Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Převodová ústrojí osobních automobilů Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracovala: Martina Řezáčová Brno 2011

2 Zadání:

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Převodová ústrojí osobních automobilů vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF Mendelovy Univerzity v Brně.

4 dne. podpis...

5 Poděkování: Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení a cenné připomínky při zpracování bakalářské práce. Abstrakt Tématem této bakalářské práce jsou převodová ústrojí osobních automobilů. Cílem práce bylo analyzovat současný stav moderních koncepcí převodových ústrojí osobních automobilů, nejčastější řešení detailně popsat a objasnit jejich funkce. Součástí práce je i základní koncepční uspořádání, výpočet převodových poměrů a problematika ozubených kol. V této práci se dále podrobněji zabývám stupňovými převodovkami, poloautomatickými a automatickými převodovkami, s přihlédnutím k systému DSG. Klíčová slova: mechanická převodovka, poloautomatická převodovka, automatická převodovka The Bachelor thesis deals with transmisson of automobiles (motor vehicles). The main aim was not only to analyse current state of automobiles transmissons and their modern concepts but also to describe in detail the most frequent solutions and clarify their functions. The basic conceptual structure, calculation of velocity (gear) ratio and gear issue are also parts of this thesis. The thesis also concerns a detail describtion of manual, semi-automatic and automatic transmissons with regard to DSG system.

6 Key words: mechanical transmission, semiautomatic transmission, automatic transmission

7 Obsah 1. ÚVOD Vznik převodového ústrojí Převodná ústrojí CÍL PRÁCE ZÁKLADNÍ USPOŘÁDÁNÍ A VÝPOČTY Koncepční uspořádání převodného ústrojí osobních automobilů Ozubená soukolí Čelní kola Kuželová kola Převodový poměr Počet a odstupňování rychlostních stupňů SOUČASNÝ STAV V KONSTRUKCI PŘEVODOVÝCH ÚSTROJÍ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ Stupňové převodovky Dvouhřídelové převodovky Tříhřídelové převodovky Jednoskupinové převodovky Víceskupinové převodovky Dvojskupinové převodovky Třískupinové převodovky Planetové převodovky Řazení planetové převodovky Poloautomatické převodovky Převodovky se sekvenčním řazením Automatické převodovky Automatická převodovka s hydrodynamickým měničem momentu a převodovými koly s čelním ozubením... 26

8 Automatická převodovka s hydrodynamickým měničem momentu a planetovou převodovkou Automatická převodovka DSG Automatická převodovka PowerShift Variátor (CVT) Párová kuželová kola Protilehlá kuželová kola PŘEVODOVÉ MAZACÍ OLEJE Viskozitní klasifikace Výkonnostní klasifikace ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM GRAFŮ SEZNAM TABULEK... 39

9 1. ÚVOD Účelem převodovky je přenášet a měnit velikost točivého momentu motoru, měnit otáčky vstupního hřídele převodovky, měnit smysl otáčení hnacích kol vozidla (zpětný chod) a umožnit běh naprázdno (volnoběh) motoru u stojícího vozidla. Splnění těchto účelů je náročné, a proto často představují složitou soustavu. Z účelů převodovek je důležité zabezpečit vysokou mechanickou účinnost, malé rozměry, nízkou hmotnost, jednoduché a spolehlivé ovládání, dlouhou provozní spolehlivost a životnost, nízkou úroveň hluku a vibrací, výrobní jednoduchost a nízkou cenu Vznik převodového ústrojí Počátek převodek se datuje od roku Francouzští vynálezci Louis-Rene Panhard a Emile Levasor představili třístupňovou převodovku se základním designem, který je stále výchozím bodem pro většinou současných manuálních převodovek. Manuální převodovky byly standardní pro většinu vozidel pro první polovinu 20. století, ale automatické převodovky byly vyvinuty již v roce Převodná ústrojí Převodná ústrojí automobilu jsou všechna ústrojí, která spojují motor s hnacími koly za účelem pohybu vozidla. Mezi hlavní části patří převodové ústrojí, které bude v této práci detailněji popsáno. Další části převodného ústrojí jsou: spojka - je umístěna mezi motorem a převodovkou - slouží ke krátkodobému přerušení přenosu točivého momentu - zajišťuje plynulý rozjezd automobilu, umožňuje řazení převodových stupňů, tlumí chvění při nerovnoměrném chodu motoru volnoběžka - přerušuje přenos točivého momentu samočinně, jestliže má hnaná část vyšší otáčky než hnací část - přenáší pohyb i točivý moment pouze v jednom směru přídavná převodovka 9

