PŘEVODOVKY AUTOMOBILŮ
Bakalářská práce
Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Vojtěch Brychta
Vedoucí práce: doc. Dr. Ing. Elias Tomeh
Liberec 2014
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Převodovky automobilů
Anotace
Práce popisuje druhy moderních převodovek, jejich konstrukce a základní funkční mechanismy. Vysvětluje výpočtový návrh převodovky, požadavky, které musí splňovat, a metody pro zjišťování kvality výroby, technického stavu a konstrukce. V závěru práce je provedena analýza a vyhodnocení spektra naměřených vibrací převodovky MQ100 pomocí vibrační diagnostiky.
Klíčová slova: převodovka, DSG, vibrodiagnostika, dvoutoké převodovky, zubová spojka, hluk
Motor vehicles gearboxes
Annotation
The thesis describes the types of modern gearboxes, their design and basic functional mechanisms. It explains computational concept of gearbox design, the requirements that must be met, and methods for quality control of production, technical condition and design. In the end of the thesis is the analysis and evaluation of the vibrations spectrum of measured MQ100 gearbox using the vibration diagnostics.
Key words: gearbox, DSG, vibrodiagnostics, dual clutch gearbox, dog clutch, noise
Poděkování
Rád bych poděkoval svému vedoucímu Doc. Dr. Ing. Eliasu Tomehovi za odborné vedení a cenné rady při zpracování této bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval mé rodině za podporu po celou dobu mého studia.
Seznam symbolů a jednotek
i Převodový poměr [-]
R Rozsah rychlostních stupňů [-]
n Otáčky [otáčky/min]
q Poměr po sobě jdoucích převodů [-]
v Rychlost [m/s]
y Stupeň progresivity [-]
p Akustický tlak [Pa]
u Akustická rychlost [m/s]
I Intenzita zvuku [W/m2]
P Akustický výkon [W]
L Hladina akustické veličiny [dB]
f Frekvence [Hz]
F Síla [N]
7
Obsah
1 Úvod ... 10
2 Základní vztahy pro výpočet stupňové převodovky ... 11
2.1 Celkový převodový poměr ... 11
2.2 Rozsah rychlostních stupňů ... 12
2.3 Počet a odstupňování rychlostních stupňů ... 12
2.3.1 Geometrické odstupňování ... 13
2.3.2 Progresivní odstupňování ... 15
3 Základní typy automobilových převodovek ... 17
3.1 Manuální převodovky ... 17
3.1.1 Jednoúrovňové převodovky ... 17
3.1.2 Dvouúrovňové převodovky ... 18
3.1.3 Sekvenční manuální převodovky ... 20
3.2 Automatické převodovky ... 21
3.2.1 Hydrodynamické automatické převodovky ... 21
3.2.2 Dvoutoké převodovky ... 25
3.2.3 Převodovky s plynule proměnným převodovým poměrem ... 30
4 Základní funkční systémy převodovek ... 31
4.1 Mechanismus řazení převodových stupňů ... 31
4.1.1 Přesouvání ozubeného kola ... 32
4.1.2 Zubová spojka bez synchronizace ... 32
4.1.3 Zubová spojka se synchronizací ... 33
4.1.4 Zubová spojka s jištěnou synchronizací ... 34
4.1.5 Zubová spojka s dvojitou synchronizací ... 35
4.1.6 Zubová spojka s vnější synchronizací (systém Mercedes-Benz) . 37 4.1.7 Zubová spojka s jištěnou synchronizací se servoúčinkem (systém Porsche)... 38
4.1.8 Další mechanismy řazení převodových stupňů ... 39
4.2 Zajišťovací zařízení ... 40
4.3 Řadicí ústrojí ... 41
4.3.1 Přímé kulové řazení ... 41
4.3.2 Řazení pomocí táhel ... 43
4.3.3 Řazení pomocí lanka ... 43
4.3.4 Elektronicko-pneumatické řazení (EPS) ... 44 8
5 Požadavky kladené na převodovky automobilů ... 45
5.1 Účinnost převodovky ... 45
5.2 Příčiny vzniku hluku v převodovkách ... 46
5.2.1 Vibrace ozubených kol pod zatížením ... 46
5.2.2 Vibrace způsobené vůlemi mezi částmi ... 47
5.2.3 Hluk při řazení převodových stupňů ... 47
5.2.4 Hluk v ložiskách ... 48
6 Metody technické diagnostiky ... 49
6.1 Tribodiagnostika ... 49
6.1.1 Kapičkový test ... 50
6.1.2 Test světelné propustnosti ... 51
6.1.3 Bod vzplanutí ... 51
6.1.4 Stanovení velikosti a počtu tvrdých nečistot ... 51
6.2 Diagnostika měřením vůle v převodech ... 51
6.3 Subjektivní diagnostika ... 52
6.3.1 Vizuální kontrola ... 52
6.3.2 Technická stetoskopie ... 52
6.3.3 Technická endoskopie ... 52
6.4 Akustická diagnostika ... 53
6.4.1 Diagnostika porovnáním naměřeného akustického signálu 𝒙𝒙(𝒕𝒕) s etalony... 55
6.4.2 Diagnostika prováděná odhalováním skryté periodické složky v náhodném akustickém signálu objektu ... 55
6.4.3 Diagnostika objektu porovnáním autokorelační funkce akustického signálu s etalony autokorelačních funkcí ... 56
6.5 Vibrodiagnostika ... 56
6.5.1 Měření vibrací ... 57
6.5.2 Analýza vibrací ... 58
6.5.3 Diagnostika běžných závad rotačních strojů ... 60
6.6 Vibrační diagnostika převodovky MQ100 ... 62
6.6.1 Popis převodovky ... 62
6.6.2 Postup diagnostiky ... 63
6.6.3 Analý za měřených spekter vibrací ... 64
7 Závěr ... 67
8 Seznam použité literatury ... 68 9
1 Úvod
Spalovací motor používaný v dopravních prostředcích, ať už zážehový či vznětový, přes mnoho výhod, jako je například vysoký poměr mezi výkonem a hmotností a relativně velkou účinností, má i několik základních nevýhod:
- není schopen produkovat větší krouticí moment při otáčkách blížících se nule
- maximální výkon motor produkuje jen při určitých otáčkách
- spotřeba paliva závisí na otáčkách motoru, na produkovaném výkonu
Proto se již od počátku vývoje spalovacích motorů používají převodovky jako měniče mezi otáčkami a krouticím momentem za účelem nejefektivnějšímu využití motorové charakteristiky. Mezi další výhody patří například schopnost změnit smysl otáčení hnané nápravy (zpátečka) či přerušení výkonového toku z motoru na hnanou nápravu (neutrál).
V automobilovém průmyslu převládá snaha pomocí převodovek docílit maximálního využití výkonu motoru, nevyšší účinnosti převodovky a co nejplynulejší změny převodových stupňů.
