremiti sljedeći, tj. viši (III) stupanj prijenosa. U tom se slučaju zupčanik III stupnja povezuje s izlaznim vratilom. Pri promjeni stupnja prijenosa, spojka koja je povezana s parnim stupnjevima prijenosa se isključuje (lamela se odvaja čime se prekida prijenos okretnog momenta), a istovremeno se uključuje spojka povezana s neparnim stupnjevima prijenosa. Tako se prijenos momenta nastavlja kroz III stupanj, prema izlaznom vratilu mjenjača.

Ideja koja stoji iza ovakve konstrukcije mjenjača donosi dvostruku prednost. Kao prvo, zbog gotovo trenutno isključivanja jedne i uključivanja druge spojke, gotovo nema prekida prijenosa okretnog momenta kroz mjenjač (teorijski ne postoji) što omogućava bolja ubrzavanja nakon promjene stupnja prijenosa (isključivanje i ponovno uključivanje spojke klasičnog mjenjača traje znatno dulje). Također, mjenjači s dvije spojke omogućavaju znatno brže izmjene stupnjeva prijenosa nego li npr. automatizirani elektrohidraulički mjenjač, a pogotovo ručni “H” mjenjač.

Najznačajnije razlike u konstrukciji DCT mjenjača one su vezane uz raspored i veličinu spojke. Primjera radi, prva je generacija volkswagenovog DSG (Direkt Schalt Getriebe ili Direct Shift Gearbox) DQ250 bila opremljena koncentričnim spojkama. Taj je mjenjač imao manju spojku s više lamela smještenu unutar veće spojke s više lamela. Također, prva generacija DSG-a je imala tzv. “mokre spojke” uronjene u ulje (prvenstveno radi hlađenja). Druga generacija DSG mjenjača (DQ200 iz 2008. sa 7 stupnjeva prijenosa naprijed i hodom unazad) je opremljena s dvije suhe spojke s jednom lamelom, postavljene jedna iza druge.

DCT mjenjači opremljeni suhim spojkama uparuju se s motorima nižeg okretnog momenta (u pravilu do 250 Nm), a u usporedbi s mjenjačima s mokrim spojkama pružaju manje gubitke te dodatno smanjuju potrošnju energije (time i goriva) zbog izostanka pumpe za ulje, (eventualnog) hladnjaka ulja itd. Za upravljanje spojkama i promjene stupnjeva prijenosa kod DCT mjenjača najčešće su zaduženi elektronikom nadzirani hidraulički aktuatori.

Na kraju, recimo i to da je brzina izmjene stupnjeva prijenosa nesumnjivo jedan od najjačih argumenata DCT mjenjača, barem kada su u pitanju impresije vozača. Uostalom, uz tek 8 ms koliko je DSG mjenjaču potrebno da prebaci prijenos u viši stupanj, lako je pretpostaviti koliko su ovakvi mjenjači brži od ručnih, pa čak i elektrohidrauličkih, odn. “robotiziranih”. No, ne zaboravimo da je potrošnja goriva u odnosu na ručni mjenjač kod DCT-a (podaci, dakako, znatno variraju između različitih proizvođača) također značajan argument uz uštede koje bez problema mogu doseći i do 15%. Konačno, iako kompleksniji od ručnih, mjenjači s dvije spojke ipak su znatno jednostavnije konstrukcije od klasičnih automatskih s pretvaračem okretnog momenta, a i dalje su u stanju pružiti mogućnost poptuno automatskog rada, u pravilu s daleko bržim i manje osjetnim promjenama stupnjeva.

Malo povijesti DCT mjenjača i neka zvučnija imena

Premda je prvi mjenjač s dvije spojke koncipiran još krajem 1930-ih, u serijsku upotrebu na automobilima ovaj je način prijenosa ušao 1980-ih. Prvi mjenjači s dvije spojke “u javnosti” su se pojavili na natjecateljskim Porscheima 956 (Grupa C) iz 1982. te rally automobilu Audi Sport Quattro S1 E2 iz 1985. No, prvi serijski automobil za cestovnu upotrebu opremljen DCT mjenjačem bio je Volkswagen Golf R32 iz 2003. koji je dobio prilagođenu verziju DualTronic mjenjača s dvije spojke, razvijenog od strane tvrtke BorgWarner.