10 - nepoužívá se vždy, doplňuje hlavní převodovku za určitým účelem rozdělovací převodovka - používá se u vozidel s pohonem všech náprav - rozděluje točivý moment na různé nápravy kloubový hřídel - spojuje jiná převodná ústrojí rozvodovka - rozděluje přenášený točivý moment na jednotlivá hnací kola, případně na jednotlivé hnací nápravy diferenciál - rozděluje točivý moment na obě kola hnací nápravy - umožňuje rozdílné otáčky levého a pravého hnacího kola 10

11 2. CÍL PRÁCE Hlavním cílem bakalářské práce je analyzovat současný stav moderních koncepcí převodových ústrojí osobních automobilů. Vytvořit ucelený přehled nejpoužívanějších typů a konstrukcí a objasnit jejich funkci. Dílčím cílem této práce je uvést i základní vztahy a charakteristiky využívané pro zhodnocení či výpočet parametrů. 11

12 3. ZÁKLADNÍ USPOŘÁDÁNÍ A VÝPOČTY 3.1. Koncepční uspořádání převodného ústrojí osobních automobilů Nejčastější uspořádání převodného ústrojí mají většinou menší vozidla, kdy se přenáší točivý moment od motoru, přes spojku, převodovku, případně spojovací hřídelí na rozvodovku a diferenciál. Tato konstrukce se u jednotlivých typů vozidel může měnit na koncepci: - standardního pohonu (Obr.1 a) výhodou je možnost variabilní nástavby zadní nápravy, naopak nevýhodou může být při prázdném vozidle příliš odlehčená zadní náprava - zadního pohonu (Obr.1 b) přední náprava je příliš odlehčena to způsobuje horší ovladatelnost, zadní přetížena, nejčastěji se používá u sportovních vozidel - pohonu zadní nápravy s motorem uprostřed (Obr.1 c) výborné zatížení - pohonu transaxle (Obr.1 d) menší úložný prostor, vyšší cena, dobré dynamické vlastnosti - pohonu předních kol s motorem uloženým podélně (Obr.1 e) - pohonu předních kol s příčně uloženým motorem (Obr.1 f) velká hmotnost na přední nápravě, horší trakční vlastnosti - pohonu všech kol (Obr.1 g) dražší varianta, je zapotřebí mezinápravový diferenciál Obrázek 1: Uspořádání hnacího ústrojí u osobních automobilů M motor, S spojka, R rozvodovka, P převodovka, D diferenciál 12