10
2 Z ákladní vztahy pro výpočet stupňové převodovky
Převodové ústrojí musí být navrhnuto tak, aby automobil byl schopen rozjezdu při náročnějších podmínkách, dokázal dosáhnout požadované maximální rychlosti a pracoval s co nejvyšší účinností. Tento návrh pak závisí především na typu použitého motoru. Každý typ je charakterizován parametry jakými jsou například: výkon, krouticí moment, optimální a maximální otáčkami. Těmto parametrům se pak musí podřídit návrh převodového ústrojí. [1]
2.1 Celkový převodový poměr
Ve vozidlech s motory s vnitřním spalováním je celkový převodový poměr mezi motorem a poháněnými koly 𝑖𝑖𝑐𝑐(𝑖𝑖𝑎𝑎) definován jako podíl mezi otáčkami motoru 𝑛𝑛𝑚𝑚 a otáčkami hnaných kol 𝑛𝑛𝑘𝑘 a je dosažen kombinací částmi hnacího ústrojí:
- spojka - převodovka - rozvodovka
Obr. 2.1 Schéma hnacího ústrojí [1]
11
2.2 Rozsah rychlostních stupňů
Mezi základní parametry pro návrh převodovky patří rozsah rychlostních stupňů 𝑅𝑅𝑖𝑖, který je definován jako poměr maximálního a minimálního celkového převodu mezi motorem a hnacími koly:
𝑅𝑅𝑖𝑖 =𝑖𝑖𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚
𝑖𝑖𝑐𝑐 𝑚𝑚𝑖𝑖𝑛𝑛 (1)
Tento poměr závisí na výkonu motoru vozidla, rozsahu otáček, ve kterých motor dokáže pracovat, a na charakteru a využití vozidla. Kvůli tomu například automobily s dieselovým motorem mají oproti benzínovým motorům větší rozsah rychlostních stupňů, jelikož dieselový motor pracuje v menším rozsahu otáček. [2]
2.3 Počet a odstupňování rychlostních stupňů
Hyperbolická křivka konstantního výkonu v F-v charakteristice ukazuje ideální využití výkonu motoru při všech rychlostech vozidla. Z grafu (Obr. 2.2) je názorně vidět, že pouze maximální a minimální převod by pro účinné využití výkonu nestačil (šrafovaná oblast značí nevyužitý výkon). Proto je nutné mezi ně vložit i řadu dalších převodů, které následně tento jev podstatně vylepší. [2]
Obr. 2.2 Diagram F-v pro vozidlo s dvoustupňovou převodovkou [2]
Obr. 2.3 Diagram F-v pro vozidlo s pětistupňovou převodovkou [2]
Spojení mezi dvěma vedlejšími převodovými poměry je vyjádřeno převodovým krokem 𝑞𝑞, který je definován jako poměr dvou po sobě jdoucích převodů
12
𝑞𝑞 =𝑖𝑖𝑧𝑧−1
𝑖𝑖𝑧𝑧 ; 𝑧𝑧 = 1,2, … , 𝑛𝑛 (2) Maximální přípustný poměr po sobě jdoucích převodů 𝑞𝑞𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 by měl být velký tak, že při zařazeném převodovém stupni 𝑧𝑧 při maximálním krouticím momentu motoru s otáčkami 𝑛𝑛𝑀𝑀 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 a následném zařazení stupně 𝑧𝑧 − 1 se nedostanou otáčky motoru přes maximální otáčky 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚. [2][6]
𝑞𝑞𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 = 𝑛𝑛𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚
𝑛𝑛𝑀𝑀 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 ≥ 𝑞𝑞 (3)
Při určování počtu a odstupňování rychlostních stupňů bychom měli zvážit následující aspekty:
- Čím větší je počet převodových stupňů, tím se sice zvyšuje účinnost motoru, nicméně dochází k nutnosti častěji měnit převodový stupeň a zvětšují se rozměry a také hmotnost převodovky
- Vzdálenost, kterou automobil ujede na nižší převodový stupeň je v porovnání s vyššími převodovými stupni daleko menší
- Řazení převodových stupňů je jednoduší při menším poměru po sobě jdoucích převodů
- Teplotní zátěž na synchronní kroužky je úměrná kvadrátu převodového kroku
V praxi se potom efektivně uplatnily dvě metody pro výpočet odstupňování převodovky:
- Geometrické odstupňování - Progresivní odstupňování 2.3.1 Geometrické odstupňování
Geometrického odstupňování je charakterizováno konstantní hodnotou převodového kroku 𝑞𝑞 mezi jednotlivými převody, což se matematicky vyjádří:
𝑞𝑞 =𝑖𝑖1 𝑖𝑖2 = 𝑖𝑖2
𝑖𝑖3 = ⋯ =𝑖𝑖𝑧𝑧−1
𝑖𝑖𝑧𝑧 = 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛𝑘𝑘𝑘𝑘𝑎𝑎𝑛𝑛𝑘𝑘𝑎𝑎 (4) Tuto rovnici můžeme upravit na tvar
𝑖𝑖1 = 𝑖𝑖2𝑞𝑞 = 𝑖𝑖3𝑞𝑞2 = ⋯ = 𝑖𝑖𝑧𝑧𝑞𝑞𝑧𝑧−1 (5) Pokud máme určené nejmenší a největší krajní převodová čísla 𝑖𝑖1 a 𝑖𝑖𝑧𝑧, a pokud známe počet převodových stupňů 𝑧𝑧, můžeme z rovnice () vyjádřit převodový krok 𝑞𝑞
13
𝑞𝑞 = �𝑖𝑖1 𝑖𝑖𝑧𝑧
𝑧𝑧−1 = �𝑖𝑖𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 𝑖𝑖𝑚𝑚𝑖𝑖𝑛𝑛
𝑧𝑧−1 (6)
A s určeným převodovým krokem 𝑞𝑞 můžeme pak z rovnice (6) vyjádřit i ostatní převody pomocí vztahů:
𝑖𝑖2 = 𝑖𝑖1
𝑞𝑞 ; 𝑖𝑖3 =𝑖𝑖2
𝑞𝑞 = 𝑖𝑖1
𝑞𝑞2; … ; 𝑖𝑖𝑧𝑧−1 = 𝑖𝑖𝑧𝑧−2
𝑞𝑞 (7)
Pokud bychom znali nejmenší a největší krajní převodová čísla a převodový krok, který vyhovuje dané podmínce, pro výpočet počtu rychlostních stupňů využijeme vzorec pro jejich rozsah:
𝑅𝑅𝑖𝑖 =𝑖𝑖1
𝑖𝑖𝑧𝑧 = 𝑞𝑞𝑧𝑧−1 → 𝑧𝑧 =ln 𝑅𝑅𝑖𝑖 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚
ln 𝑞𝑞 + 1 (8)
Výsledný počet rychlostních stupňů je třeba zaokrouhlit na nejbližší větší celé číslo.
Závislost mezi otáčkami motoru a rychlostí vozidla při zařazení jednotlivých rychlostních stupňů vyjadřuje takzvaný pilový diagram, dle kterého lze posoudit, zdali je daný počet stupňů a velikost rozsahu mezi jednotlivými stupni dostačující. U pilového diagramu převodovky s geometrickým odstupňováním (Obr. 2.4) můžeme vidět nevýhodu tohoto odstupňování kdy rozdíl mezi maximálními rychlostmi nejmenšího převodového stupně a sousedního stupně je poměrně značný. [6]
Obr. 2.4 Pilový diagram pětistupňové převodovky s geometrickým odstupňováním [6]
14
2.3.2 Progresivní odstupňování
Pro eliminování výše uvedených problémů s geometrickým odstupňováním převodovek se používá tzv. progresivní odstupňování, které přináší větší komfort v řazení převodových stupňů a zlepšuje akceleraci vozidla u nižších převodů. Spočívá v tom, že převodový krok 𝑞𝑞 se snižuje se zmenšováním převodu (pro vyšší převodový stupeň). Matematicky:
𝑞𝑞4−5 < 𝑞𝑞3−4< 𝑞𝑞2−3 < 𝑞𝑞1−2 (9) neboli:
𝑖𝑖1 𝑖𝑖2 >𝑖𝑖2
𝑖𝑖3 > 𝑖𝑖3 𝑖𝑖4 > 𝑖𝑖4
𝑖𝑖5 (10)
Důležitým prvek pro popsání progresivního odstupňování převodovky je stupeň progresivity 𝑦𝑦, který je definován jako poměr dvou po sobě jdoucích převodových kroků, a může být například zvolen tak, že daný poměr je konstantní
𝑦𝑦 =𝑞𝑞1−2
𝑞𝑞2−3 = 𝑞𝑞2−3
𝑞𝑞3−4 =𝑞𝑞3−4
𝑞𝑞4−5= 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑛𝑛𝑘𝑘𝑘𝑘𝑎𝑎𝑛𝑛𝑘𝑘𝑎𝑎 (11)
Pomocí rovnice pro rozsah rychlostních stupňů (8) a rovnice pro stupeň progresivity (11), můžeme vyjádřit stupeň progresivity 𝑦𝑦 v závislosti na zadaném rozsahu 𝑅𝑅𝑖𝑖 a minimálním převodovým krokem 𝑞𝑞𝑛𝑛 𝑚𝑚𝑖𝑖𝑛𝑛 = 𝑖𝑖𝑧𝑧−1/𝑖𝑖𝑧𝑧:
𝑦𝑦 = � 𝑅𝑅𝑖𝑖 𝑞𝑞𝑛𝑛(𝑧𝑧−1)
�𝑧𝑧2−3𝑧𝑧+2�
(12) U pilového diagramu převodovky s progresivním odstupňováním (obr. 2.5) je vidět menší rozdíl mezi rychlostmi při maximálních otáčkách při čtvrtém a pátém stupni není tak velký jako u geometrického odstupňování
15
Obr. 2.5 Pilový diagram pětistupňové převodovky s progresivním odstupňováním [6]
16
3 Základní typy automobilových převodovek
Převodovky pro automobilový průmysl jsou rozděleny do následujících skupin:
- manuální převodovky - automatické převodovky
- konvenční automatické převodovky obsahující hydrodynamický měnič a planetovou převodovku
- dvouspojkové převodovky
- automatizované manuální převodovky
- převodovky s plynule proměnným převodovým poměrem - hybridní převody
3.1 Manuální převodovky
Manuální převodovky se vyznačují tím, že rozpojování spojky a změnu převodového stupně provádí manuálně sám řidič. Všechny obsahují čelní ozubená kola a řazení je zprostředkováno zpravidla pomocí zubové spojky s nebo bez synchronizace.