Iako je, nesumnjivo, volkswagenov DSG postao gotovo sinonimom za mjenjače s dvije spojke, sve je veći broj proizvođača automobila koji svoje modele nude uz DCT prijenos (većinom, kao opciju). Tako smo imali prilike voziti PowerShift (proizvođač je Getrag) mjenjače u fordovim automobilima i modelima Volva. Mjenjač PowerShift u ranijim je izvedbama imao isključivo mokre spojke i elektrohidrauličke aktuatore, dok su novije izvedbe opremljene suhim spojkama i elektromehaničkim aktuatorima.

BMW se, nakon SMG mjenjača “prebacio” na učinkovitije prijenose s dvije spojke. Njihovi mjenjači komercijalne oznake M-DCT (ili M-DKG) kombinacija su rješenja BorgWarnera i Getraga, ujedno i proizvođača renaultovog 6-stupanjskog DCT mjenjača sa suhim spojkama kakav smo imali prilike isprobati u Cliu EDC. ZF Friedrichshafen AG je odgovoran za PDK (Porsche Doppelkupplungsgetriebe) mjenjače proizvođača iz Stuttgart-Zuffenhausena.

Talijanska tvrtka Graziano Trasmissioni zadužena je, pak, za izradu SSG (Seamless Shift Gearbox) mjenjača s dvije spojke i 7 stupnjeva prijenosa koji se ugrađuje u McLaren MP4-12C. Pre-Cog sustav ovog mjenjača omogućuje vozaču da laganim pritiskom na polugu uz upravljač izvrši odabir sljedećeg stupnja prijenosa koji će koristiti.

Bezstupanjski mjenjač

Eto nam još jedne prilike da navedemo poneku suhoparnu, tehničku, definiciju. Dakle, bezstupanjski ili CVT (Continuously Variable Transmission) mjenjači omogućavaju prenošenje momenta kroz beskonačan broj prijenosnih omjera, između najmanje i najveće vrijednosti. Ideja je ta da se, barem u teoriji, zadrži jednaka brzina ulaznog vratila kroz cijeli raspon prijenosnih omjera. Eh, a sada slijedi “kako to doista radi”.

Načelo rada bezstupanjskog (sami naziv ove konstrukcije mjenjača objašnjava kako nema predefiniranih prijenosnih omjera, tj. stupnjeva prijenosa) zapravo je vrlo jednostavno. Cijela “priča” počiva na dva dvostruka konusa, jednom na ulazu (pogonski konusi), a drugom na izlazu mjenjača (prema diferencijalu i kotačima – pogonjeni konusi). Promjenom razmaka dvaju konusa mijenja se i opseg po kojem prolazi prijenosni remen (ili prijenosni lanac, ovisno o konstrukciji mjenjača). Tako manji opseg na ulaznom kompletu konusa i veći na izlaznom stvara učinak jednak prijenosu s manjeg na veći zupčanik ručnog mjenjača i može predstavljati neki niži stupanj prijenosa. Ako je opseg na ulaznim konusima veći od opsega na izlaznim dobivamo kombinaciju prijenosa koja odgovara nekom višem stupnju prijenosa, dakle takvom koji prenosi manje okretnog momenta prema diferencijalu i kotačima, ali povećava brzinu vrtnje izlaznog vratila (primjenjivo za veće brzine vožnje).

Pri promjeni razmaka konusa na jednoj strani mjenjača uvijek se mijenja i razmak konusa na drugoj strani kako bi prijenosni remen ostao jednako zategnut. Dakako, ako se na jednoj strani razmak npr. smanjuje, na drugoj se istovremeno povećava i obratno.

Napomenimo kako postoje i druge konstrukcije bezstupanjskih mjenjača, pored opisane s konusima. Tako se u praksi koriste toroidalni te hidrostatski CVT mjenjači, no mi ćemo se radi jednostavnosti (ovo su ipak osnove automobilske tehnike, zar ne?) zadržati na opisanom, klasičnom primjeru.