13 3.2. Ozubená soukolí Ozubené kolo je disk, který má po obvodu tvarově definované zuby a je uzpůsoben k přenosu krouticího momentu mezi osami (hřídeli) nebo otočnými součástkami stroje. Ozubené kolo je základní konstrukční součástí převodovek a dalších strojů. Jsou součástí mechanismů, kde je potřeba převádět točivý pohyb a přenášet mechanickou energii z jednoho hřídele na druhý. Nejčastěji se používají pro převody se stálým poměrem a s malou osovou vzdáleností. Převod ozubenými koly může být jednoduchý nebo složený. Jednoduchý převod se skládá z dvojice kol, většinou z malého (pastorek) a velkého ozubeného kola. Tomuto převodu také říkáme jednoduché soukolí. Složený převod je převod, kdy je v záběru více několik dvojic ozubených kol, pak toto nazýváme složeným soukolím. Ozubená soukolí může rozdělit podle průběhu zubů na: čelní kola - s přímými, šikmými, šípovitými, zakřivenými zuby kuželová kola taktéž s přímými, šikmými, šípovitými, zakřivenými zuby Čelní kola S přímými zuby jsou nejčastěji používaná ozubená kola a používají se pro rovnoběžné osy hřídelů. Plynulejší a delší záběr, tišší chod a menší mezní počet zubů mají čelní kola se šikmými zuby. Šípovité zuby mají stejné výhody jako šikmé, jen zde nevznikají axiální síly. Obrázek 2: Čelní kola - s přímými, šikmými a šípovitými zuby Kuželová kola Pro různoběžné osy hřídelů se společným průnikem os se používají kola s přímými zuby. Konstrukčně jsou složitější než čelní kola s přímými zuby. 13

14 Kuželová kola se šikmými a šípovitými zuby mají příznivější provozní charakteristiky podobně jako u čelního ozubení a lépe se přizpůsobují deformacím hřídelů za provozu. Tento typ ozubení není příliš používán, pouze v případech, kdy jsou rozměry kol větší, než dovoluje geometrie strojů pro výrobu zakřiveného ozubení. Kola se zakřivenými zuby také nazývají se spirálními zuby a mají příznivější provozní charakteristiky podobně jako u čelního ozubení a lépe se přizpůsobují deformacím hřídelů za provozu. Obrázek 3: Kuželová kola - s přímými, šikmými, šípovitými a zakřivenými zuby 3.3. Převodový poměr Převodový poměr definuje vztah mezi vstupními a výstupními otáčkami a je dán jejich poměrem. Můžeme jej vyjádřit několika rovnicemi:, (1), (2) kde n 1 jsou vstupní otáčky a n 2 výstupní otáčky, z 2 je počet zubů kola hnaného a z 1 počet zubů kola hnacího, D 2 je průměr hnaného převodového kotouče a D 1 průměr kotouče hnacího. Převodový poměr je bezrozměrná jednotka. Je-li převodový poměr i>1, mluvíme o převodu dopomala, kdy se točivý moment motoru zvětšuje. Je-li převodový poměr i<1, jde o převod dorychla, kde se točivý moment motoru zmenšuje. Příklad výpočtu převodového poměru: 14

15 Obrázek 4: Schéma tříhřídelové převodovky s popisky ozubených kol (3) (4) 3.4. Počet a odstupňování rychlostních stupňů Nejlepší využití výkonu motoru při všech rychlostech vozidla dává průběh hnací síly podle hyperboly konstantního výkonu P = F v = P max η m = konst. (5). Kdyby bylo vozidlo vybaveno jen základním převodem i 0 a maximálním potřebným převodem i cmax nebylo by možno v širokém rozsahu hnacích sil a rychlostí jízdy využít dostatečně výkon motoru, jak je zřejmé z vyjádření těchto poměrů v diagramu F-v (graf č.1). Proto je nutné mezi základní a maximální převod vložit řadu dalších převodů (graf č.2), čímž se podstatně zlepší možnost využití výkonu motoru při potřebě středně velkých hnacích sil. (Vlk, 2003) Graf 1: F-v diagram pro vozidlo s dvoustupňovým převodem (Vlk, 2003) Graf 2: F-v diagram pro vozidlo s pětistupňovou převodovkou (Vlk, 2003) 15