Mohou být rozděleny podle počtu úrovní, kde úroveň je definovaná jako přenos výkonového toku z jedné hřídele na další. Toto rozdělení platí pro samotné převodovky, bez rozvodovky či diferenciálu. Dělit je poté můžeme na:
- jednoúrovňové
- dvouúrovňové (koaxiální)
3.1.1 Jednoúrovňové převodovky
Používají se v osobních automobilech, ve kterých se motor nachází hned vedle hnací nápravy. To znamená u vozidel s motorem vpředu a pohonem předních kol nebo motorem vzadu s pohonem zadních kol. Zároveň mohou být použité i u obou běžných konfigurací motoru – příčné a podélné. Obvykle bývá integrovaná do převodové skříně i rozvodová skříň.
Skládají se ze dvou rovnoběžných hřídelů, které jsou osazeny různým počtem ozubených soukolí v závislosti na počtu převodových stupňů. Ozubená kola jsou v neustálém záběru (výjimku tvoří zpátečka, na Obr. 3.1 zobrazena šedě), přičemž na jedné hřídeli jsou kola pevně spojená s hřídelí a na druhé je spojení
17
realizováno zubovými spojkami. Jejich zapojením a rozpojením se určuje, přes které soukolí bude převáděn výkon.
Mezi výhody jednoúrovňových převodovek patří fakt, že v záběru je vždy jen maximálně jedno soukolí (pro převody dopředu), tím pádem dochází k menším třecím ztrátám a naopak vyšší účinnosti převodovky. Jako nevýhodu můžeme považovat nesouosost vstupního a výstupního hřídele a zároveň jejich vzájemně opačný smysl otáčení. [1]
Obr. 3.1 a) jednoúrovňová čtyřstupňová převodovka (VW);
b) jednoúrovňová pětistupňová převodovka (VW) [1]
3.1.2 Dvouúrovňové převodovky
Dvouúrovňové převodovky se používají především v osobních automobilech se standardním pohonem (tzn. motor je uložen vpředu a převodovka směřuje k hnané zadní nápravě). Protože bývá převodovka obvykle připevněna k motoru, rozvodová skříň nebývá součástí převodovky, ale je spojena Kardanovým hřídelem a připevněna k ose zadní hnané nápravy. Výjimku tvoří převodovka umístěná společně s rozvodovou skříní na zadní nápravě za účelem rovnoměrného rozložení hmotnosti na vozidle (motor je umístěn vpředu).
Skládá se běžně ze tří hřídelů, kde vstupní a výstupní hřídele mohou být souosé a k nim je rovnoběžný hřídel předlohový. Ozubená kola jsou stejně jako u jednoúrovňové převodovky neustále v záběru. Výkon je pomocí soukolí na vstupu přenášen na předlohový hřídel, odkud pak putuje přes dané soukolí (počet je určen množstvím převodů) na výstup za pomocí zubových spojek.
18
Ještě je zde ale možnost tzv. přímého záběru, což znamená spojení vstupního a výstupního hřídele přímo přes zubovou spojku. Tím se docílí převodového poměru jedna, a jelikož není výkon přenášen přes žádné soukolí, účinnost přímého záběru je velmi vysoká.
Výhody dvouúrovňových převodovek jsou schopnost docílit souososti vstupu výstupu a zároveň i jejich vzájemně neměnný smysl otáčení. Bohužel cenou za tyto výhody je nižší účinnost (v záběru je více soukolí, neplatí pro přímý záběr), vyšší hmotnost převodovky a složitější konstrukce. [1]
Obr. 3.2 a) dvouúrovňová čtyřstupňová převodovka (Getrag);
b) dvouúrovňová pětistupňová převodovka (ZF) [1]
Obr. 3.3 Rozdíl mezi jednoúrovňovou a dvouúrovňovou převodovkou [1]
a) dvouúrovňová šestistupňová převodovka (Getrag);
b) jednoúrovňová šestistupňová převodovka (Opel)
19
3.1.3 Sekvenční manuální převodovky
Převodovky se sekvenčním řazením se začaly objevovat na začátku 80. let u závodních vozů a u vozů Formule 1. Později našly využití u sériových sportovních vozů, posléze především u motocyklů. Jsou tvořeny klasickou mechanickou převodovkou, avšak třecí kotoučová spojka je samočinně ovládaná. Hlavní rozdíl mezi klasickou manuální převodovkou a sekvenční převodovkou je ve způsobu řazení. V sekvenční převodovce se převodové stupně řadí postupně za pomocí elektrohydraulických systémů. Řazení probíhá ve většině případů bez synchronizace, za pomocí ozubených spojek, posouváním řadicích vidlic. Jejich pohyb obstarává takzvaný řadicí válec.
„Ten má v sobě vyfrézované zakřivené drážky, ve kterých jsou uchycené řadící vidlice. Pootočením válce do úhlu odpovídajícího vybranému rychlostnímu stupni dojde zároveň k natočení vodící drážky a vlivem jejího zakřivení i k posunu řadící vidlice po své ose. Zakřivení je navrženo tak, aby v mezních vychýleních došlo k posunutí ozubené spojky do polohy nutné k zařazení nebo naopak vyřazení rychlosti. Při každém natočení řadícího válce dojde k pohybu pouze jedné řadící vidlice. Jedna vidlice spíná dva rychlostní stupně, v každé mezní poloze jeden.“ [11]
Obr. 3.4 Řadicí válec převodovky Kaps Tranmissions [11]
20
3.2 Automatické převodovky
Automatická převodovka je typ převodovky, která automaticky mění převodové stupně a tím usnadňuje obsluhu vozidla, jelikož řidiči odpadá nutnost ovládat spojkový pedál a řadicí páku. Zároveň se ale převodovka musí umět přizpůsobit požadavkům řidiče a správně využít výkon z motoru. Mezi zmiňované požadavky patři např.:
- schopnost zajistit plynulý rozjezd a řazení převodových stupňů
- zařazení požadovaného převodového stupně v závislosti na zatížení motoru a rychlosti automobilu
- prudké zrychlení automobilu například při předjíždění jiného vozidla pomocí zařazení nižšího převodového stupně (tzv. “kickdown“ efekt) - parkování zablokováním převodového ústrojí
3.2.1 Hydrodynamické automatické převodovky
Hydrodynamické převodovky patří mezi uživatelsky nejpřijatelnější. Řidič do řízení převodovky může zasahovat manuálně pomocí volící páky, kde má standardně k dispozici tyto polohy (řazeno dle běžného seskupení na volicí páce):
- P – park (parkování) - tento mód mechanicky zablokuje výstupní hřídel převodovky a tím zamezí pohybu vozidla ve všech směrech. Avšak kola hnané nápravy se mohou vzájemně mezi sebou otáčet (způsobeno diferenciálem)
- R – reverse (zpětný chod) - N – neutral (neutrál) - D – drive (normální chod)
- 2 - tato poloha zamkne převodovku na prvních dvou převodových stupních. To může být využito například při prudkém stoupání či klesání s vozidlem nebo při jízdě na sněhu a v náročných podmínkách
- 1 - zamkne převodovku pouze na prvním převodovém stupni. Může mít stejné využití jako 2.
21
Obr. 3.5 Volící páka automobilu Honda CR-V [10]
Základními prvky hydrodynamické automatické převodovky jsou:
- hydrodynamický měnič momentu - planetová soukolí
- hydraulický systém - lamelové spojky - parkovací západka [1]
Obr. 3.6 Čtyřstupňová automatická převodovka pro Mercedes-Benz model 300SE [1]
22
3.2.1.1 . Hydrodynamický měnič momentu
Hydrodynamický měnič momentu umožňuje přenos točivého momentu z motoru na vstupní hřídel převodovky a jeho následné zvětšení pomocí tzv. reakčního členu. Reakčním členem je myšlen stator, který je pevně upevněn ve skříni měniče a spolu s čerpadlem a turbínou tvoří hlavní části hydrodynamického.