Barem u teoriji, ako već ne i u praksi, CVT mjenjač je idealan za ostvarivanje prijenosa u kojem motor može uvijek raditi u najučinkovitijem rasponu broja okretaja, pri različitim brzinama kretanja vozila. Ta osobina pridonosi nižoj potrošnji goriva u odnosu na klasični automatski mjenjač. Ipak recimo kako su naša iskustva, u pogledu potrošnje goriva, s testiranim vozilima opremljenim CVT mjenjačima, najblaže rečeno, “mješovita”. No, CVT pruža i druge prednosti pa tako kod ovakvih mjenjača izostaju trzaji tipični za promjene stupnjeva prijenosa automatskih mjenjača, gubici u CVT mjenjaču su manji nego li u klasičnom automatskom što omogućava bolja ubrzanja itd.

Konačno, recimo i kako su CVT mjenjači najčešće tako napravljeni da nude dva načina rada – potpuno automatski te ručni sa sekvencijalnom izmjenom stupnjeva prijenosa. U potpuno automatskom načinu rada ovakvi mjenjači mijenjaju prijenosne omjere kontinuirano (najčešće kod hibridnih vozila) ili kroz nekoliko predefiniranih prijenosnih omjera. Pri ručnoj izmjeni, mjenjač radi tako da prijenosne omjere prebacuje između predefiniranih vrijednosti.

Ne zaboravimo…

Priča o bezstupanjskim mjenjačima nikako ne bi bila potpuna bez malog povratka u prošlost, tj. potsjećanja na legendarni sustav DAF Variomatic. Naime, premda mnogi izvori navode kako je načelo rada bezstupanjskog mjenjača osmislio još Leonardo da Vinci 1490, vratit ćemo se malo bliže sadašnjosti jer je upravo konstrukcija nizozemskog proizvođača automobila DAF, nazvana Variomatic, predstavljala prvi komercijalno uspješni CVT prijenos. Prvi (moderni) automobil s ovakvim prijenosom bio je mali obiteljski model DAF 600, predstavljen na salonu u Amsterdamu, u veljači 1958.

Ova je konstrukcija CVT mjenjača koristila podtlak iz usisa motora za pokretanje, odn. promjenu razmaka pogonskih konusa. Pri povećanju opsega na strani pogonskih konusa, pogonski remen (gumeni klinasti remen “V” presjeka) se zateže i “ulazi” dublje između pogonjenih konusa opterećenih oprugom. Tako se mijenja prijenosni omjer, a DAF Variomatic je korišten isključivo kao automatski mjenjač. Naprednija izvedba ovog mjenjača, predstavljena na modelima DAF 33 i 55 iz 1967. godine, koristila je dva para prijenosa. Osnovni razlog za takvu konstrukciju bila je raspodjela okretnog momenta na dva prijenosa, odn. dva remena, s obzirom da je Variomatic mogao prenositi relativno niske vrijednosti okretnog momenta, prvenstveno zbog male površine kontakta između remena i konusa.

No, pored rješavanja problema okretnog momenta (ispred oba para prijenosa bio je postavljen i diferencijal radi izjednačavanja isporuke momenta prijenosima koji bi, u određenim uvjetima vožnje, mogli imati različite brzine okretanja), ovakav se dvostruki Variomatic ponašao kao diferencijal s ograničenim proklizavanjem što je omogućilo neočekivano dobru trakciju malenih DAF-ovih automobila koji su, ubrzo, postali uspješni na rally natjecanjima. Zanimljivo je da je prijenos Variomatic imao sustav prebacivanja za hod unazad postavljen ispred spomenutog diferencijala (dakle, ispred cijelog prijenosnog sustava). Tako je maleni DAF mogao, barem teorijski, voziti unatrag jednakom brzinom kao i prema naprijed!

Nadalje, ručica mjenjača imala je tri položaja: naprijed, prazni hod i hod unazad, a postojao je i prekidač s kojim se Variomatic mogao blokirati u određenom prijenosnom omjeru kako bi se omogućilo kočenje motorom pri vožnji nizbrdo. Konačno, iako je (i kod nas) bilo uvriježeno mišljenje da je ovaj prijenosni sustav nepouzdan, uz redovito održavanje i zamjenu trošenju podložnih prijenosnih remena, Variomatic je mogao biti itekako upotrebljiv te vrlo učinkovit. DAF-ove modele u konačnici su uništili loš marketing i imidž automobila za starije osobe, a ne problemi s prijenosom Variomatic.