16 Vedle počtu rychlostních stupňů ovlivňuje využití výkonu motoru také tvar momentové charakteristiky motoru tedy i průběh hnací síly. Je-li tato křivka vypouklá a motor má značné převýšení maximálního točivého momentu nad momentem při maximálních otáčkách, stoupá při klesající rychlosti vozidla značně hnací síla a její odchýlení od hyperboly maximálního výkonu bude menší a tedy i nevyužitelný výkon bude menší, než při ploché momentové charakteristice. (Vlk, 2003) U pětistupňové převodovky máme tyto převodové poměry i 1, i 2, i 3, i 4 a i 5. Sousední poměry se určí ze vztahu: (6) Jestliže platí vztah q 12 = q 23 = q 34 = q 45 =q (7), pak mluvíme o geometrickém odstupňování převodovky. Maximální přípustný poměr dvou po sobě jdoucích převodů q musí být menší nebo roven poměru maximálních otáček n max a otáček, při kterých motor rozvíjí maximální točivý moment n Mmax. (8) Počet převodových stupňů n v geometricky odstupňované převodovce pak určíme ze vztahů: i 1 = i 2 q = i 3 q 2 = i 4 q 3 = = i n q n-1 (9) (10) (n 1) ln q = ln R i (11) (12) 16

17 4. SOUČASNÝ STAV V KONSTRUKCI PŘEVODOVÝCH ÚSTROJÍ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ Převodovky můžeme rozdělit do skupin podle různých hledisek, podle druhu převodů, podle způsobu změny převodového poměru a podle způsobu řazení rychlostních stupňů. Podle druhů převodů: Převodovky s ozubenými koly - dvouhřídelová - tříhřídelová - planetová Řetězová převodovka Řemenová převodovka Třecí převodovka Hydrostatické převodovky Hydrodynamický měnič Elektrické převody Podle způsobu změny převodového poměru: Stupňové převodovky Plynulé převodovky Podle způsobu řazení rychlostních stupňů: S přímým řazením S nepřímým řazením Samočinné řazení 4.1. Stupňové převodovky Dvouhřídelové převodovky Používají se u vozidel, které mají pohonnou jednotku pohromadě, tj. motor s převodovkou jsou uloženy nad hnací nápravou, která může být jak vpředu, tak vzadu. 17

18 Převodovka má dvě hřídele hnací a hnaný. Hnací a hnaný (vstupní a výstupní) hřídel neleží ve stejné ose. Na hnacím hřídeli jsou kola jednotlivých převodových stupňů. Všechny kola, kromě zpátečky, jsou ve stálém záběru s koly na hnaném hřídeli. Hnaný hřídel je drážkovaný a hnaná kola umístěná na něm se mohou otáčet nezávisle na hnaném hřídeli. Převod je tvořen pouze jedním párem ozubených kol. Jednotlivé rychlostní stupně jsou řazeny přesunutím objímky synchronizační spojky. Synchronizační spojka vyrovnává rozdíl otáček objímky a ozubeného kola rychlostního stupně. Tím je zajištěno lehké a bezhlučné zařazení. Pro zvýšení životnosti jsou ozubená kola opatřena šikmým ozubením, které taktéž přispívá ke snížení hlučnosti řazení. Dvouhřídelové převodovky mají skříň složenou ze tří dílů, dělící rovina leží v ose hřídelů, oba hřídele se vloží do jedné poloviny skříně a druhou se skříň uzavře, odvrácená strana od spojky se uzavře další dílem. Ten obsahuje převod pro náhon rychloměru, který je upevněn na hnaném hřídeli. Pokud se přidává další rychlostní stupeň, vkládá se mezi sevřené poloviny skříně a zadní kryt. Na obrázku č. 5 je konstrukce dvouhřídelové pětistupňové převodovka. Každý převodový stupeň má zde svoje soukolí a jeho převodový poměr udává převod daného stupně. Zpětný chod je umístěn mezi I. a II. rychlostním stupněm a řadí se přesunutím vloženého kola. Pátý stupeň je umístěn nejdále od motoru a je řazen synchronizační spojkou na hnacím hřídeli. Přenos na soukolí stálého převodu je čelním soukolím za ložiskem u I. rychlostního stupně. Tyto převodovky se používají pro příčně uložené motory. 18