Olej v měniči skrze jeho kinetickou energii přenáší točivý moment z čerpadla na turbínu. Poté proudí přes stator zpátky do čerpadla. S většími otáčkami motoru se i navyšuje moment, který se přenáší na turbínu. Naopak při malých otáčkách motoru je moment vyvolaný olejem tak nízký, že může být turbína zabrzděna nepříliš velkou brzdící silou.
Při nízkých rychlostech vozidla vytváří měnič převodový poměr pro zvýšení točivého momentu. Jakmile se ale čerpadlo s turbínou otáčí přibližně stejnou rychlostí, točivý moment z motoru se do převodovky přenáší v poměru 1:1 bez jakéhokoliv navýšení. Naproti tomu je zde 4 až 5 procentní rozdíl mezi otáčkami čerpadla a turbíny a kvůli tomu měnič nepřenáší veškerý moment z motoru a vznikají ztráty. Tyto ztráty se dají eliminovat zapojením zamykací spojky, která přímo spojí čerpadlo s turbínou. Díky tomu se při vyšších rychlostech automobilu přenáší přes hydrodynamický měnič momentu veškerý výkon z motoru. [7]
Obr. 3.7 Hydrodynamický měnič momentu se zamykací spojkou [7]
23
3.2.1.2 Planetová soukolí pro automatické převodovky
Jednoduché planetové soukolí může poskytnout maximálně čtyři dopředné převody a jeden zpáteční a to ještě v nepříliš vhodných převodových poměrech (zvlášť krok mezi prvním a druhým převodovým stupněm je značný). Proto se v praxi používají u automatických převodovek planetová soukolí dvě či tři. Nebo se pro až čtyři dopředné převody a jeden zpětný převod používají planetová soukolí typu Simpson nebo Ravigneaux.
Soukolí typu Simpson je tvořeno dvěma centrálními koly, uloženými n a společném hřídeli, dvěma sady satelitů kdy každá sada má vlastní unášeč, a dvěma korunovými koly.
Soukolí typu Ravigneaux má dvě centrální kola, dvě satelitové skupiny, avšak jen jeden unášeč a jen jedno korunové kolo.
Oproti předlohovým soukolím mají planetová soukolí výhodu ve větší účinnosti a tím pádem menším ztrátám výkonu, nicméně při použití více soukolí najednou vzrůstá hmotnost a nároky na prostor pro zástavbu. Ačkoliv většinu místa v automatické převodovce nezabírá samotná soukolí, nýbrž spojky a brzdy určené pro řazení daných převodů. [1][3]
Obr. 3.8 Planetové soukolí Ravigneaux (1. Korunové kolo; 2. Úzký satelit; 3.
Široký satelit; 4. Velké centrální kolo; 5. Malé centrální kolo) [1]
24
3.2.2 Dvoutoké převodovky
Dvoutoké převodovky byly vynalezeny už ve 40. letech dvacátého století.
Původní záměr byl vybavit těžká dopravní vozidla systémem, který umožní řidiči měnit převodové stupně bez přerušení toku výkonu. Sériová produkce nebyla uskutečněna. Až v 80. letech Porsche a Audi vzali tento koncept a vyvinuli dvoutoké převodovky pro svá závodní auta. Avšak ani tyto převodovky se nedostaly do sériové výroby. První dvoutoká převodovka pro osobní auta se začala vyrábět až v roce 2003. Účelem bylo spojit výhody manuální a automatické převodovky.
Princip dvoutoké převodovky je založen na dvou nezávislých převodovkách, kdy každá je připojena k motoru skrz svoji vlastní spojku (které slouží nejen pro změnu převodů, ale zároveň pro rozjezd vozidla). Jedna převodovka obsahuje liché převody a ta druhá sudé. Tím pádem dochází ke změně vedlejších převodových stupňů jen za pomocí rozpojení jedné spojky a zapojení té druhé.
[1][8]
Obr. 3.9 Princip dvoutoké převodovky (A - motor; B – sestava převodovek; C - rozvodovka; 1,3. spojky; 2,4. převodovky) [8]
Za účelem šetření místa má dvojice převodovek společnou předlohovou hřídel, či je jedna ze vstupních hřídelí dutá a do ní je vložena druhá plná hřídel. A pro spojení převodovek k motoru se používá takzvaná dvojitá spojka.
25
3.2.2.1 Dvojitá spojka
Dvojitá spojka umožňuje změnu převodu v dvoutoké převodovce pod zátěží a bez přerušení toku výkonu, což znamená kontrolovaný přenos momentu ze spojky jedné převodovky na spojku převodovky druhé. Dvojité spojky se mohou dělit na:
- suché dvojité spojky - mokré dvojité spojky
Tyto spojky jsou navrhovány jednokotoučové i více kotoučové. Jednokotoučové provedení je používáno primárně pro suché spojky a vícekotoučové pro spojky mokré. Suché dvojité spojky jsou většinou používány pro motory s menším krouticím momentem do zhruba 250 Nm. Moment je převáděn pomocí sestavy přítlačného talíře a lamely spojky ke vstupní hřídeli dané převodovky. Mokré spojky jsou oproti suchým spojkám stavěny pro přenos daleko větších momentů. Jsou montovány buď přímo na hřídelích, nebo na spojkovém nosiči připojeném ke skříni převodovky.
Dvojité spojky též můžeme rozdělit podle rozmístění spojkových kotoučů jednotlivých částí spojky na radiální a axiální. Při radiálním rozmístění je celkový průměr spojky větší a spojka je kratší než při rozmístění axiálním. [1][8]
Obr. 3.10 Mokrá dvojitá spojka radiální z automobilu BMW M5 F10 [8]
26
3.2.2.2 Volkswagen DSG (Direkt-Schalt-Getriebe)
Šestistupňová dvoutoká převodovka DSG byla uvedena do produkce roku 2003. Je tvořena mokrou dvojitou spojkou, jedním plným a jedním dutým hřídelem a dvěma výstupními hřídeli, které vedou společně do rozvodovky.
Svojí konstrukcí připomíná dvouúrovňovou manuální převodovku. Řazení a synchronizace převodů je prováděna na výstupních hřídelích.
Převodovka DSG je určena převážně pro automobily s předním náhonem nebo s náhonem na všechna čtyři kola používající příčně uložený motor, který produkuje maximální moment 350 Nm. [1][5]
Obr. 3.11 Dvoutoká převodovka Volkswagen DSG (1. Rozdělovací převodovka pro pohon všech kol; 2. Olejový chladič; 3. Vodící hřídel pro zpětný chod; 4.
Mechatronický modul) [1]
27
3.2.2.3 ZF 7 DCT 50
V roce 2005 byla vyvinuta převodovka 7 DCT 50 od firmy ZF se sedmi převodovými stupni. Na rozdíl od DSG nemá dvě výstupní hřídele, ale jen jednu. Díky tomu připomíná spíše jednoúrovňovou manuální převodovku. Tato stavba přispívá ke zlepšení účinnosti převodovky. Ale co se týče účinnosti, hlavní zlepšení je docíleno použitím suché dvojité spojky namísto mokré v DSG. ZF 7 DCT 50 je navrhnuta pro podélnou zástavbu, tudíž pro náhon zadních kol či náhon všech kol. [1][5]
Obr. 3.12 Dvoutoká převodovka ZF 7 DCT 50 [1]
28
3.2.2.4 Porsche PDK (Porsche DoppelKupplungsgetriebe)
PDK je sedmistupňová dvoutoká převodovka. Ozubená kola v ní jsou rozdělena do dvou převodovek připojených k motoru pomocí dvojité spojky s radiálním rozmístěním. Liché převody (1., 3., 5., 7.) a zpětný převod umístěné v první polovině převodovky jsou připojeny k jedné spojce. Druhá spojka spojuje s motorem sudé převody (2., 4., 6.,) v druhé polovině převodovky. Změna jednotlivých převodů se provádí pomocí řadicích vidlic jako u mechanické manuální převodovky, avšak je ovládána elektro-hydraulicky. Převodové stupně první až šestý jsou určeny pro sportovní využití výkonu, kdy vozidlo na šestý převod vyvine maximální rychlost. Sedmý převod je určen pro úsporu paliva.