19 Obrázek 5: Dvouhřídelová pětistupňová převodovka Tříhřídelové převodovky Tyto převodovky se používají u vozidel s motorem vpředu a pohonem zadní nápravy. Převodovka je tvořena hnacím, hnaným a předlohovým hřídelem. Hnací a hnaný (vstupní a výstupní) hřídel leží v jedné ose. Předlohový hřídel je uložen rovnoběžně s těmito hřídeli. Převod jednotlivých rychlostních stupňů je tvořen vždy dvěma páry ozubených kol a soukolím jednotlivých rychlostních stupňů, výjimkou je přímý záběr. Při pevném spojení hnacího a hnaného hřídele dojde k zařazení přímého záběru. Přímý záběr se používá jako stupeň nejvyšší a nejvíce se projeví sníženou spotřebou paliva při dálničním provozu. 19

20 U nesynchronizovaných převodovek velkých strojů, automobilů nebo traktorů se někdy na hnací hřídel nebo předlohový hřídel montuje tzv. převodová brzda (také nazývaná brzda spojky, brzda předlohy, synchronizační brzda). Obrázek 6: Tříhřídelová převodovka čtyřstupňová převodovka Na obrázku č. 6 je konstrukce klasické tříhřídelové převodovky. První soukolí (zleva) na hnacím hřídeli 1 je v trvalém záběru a pohání předlohový hřídel. První soukolí od hnaného hřídele (zprava) je soukolí I. rychlostního stupně a směrem doleva pokračují další dva rychlostní stupně. Součin převodu soukolí v trvalém záběru a převodu soukolí každého stupně je celkovým převodem jednotlivých rychlostních stupňů. Přímý záběr (IV. rychlostní stupeň) se řadí propojením hnacího a hnaného hřídele synchronizační spojkou u převodu v trvalém záběru Jednoskupinové převodovky Nejčastěji se používají u osobních automobilů a u nákladních automobilů do 7 rychlostních stupňů. Pro každý stupeň mají jeden vlastní pár ozubených kol, výjimkou je přímý záběr a eventuelně zpětný chod. Ke změně rychlostních stupňů je vždy uvolněna jedna řadící spojka a druhá je zapojena. Výhodou jednoskupinových převodovek je volná volba převodů a lehké řazení. Nevýhodou pak naopak jsou konstrukční náklady, množství ozubených kol a řadících prvků. 20

21 Víceskupinové převodovky Skládají se z více jednoskupinových převodovek, jejichž převody mohou být různě navzájem kombinovány. Přitom jsou jednotlivé páry ozubených kol a jednotlivé řadící prvky využívány ve více převodových skupinách. Proto při změně převodového stupně musí být uvolněno a uzavřeno více řadících prvků. Výhodou těchto převodovek je větší počet převodových stupňů realizovaných menším počtem párů ozubených kol a řadících prvků Dvojskupinové převodovky Před hlavní převodovkou nebo za ní mají další řaditelný převod, který zdvojnásobuje počet rychlostních stupňů hlavní převodovky (včetně zpětného chodu). Je-li další měnitelný převod před hlavní převodovkou, jedná se o předřazenou skupinu, je-li za hlavní převodovkou, pak jde o následnou skupinu. Převod u předřazených skupin bývá většinou volen tak, že převody hlavní převodovky jsou rozpůleny. Výhodou je jednoduchá konstrukce, malý převod přídavné skupiny. Nevýhodou jsou velké převody v hlavní převodovce, častější změna skupin, nutné geometrické odstupňování hlavní převodovky pro odstranění nerovnoměrných rychlostních skoků Třískupinové převodovky Tyto převodovky mají přídavný převod vpředu a vzadu. Používají se tehdy, je-li k provozu vozidla potřeba více než 10 rychlostních stupňů. Každý další přídavný převod zdvojnásobuje počet rychlostních stupňů původní převodovky. To znamená, že třískupinová převodovka se čtyřmi převodovými stupni má celkem 2x2x4=16 rychlostních stupňů. Nevýhodou takové koncepce je skutečnost, že poměrně často musí být současně ovládány dva nebo i tři řadící prvky. K usnadnění řazení proto bývají často využívána pneumatická a elektronicko-pneumatická zařízení Planetové převodovky Patří do skupiny převodovek s ozubenými koly. Planetová převodovka je tvořena centrálním kolem, satelity, unášečem satelitů a korunovým kolem. Centrální kolo, korunové kolo a unášeč satelitů mají společnou osu. Centrální kolo je spojeno s hnací hřídelí. Satelity jsou uloženy na unášeči a jsou v 21