Převodovka PDK je velmi podobná převodovce ZF 7 DCT 50, až na vzájemném umístění vstupní a výstupní hřídele a na použití pouze jednoho olejového okruhu namísto dvou u ZF 7 DCT 50. [4]
Obr. 3.13 Dvoutoká převodovka Porsche-PDK pro Porsche 911 Carrera [4]
29
3.2.3 Převodovky s plynule proměnným převodovým poměrem
Výkon produkovaný spalovacím motorem nemůže být plně využit při použití konečného počtu převodů jak tomu je u tradičních stupňových převodovek.
S převodovkami s plynule měnitelným převodovým poměrem může být motor provozován s optimální účinností.
Existuje mnoho různých druhů převodovek s proměnným převodovým poměrem, v sériově vyráběných osobních automobilech se však používají výhradně řemenové převodovky. Centrální složkou řemenové převodovky je variátor. Princip je založen na dvou kuželových discích a řemenu. Síla se přenáší třením řetězu, který běží mezi dvěma osově nastavitelnými kuželovými kotouči. Díky tomuto nastavení, řemen běží na různých průměrech a tím se vytváří různé převodové poměry. Tlak na kužele související s přenosem točivého momentu ale vyžaduje pozornost. Nadměrný tlak snižuje účinnost řemenu, což vede ke zvýšení spotřeby, ztrátám výkonu a k většímu silovému namáhání převodovky. Na druhou stranu příliš nízký tlak způsobuje prokluzování řemenu, což vede k nesprávné funkci převodovky a v krajních případech až ke zničení převodovky. [5][12]
Obr. 3.13 Převodovka ZF CVT VT1-27TElectronic [12]
30
Mezi výhody převodovek s plynule proměnným převodovým poměrem patří levná výroba, zaberou méně prostoru než automatické převodovky, mají tichý chod a dobrou účinnost. Mezi nevýhody patří nižší spolehlivost a nemožnost přenosu většího krouticího momentu.
4 Základní funkční systémy převodovek
Automobilové převodovky vyžadují zařízení pro zprostředkování zařazení daného převodového stupně a tím docílili přenosu výkonu v daném poměru otáček a krouticího momentu. U manuálních převodovek je změna převodu prováděna čistě řidičem. Avšak v závislosti na stupni automatizace převodovky, elektronika a hydraulické či pneumatické systémy tuto funkci částečně nebo úplně převzali. Některé funkce převodovky, jako je například neutrál či reverzace, jsou však stále kontrolovány řidičem. Mechanismus řazení rychlostních stupňů tedy hraje důležitou roli v rozhraní mezi řidičem a vozidlem.
Systémy použité při řazení převodů výrazně ovlivňují dobu rozpojení výkonového toku z motoru na hnací nápravu a také komfort pasažéru ve vozidle. Tyto systémy se dají rozdělit na dva druhy:
- Vnitřní řadicí elementy - Vnější řadicí elementy
Mezi vnitřní řadicí elementy můžeme zařadit například vodicí tyče, řadicí vidličky či synchronizace. A mezi vnější pak například řadicí páky a táhla.
4.1 Mechanismus řazení převodových stupňů
Mechanismus řazení převodových stupňů zprostředkovává přenos výkonu z vybraného ozubeného kola na hřídel. Využívá se mnoho mechanismů v závislosti na druhu převodovky, u osobních vozidel je ale prioritou zajistit plynulou změnu převodového stupně. Existuje mnoho druhů těchto mechanismů pro spojení ozubeného kola s hřídelí. Mezi základní patří např.:
- přesouvání ozubeného kola - zubová spojka bez synchronizace - zubová spojka se synchronizací
- zubová spojka s jištěnou synchronizací - zubová spojka s dvojitou synchronizací
31
- zubová spojky s vnější synchronizací (systém Mercedes-Benz)
- zubová spojka s jištěnou synchronizací se servoúčinkem (systém Porsche)
- hydraulicky ovládaná třecí spojka pro řazení bez rozpojení toku výkonu - hydraulicky ovládaná brzda pro planetová soukolí
4.1.1 Přesouvání ozubeného kola
Jedná se o nejjednodušší způsob řazení převodových stupňů. Ozubená kola nejsou v neustálém záběru jako u jiných mechanismů, ale spojení se docílí přesunutím jednoho ozubeného kola do záběru s druhým. Přesouvání ozubeného kola se u běžných převodovek řadí zpětný převod. [2]
Obr. 4.1 Přesouvání ozubeného kola [2]
4.1.2 Zubová spojka bez synchronizace
U tohoto mechanismu jsou ozubená kola v neustálém záběru, kdy jedno z kol je na hřídeli uloženo na ložisku. Řazení probíhá pomocí řadicí objímky. Před spojením je potřeba ozubené kolo a hřídel uvést navzájem na stejné otáčky, aby se unášecí ozubení mohla dostat vzájemně do záběru. Toho se docílí zabrzděním ozubeného kola dvojitým sešlápnutím spojky při řazení na vyšší převodový stupeň a naopak zpomalením kola dvojitým sešlápnutím spojky
32
s použitím meziplynu při řazení na převodový stupeň nižší. Každá řadicí objímka se používá pouze pro dva převodové stupně, z čehož pak pro vícestupňové převodovky s více objímkami vychází schéma zapojení ve tvaru H. Zubové spojky bez synchronizace se používaly výhradně u nákladních automobilů. Výhodou oproti přesouvání ozubeného kola je, že zároveň s tímto mechanismem mohou být používány i ozubená kola s šikmým případně šípovitým ozubením. [2][9]
Obr. 4.2 Zubová spojka bez synchronizace [2]
4.1.3 Zubová spojka se synchronizací
Zubová spojka se synchronizací se liší od té bez synchronizace tím, že před zasunutím vzájemně spojovaných ozubených elementů dojde nejdříve ke srovnání rychlostí hřídele a ozubeného kola na stejné otáčky. Toto se děje pomocí kónických synchronizačních kroužků, které se při řazení nasunují na protilehlý kónus tělesa spojky kola a svým třením toto kolo v závislosti na daném rychlostním stupni buďto urychlí nebo zpomalí. Synchronizace umožňuje bezhlučné a rychlé řazení daných převodových stupňů bez rázů. U dnešních převodovek bývají synchronizovány veškeré převody s výjimkou zpětného chodu, který je řazen pomocí přesunu ozubeného kola (viz. kapitola 4.1.1.1). [1][9]
33
Obr. 4.3 Zubová spojka se synchronizací [13]
Řadicí objímka je se synchronizačním tělískem spojená pomocí několika pružně uložených kuliček. Tyto kuličky zabraňují v samovolném posuvu objímky. Při řazení je posunována objímka a tedy i s ní synchronizační tělísko a tím se pomocí třecí síly mezi kužely náboje a ozubeného kola srovnají otáčky. Doba synchronizace je závislá na tuhosti pružiny pod kuličkou. Nevýhodou je, že při prudkém přeřazení nemusí u tohoto systému dojít k úplné synchronizaci a tím k neplynulému zařazení převodového stupně. [9]
4.1.4 Zubová spojka s jištěnou synchronizací
Zubová spojka s jištěnou synchronizací funguje na podobném principu jako zubová spojka bez jištění, nicméně obsahuje clonící kroužek s ozubením, jenž zabraňuje zasunutí řadicí objímky do ozubení unášeče, dokud nejsou rychlosti ozubeného kola a hřídele stejné. Toto pomáhá k plynulejší a rychlejší řazení převodového stupně.
34
Obr. 4.4 Konstrukce a princip funkce jisticí synchronizace s ozubeným kroužkem (1. Řadicí
objímka; 2. Synchronizační těleso; 3. Jistící tělíska; 4. Pružné jistící kroužky; 5. Synchronizační
kroužek; 6. Ozubené kolo; Z - Ozubení unášeče; K - Třecí kužel;
R – Prstencová drážka) [9]
Na rozdíl od zubové spojky s nejištěnou synchronizací tento mechanismus častěji využívá k zamezení samovolného pohybu řadicí objímky jistící tělíska umístěná na pružných kroužkách namísto kuliček na pružině. Tento typ mechanismu řazení převodových stupňů je nejpoužívanější. [9][14]
4.1.5 Zubová spojka s dvojitou synchronizací
Systém s dvojitou synchronizací spočívá v tom, že namísto jednoho synchronního kroužku se používají dva, mezi nimiž leží vnější prstenec. Ten zabírá do drážek ozubeného kola převodového stupně, ale může se axiální posunovat. Stejně tak se může posunovat i vnitřní synchronizační kroužek, který zabírá do drážek s vnějším synchronizačním kroužkem, a oba mají stejné otáčky společně s řadicí objímkou. Při řazení se vnější synchronní kroužek působením jistících tělísek, která jsou unášena řadicí objímkou, vysunuje směrem k ozubenému kolu. Přitom působí silou na vnější prstenec, který se
35
také axiálně posune. Toto posunutí zapříčiní silové působení vnějšího prstence na vnitřní synchronizační kroužek. Dohromady se vytvoří zhruba dvojnásobná třecí plocha, která má za následek rychlejší srovnání rychlostí ozubeného kola a hřídele (synchronizace) a snížení síly, potřebné pro zařazení převodu.
Obr. 4.5 Konstrukce a princip zubové spojky s dvojitou
synchronizací [14]
Konstrukce manuálních převodovek by měla být taková, že každý z převodů by měl jít stejně snadno zařadit. Proto jsou dvojité synchronizace stále častěji používány pro nízké převodové stupně (první a druhý). [1][9][14]
Obr. 4.6 Dvojitá synchronizace VW (1. Ozubené kolo rychlostního stupně; 2.
Vnitřní synchronizační kroužek; 3. Vnější prstenec; 4. Vnější synchronizační kroužek; 5. Synchronizační vložka s řadicí objímkou) [9]
36
4.1.6 Zubová spojka s vnější synchronizací (systém Mercedes-Benz) U systému s vnější synchronizací je kuželová třecí spojka vůči zubové spojce posunuta vně, čímž se zvýší její průměr a díky tomu se zvětší třecí moment vzhledem k působení axiální síly. Tato konstrukce nevyžaduje tolik místa v axiálním směru, díky tomu mohou být ozubená kola jednotlivých převodů blíže u sebe, čímž se zmenší i velikost celé převodovky.
Obr. 4.6 Vnější synchronizace - systém Mercedes-Benz (1. Jisticí prstencová pružina; 2. Ozubené kolo; 3. Synchronizační kroužek; 4. Řadicí objímka; 5.
Převodová hřídel; 6. Synchronizační těleso) [9]
Řadicí objímka je pevně spojena se synchronizačním tělesem, ačkoliv se může axiálně posouvat. Synchronizační kroužek je pevně spojen s ozubeným kolem převodového stupně za pomocí vnitřních vodicích drážek a je k němu přitlačován prstencovou pružinou. Vnitřní průměr synchronizačního kroužku je dostatečně velký na to, aby se mohl přesunout přes unášecí ozubení převodového stupně. Při řazení dochází k tření mezi řadicí objímkou a vnější třecí plochou synchronizačního kroužku. V důsledku rozdílných otáček ozubeného kola a řadicí objímky se synchronizační kroužek pootočí podle šířky drážek do blokovací polohy. Po dosažení stejných otáček se synchronní kroužek nepatrně pootočí zpět a uvolní prostor pro řadicí objímku. Ta se pomocí vnitřního ozubení spojí s unášecím ozubením převodového stupně a tím dojde k zařazení. [1][9]
37
4.1.7 Zubová spojka s jištěnou synchronizací se servoúčinkem (systém Porsche)
Oproti předchozím systémům, zubová spojka s jištěnou synchronizací se servoúčinkem využívá synchronizační kroužek zhotovený jako pružný kovový prstenec s drážkami bez blokovacího ozubení. Srovnání otáček hřídele a ozubeného kola se dosahuje třením mezi ozubením řadicí objímky a vnější plochou synchronizačního kroužku. Toto tření se zvyšuje pomocí blokovacích pásků, které se nacházejí uvnitř synchronizačního kroužku, a to v závislosti na rozdílu otáček a rychlosti řazení.
Obr. 4.7 Jištěná synchronizace se servoúčinkem - systém Porsche (1. Ozubené kolo; 2. Těleso spojky; 3. Blokovací pásky; 4. Synchronizační kroužek; 5.
Pojistný kroužek; 6. Řadicí objímka; 7. Vodicí objímka; 8. Kámen; 9. Doraz) [1]
Řadicí objímka se ze své středové polohy nasunuje na vodicí objímku, přitom stlačuje synchronizační kroužek až na její vnitřní průměr. Přitom mezi řadicí objímkou a synchronizačním kroužkem vzniká tření. V důsledku tření se synchronizační kroužek pootáčí a jednou stranou se přitom opírá o kámen. Tím je přitlačován blokovací pásek na vnitřní průměr synchronizačního kroužku, přičemž doraz slouží jako opěra. Tento doraz se v důsledku sražení hrany pohybuje v drážce tělesa spojky směrem ven, zatímco vznikají radiální síly, které přitlačují synchronizační kroužek zpátky k řadicí objímce. Tím se zvyšuje
38
tření a zamezí se tím axiální pohyb řadicí objímky. Po vyrovnání otáček se blokovací systém uvolní a řadicí objímka se může vysunout ven přes synchronizační kroužek až do záběru s unášecím ozubením kola převodového stupně. [9][14]
4.1.8 Další mechanismy řazení převodových stupňů
Mezi další mechanismy řazení převodových stupňů patří například systém synchronizace s blokujícím čepem. Řadicí objímka má v sobě vyvrtaných šest děr, ve kterých jsou umístěny blokovací čepy. Na každý z nich je pevně připojen synchronizační kroužek. Díry se sraženou hranou do kuželové plochy jsou větší než kuželová část blokovacího čepu. Jakmile se srovnají rychlosti ozubeného kola a hřídele, stlačí se pružina držící čep a řadicí objímka se může přesunout do záběru s unášivým ozubením kola. [1][2]
Obr. 4.8 Synchronizace s blokujícím čepem (1. Ozubené kolo se zubovou spojkou; 2. Synchronizační kroužek; 3. Řadicí objímka; 4. Blokovací čep; 5.
Tlačná pružina) [1]
Pro řazení pod zatížením se používá takzvaná lamelová synchronizace, která vychází z lamelových třecích spojek. Díky svému velkému povrchu je vhodná kdekoliv, kde je potřeba výkonná a účinná synchronizace. Svojí konstrukcí je však velmi náročná na výrobu a především velmi nákladná. [1][2][14]
39
Obr. 4.9 Lamelová synchronizace [1]
4.2 Zajišťovací zařízení
K zamezení současnému zařazení dvou rychlostních stupňů, což by mohlo vézt k zablokování či zničení převodovky, se používá zajišťovací zařízení. Toto zařízení zabraňuje i samovolnému zařazení a vyřazení převodového stupně, a zajišťuje neutrální polohu rychlostních stupňů. Zajišťovací zařízení je realizováno pomocí zámků řazení umístěných mezi řadicími tyčemi a aretací rychlostních stupňů. Zámek řazení funguje tak, že z neutrální polohy jde vysunout vždy jen jednu řadicí tyč, přičemž při jejím vysunutí se zároveň druhá tyč zablokuje. Pokud by se při nepřesném řazení měli vysunout obě řadicí tyče, zámek řazení je po krátké dráze zablokuje obě (Obr 4.9, dolní obrázek).
Aretace řazení je složená ze dvou čepů umístěných na pružinách. Tyto čepy zapadají do příslušných otvorů na řadicích tyčích. Tím udržují tyče v neutrální poloze a zabraňují vyskočení zařazeného převodového stupně při nechtěném dotyku řadicí páky. Další možností jak zabránit vyskočení zařazeného převodového stupně je podbroušení boků zubů na unášecím ozubení ozubeného kola a ozubení na objímce. Tím dojde při zatížení k zaklesnutí zubů navzájem do sebe a znemožnění nechtěnému vyřazení převodového stupně.
[9]
40
Obr. 4.10 Princip funkce zámku řazení (E – Řadicí tyč; S – Zámek řazení; H - Řadicí páka; G – Aretace řazení) [9]
4.3 Řadicí ústrojí
Změna převodových stupňů se skládá z volícího a řadicího pohybu. Volicím pohybem se vybere daná řadicí objímka se kterou se má řadit a řadicím pohybem se uvede dané ozubené kolo do záběru s objímkou. Řazení může být buďto přímé, kdy řidič ovládá řadicí ústrojí přímo svoji silou, nebo nepřímé, kdy se převodové stupně řadí zvláštním řadicím ústrojím na příkaz řidiče.
4.3.1 Přímé kulové řazení
„Volba rychlostního stupně a převod ruční síly se děje řadicí pákou a kulovým kloubem. Řadicí válec zasahuje do drážek v jednotlivých řadicích tyčích.
Podélným pohybem řadicí páky se axiálně posouvá řadicí tyč a tím se řadí 41
rychlostní stupeň. Do řadicí objímky zasahuje řadicí vidlice. Protože každá řadicí vidlice může řadit proti sobě ležící volně uložená ozubená kola, jsou tři polohy řazení (dvě koncové polohy a jedna střední) řadicí tyče zajištěny aretací.
Řadicí vidlice se mohou axiálně posunovat, a také se otáčet kolem pevného otočného bodu (tzv. řadicí vahadlo).“ [1][2]
Obr. 4.11 Přímé řazení se třemi řadicími tyčemi (1. Řadicí páka; 2. Kulový kloub; 3. Řadicí válec; 4. Řadicí tyč; 5. Aretace; 6. Řadicí vidlička; 7. Řadicí
objímka; 8. Synchronizace; 9. Volně uložené ozubené kolo) [1]
42
4.3.2 Řazení pomocí táhel
Systém řazení pomocí táhel se používá při kratších vzdálenostech mezi řadicí pákou a převodovkou. Pod řadicí pákou jsou umístěna táhla spojená s otočnými pákami na skříni převodovky. Na těchto pákách jsou upevněny řadicí vidlice. Tento systém byl využíván například u převodovky VW 020. [1]
Obr. 4.12 Řadicí ústrojí pětistupňové převodovky VW 020 pro příčné uložení (použité ve VW Golf Mk3) (1. Řadicí vidlice; 2. Aretace řadicího hřídele; 3.
Blokování; 4. Spojovací táhlo; 5. Volicí táhlo přední; 6. Volicí táhlo zadní; 7.
Volicí páka; 8. páka; 9. Uložení řadicí tyče; 10. Držák uložení; 11. Uložení řadicí páky; 12. Doraz pátého stupně; 13. Doraz prvního a druhého stupně) [1]
4.3.3 Řazení pomocí lanka
Místo složitého a drahého mechanismu se používá k ovládání řazení lanka.
Jedno lanko slouží ke zvolení rychlostního stupně a druhé k jeho zařazení. Mezi největší výhody patří, že tento systém může být použit na delší vzdálenosti, řazení je tišší, jelikož bovdenovým vedením se nepřenáší do kabiny vozidla téměř žádný hluk, systém nepotřebuje téměř žádnou údržbu a řazení je díky konstrukci pro řidiče fyzicky mnohem snadnější. [15]
43
Obr. 4.13 Řazení pomocí lanka v převodovce Škoda 02J [15]
4.3.4 Elektronicko-pneumatické řazení (EPS)
Elektronicko-pneumatické řazení převodových stupňů bylo vyvinuto především pro usnadnění procesu řazení ve skupinových převodovkách nákladních automobilů. Řadicí páka není mechanicky spojená s převodovkou, ale jen se její pomocí ovládá elektronika umístěná v převodovce. Ta pak podle informace přijaté z řadicí páky volí dané převodové stupně pomocí elektropneumatických ventilů, které řídí příslušné ovládací servoválce. Řazení díky tomu probíhá velmi rychle a za snížené námahy pro řidiče. [2][3]
Obr. 4.14 Schéma Elektronicko-pneumatického řazení EPS [2]
44
5 Požadavky kladené na převodovky automobilů
Za úspěch se považuje, když se vyrobený druh převodovky prodá. K tomu aby daná převodovka byla takto úspěšná, musí splňovat parametry, které zákazník očekává. Mezi tyto parametry patří:
- funkčnost (převodovka musí odpovídat charakteru vozidla) - ekonomičnost (odpovídající cena za kvalitu)
- uživatelská přijatelnost (snadné ovládaní, nízký hluk)
Těmito hlavními parametry jsou pro výrobce určeny základní vlastnosti převodovek, se kterými musí při vývoji počítat.
5.1 Účinnost převodovky
Automobilová převodovka by měla zajistit změnu otáček a momentu za provozních podmínek s co největší účinností. Tato účinnost ovlivňuje nejen množství ztrát výkonu z motoru a vznik tepla, ale také spotřebu paliva. Největší ztráty, ovlivňující účinnost převodovky, se vyskytují:
- na ozubení u ozubených kol převodových stupňů - v ložiskách
- v těsnění
- na ostatních částech (měnič momentu)
Typ převodovky 𝜼𝜼 [%]
Typ ozubení Čelní ozubené soukolí 99,0 – 99,8
Kuželové ozubené soukolí 90 - 90 Mechanická převodovka
s mazáním broděním
Osobní automobil 92 – 97
Nákladní automobil 90 – 97
Hydrodynamické automatické převodovky 90 – 95
Převodovky s plynule proměnným převodovým poměrem 87 - 93 Tab. 5.1 Tabulka referenčních hodnot rozpětí účinností různých druhů ozubených převodů a převodovek [1]
45
5.2 Příčiny vzniku hluku v převodovkách
Hluk vozidel narušuje pohodlí a poškozuje zdraví řidiče a všech cestujících při jízdě, ale také okolí kde se vozidlo pohybuje. Pokud se mluví o hluku způsobeným převodovkou v automobilu, může se tento hluk rozdělit do několika kategorií z hlediska jejich původců:
- vibrace ozubených kol pod zatížením - vibrace způsobené vůlemi mezi částmi - hluk při řazení převodových stupňů - hluk od rotorů převodovky
- hluk v ložiskách
5.2.1 Vibrace ozubených kol pod zatížením
V ozubeném soukolí při převodu výkonu vzniká hluk, který je zapříčiněn nárazy při záběru zubů soukolí, parametricky buzenými vibracemi a kontaktem zubů při odvalování.
Nárazy při záběru zubů jsou způsobeny geometrickými chybami, jako je například odchylky v souososti hřídelů a ozubení ozubených kol, nebo různým poškozením ozubených kol, hřídelí či skříně a uložení pod zatížením. Těmto vibracím se dá zabránit korekcí profilu ozubení, avšak tento způsob funguje jen pro určitý rozsah zatížení.
Parametricky buzené vibrace vznikají z měnící se tuhosti zubu ozubeného kola při záběru. Množství těchto vibrací závisí na geometrii ozubení a na rychlosti otáčení. Pokud se frekvence vibrací přibližují k vlastní frekvenci páru ozubených kol, začnou vznikat rezonance s velkou oscilační amplitudou, což má za následek velkou hlučnost chodu. Tyto vibrace vznikají i u soukolí, které nevykazují jakékoliv závady.
Hluk při odvalování je způsoben nedostatečnou kvalitou povrchu zubů.
Přestože jsou výrobní tolerance dodržovány, na boku zubů se objeví různé povrchové struktury, kvůli kterým vznikají vibrace, což má za následek zvýšení hlučnosti. Tato hlučnost je ale ve srovnání s hlučností způsobenou předešlými případy zanedbatelná. [1]
46
Obr. 5.1 Nárazy ozubení při záběru vyplívající z deformace zubů [1]
5.2.2 Vibrace způsobené vůlemi mezi částmi
Při převádění toku výkonu převodovkou vznikají na hřídelích torzní vibrace.
Příčinou jejich zniku je neplynulý chod spalovacího motoru. Jakmile amplituda torzních vibrací dosáhne určité hodnoty, volně ozubená kola, která nejsou v dané době pod zátěží, se uvolní a začnou vibrovat v rámci své vůle.
Amplituda těchto vibrací závisí na momentu setrvačnosti ozubeného kola, na zrychlení a zpomalení ozubeného kola například při zařazení jiného převodového stupně a na torzním zrychlení, které způsobuje tyto vibrace.
Torzní vibrace mohou být také vyvolané v synchronizačních kroužcích a řadicích objímkách v závislosti na jejich vůlích.
Pravou příčinou vzniku hluku jsou volné části naražející na hranice jejich vůlí.
[1]
5.2.3 Hluk při řazení převodových stupňů
Pokud systém synchronizace ozubených kol nefunguje správně a ke srovnání otáček nedojde, může při řazení převodového stupně vzniknout hluk, způsobený nárazem zubů unášecího ozubení ozubeného kola a ozubením řadicí objímky. Příčinou vzniku hluku při řazení ale mohou být i chyby v rozteči zubů, vady na profilu zubu či styl řazení řidiče. [1]
47
5.2.4 Hluk v ložiskách
Hluk vycházející z ložisek je běžně sotva znatelný. Ovšem při nesprávné montáži či poškození ložiska může tento hluk narůstat. Na valivém ložisku mohou vznikat čtyři druhy závad. Podle místa, kde se závada vyskytuje, se tyto druhy rozlišují na:
- závada na vnitřním kroužku - závada na vnějším kroužku - závada na valivém tělísku - závada na kleci
Každá z těchto závad vybuzuje příslušnou frekvencí vlastní frekvence částí ložiska, kterou je možné zjistit pomocí vibrační diagnostiky. [16]
48
6 Metody technické diagnostiky
V rámci vývoje převodovek je potřeba zajistit, aby výsledný produkt odpovídal požadavkům na kvalitu, proto je potřeba zjistit, zdali daná konstrukce a technologie výroby vyhovují těmto požadavkům. K tomuto slouží metody technické diagnostiky, které vyhledávají závady a lokalizují je. Mezi tyto metody patří např.:
- tribodiagnostika
diagnostika měřením vůle v převodech - subjektivní diagnostika
- akustická diagnostika - vibrodiagnostika 6.1 Tribodiagnostika
Jedná se o bezdemontážní metodu diagnostiky, která sleduje procesy tření mezi dvojicí strojních součástí za účelem zjištění jejich technického stavu.
K tomuto zjištění se využívají maziva, která jsou aplikována v mechanických systémech. V těchto mazivech se sleduje výskyt cizích látek, a to jak z hlediska množství, tak i druhu cizí látky. [18]
Při provozu převodovky se vlivem tření uvolňují malé částice kovů a jejich sloučenin. Množství těchto částic v oleji závisí na množství oleje v mazací soustavě, počáteční koncentraci, na době provozu převodovky, na množství příměsí přicházejících do oleje, na množství dolévaného oleje, na funkci olejových čističů a samozřejmě závisí na prostředí, ve kterém daná převodovka pracuje. [18][19]
Mezi základní parametry při tribodiagnostice patří:
- kinematická viskozita oleje - obsah vody
- číslo kyselosti
- kód čistoty ISO 4406 - obsah zbytkových prvků - ferrografie
- IČ
49
Převodový olej se znehodnocuje především tvrdými nečistotami tvořenými kovovým otěrem třecích ploch stroje, či prachovými částicemi křemíkové povahy a tvrdým karbonem. Tyto prachové částice se do prostoru převodovky mohou dostat z okolí nalévacího hrdla či vadným těsněním. Voda, která způsobuje rychlejší působení koroze, se do převodovky dostává jen v havarijních případech. [19]
Pro posouzení množství nečistot v převodovém oleji se používají tyto metody:
- kapičkový test
- test světelné propustnosti - bod vzplanutí
- stanovení velikosti a počtu tvrdých nečistot 6.1.1 Kapičkový test
Kapičkový test spočívá v nanesení vzorku oleje na filtrační papír a vizuálním posouzení vytvořené skvrny. Podle tvaru, velikosti a zabarvení skvrny se stanoví obsah nečistot a vody v oleji. Vzniklá olejová skvrna má tři typická pásma. V okrajovém pásmu se usazují převážně nečistoty, a do difuzního pásma pronikají rozpustné složky. Přítomnost vody se vyznačuje charakteristickým vroubkováním na ohraničení okrajového pásma. [19]
Obr. 6.1 Schéma olejové skvrny při kapičkovém testu [19]
50
6.1.2 Test světelné propustnosti
Odebraný vzorek oleje se zředí v daném poměru s bezbarvým rozpouštědlem.
Tento roztok se pak vloží mezi dvě sklíčka, která jsou poté vložena do měřicího přístroje a prosvícena definovaným zdrojem světla. Následně se pak fotoelektrickým článkem změří intenzita světla, které proniklo vzorkem. [19]
6.1.3 Bod vzplanutí
Bod vzplanutí je teplota, při které se na povrchu zahřívaného oleje vyvine dostatečné množství hořlavých par, že při přiblížení plamene směs na okamžik vzplane. Touto metodou diagnostiky se zjišťuje množství paliva v olejové náplni.
[19]
6.1.4 Stanovení velikosti a počtu tvrdých nečistot
Z hlediska diagnostiky převodového oleje je potřebná nejen znalost obsahu tvrdých nečistot, ale zároveň i jejich rozdělení podle velikosti částic. Pro zjištění toho rozdělení existuje několik metod. Nejjednodušší z nich je prosté sledování vzorku oleje pomocí mikroskopu. Tato metoda je však velmi pracná a její výsledky jsou do značné míry ovlivněny subjektivními vlivy. Proto se tato metoda nahrazuje poloautomatickými či automatickými počítači, což ale představuje zvýšení nákladů na pořízení přístrojové techniky. [19]
6.2 Diagnostika měřením vůle v převodech
Jedná se o nejjednodušší způsob diagnostiky převodovky. Provádí se, že se zvedne hnací náprava tak, aby bylo možné otáčet volně kolem. Poté se zařadí postupně všechny převodové stupně a u každého převodu se měří celková vůle při pootočení zvednutého kola na dorazy v obou směrech. Toto je výhodné měřit pomocí dynamometrického klíče. Při otáčení se totiž zvyšuje krouticí moment v závislosti, jak se jednotlivá soukolí dostávají postupně do záběru.
Tato metoda není příliš přesná, avšak vzhledem k jednoduchosti jejího provedení, je poměrně účinná a vypovídající. Jistým problémem může být fakt, že vůli každého soukolí ovlivňují dva parametry: vůle v ozubení a vůle v ložiskách. [20]
51
Obr. 6.2 Přímé měření vůlí převodného ústrojí [20]
6.3 Subjektivní diagnostika
Jedná se o diagnostiku, při které je velmi důležitý lidský faktor a na správné určení závady závisí především na odborníku, který diagnostiku provádí. Mezi metody subjektivní diagnostiky patří:
- vizuální kontrola - technická stetoskopie - technická endoskopie 6.3.1 Vizuální kontrola
Vizuální kontrola je základní způsob kontroly, která se většinou provádí před následnou diagnostikou pomocí měřících přístrojů. Umožňuje zjistit poruchy jako jsou například únik mazacích olejů či jiných kapalin netěsnostmi ve skříni nebo různé trhliny, deformace či poškození povrchů převodovky či její povrchové úpravy. [20]
6.3.2 Technická stetoskopie
Využitím stetoskopu, který snímá a zesiluje akustické signály, se provádí diagnostika jednotlivých skupin převodů vzhledem k jejich hlučnosti. [20]
6.3.3 Technická endoskopie
Technická endoskopie slouží k vizuální kontrole převodového ústrojí uvnitř převodovky pomocí endoskopu. Využívá se například pro zjištění stavu ozubení
52
daného ozubeného kola. Nevýhodou je, že dnešní převodové skříně jsou natolik kompaktní, že pro správné umístění a nasměrování endoskopu nezbývá dostatek místa. [19][20]
Obr. 6.3 Schéma endoskopu s pevným tubusem (1. Okulár; 2. Tubus; 3.
Objektiv; 4. Světelný zdroj; 5. Zkoumaný objekt) [19]
6.4 Akustická diagnostika
Akustická diagnostika využívá zvukovou energii, která vychází z převodovky, jako nositele informace o technickém stavu. Tato metoda technické diagnostiky se využívá z několika důvodů:
- akustické jevy odrážejí nejpodstatnější fyzikální procesy probíhající v objektu, jako je například deformace či napětí
- akustické jevy mají velkou informační kapacitu, široké spektrum - akustické signály lze snadno zachytit i při běžným provozu objektu
„Postup diagnózy objektu spočívá v rozpoznávání (identifikaci) signálu produkovaného objektem. Přitom množina všech stavů, ve kterých se objekt může nacházet, je nekonečně veliká a nespočetná. Snížení mohutnosti množiny stavů dosahujeme klasifikací stavů. V důsledku této klasifikace různé stavy objektu, vyznačující se určitým příznakem, patří do jedné třídy, tj. berou se jako jediný stav a nerozlišují se při diagnóze. Je zřejmé, že každá třída má velký počet gradací. Nelze tedy očekávat, že by všechny objekty, které patří do
53