22 záběru v centrálním i korunovém kole. Unášeč satelitů je spojen s hnaným hřídelem. Spojením více planetových převodů dostaneme vícestupňovou planetovou převodovku. Zabrzděním korunového kola dojde k obíhání satelitů kolem centrálního kola, tzn. že se otáčí unášeč satelitů a tím tedy i hnaný hřídel. Po odbrzdění korunového kola se satelity otáčejí kolem své osy, otáčí se i korunové kolo, ale unášeč satelitů a hnaný hřídel stojí. Planetové převodovky umožňují řazení jednotlivých stupňů pod zatížením, bez přerušení přenosu točivého momentu. Toho se využívá u automatických převodovek. Obrázek 7: Planetová převodovka 1 centrální kola 1, 2 centrální kolo 2, 3 první rychlostní stupeň, 4 druhý rychlostní stupeň, 5 korunové kolo, 6 planetové kolo Oproti čelním soukolím mají planetové převodovky řadu výhod: - díky několika satelitům je točivý moment přenášen s menšími silami na ozubení a tím i modul ozubení může být menší - soukolí velmi dobře vyplňuje zaujímaný prostor na základě správné konstrukce a je schopné přenášet i vysoké otáčky - ložiska všech otočně uložených částí nejsou zatěžovány radiálními silami, neboť tyto síly se navzájem vyruší (výjimkou jsou satelity) - tišší chod, protože všechna ozubená kola jsou ve stálém záběru - menší rozměry ve srovnání s ostatními mechanickými převodovkami 22

23 Nevýhodou je pak jejich velká složitost při větším počtu převodových stupňů. Nejčastěji se převážně používají dvou a třístupňové převodovky se zpětným chodem. Ty se kombinují s hydrodynamickou spojkou nebo měničem. Jejich řazení je prováděno poloautomaticky nebo zcela automaticky Řazení planetové převodovky Pro dosažení přenosu točivého momentu musí být část planetové převodovky blokována a na část musí být přiváděn točivý moment. Zároveň je potřeba splnit podmínku jednoho stupně volnosti, protože při více stupních volnosti by se mechanismus nechoval jako převodovka, ale jako diferenciál. Obrázek 8: Rychlostní stupně jednoduchého planetového soukolí Na obrázku č.8 je funkce planetového převodu se čtyřmi dopřednými stupni a jedním zpětným chodem Poloautomatické převodovky Poloautomatické převodovky jsou ovládány pouze řadící pákou. Nazýváme je také automatickými převodovkami se selektivním řazením převodových stupňů. Pro správnou funkčnost dvoupedálové poloautomatické převodovky je potřeba zabezpečit: - automatické zapnutí spojky při rozjezdu automobilu 23

24 - průběh zapínání musí mít pozvolný náběh, po kterém následuje dostatečně rychlé úplně zapnutí spojky - vypnutí spojky při poklesu otáček motoru na hranici otáček běhu na prázdno, toto vypnutí musí být rychlé - přerušení silového toku mezi motorem a převodovkou při řazení převodových stupňů (pokud nejsou řazeny pod zatížením) - při vypnuté spojce nesmí stoupnout otáčky motoru během řazení - parkovací brzdění motorem při stojícím vozidle Převodovky se sekvenčním řazením Základ tvoří klasická mechanická převodovka s čelními ozubenými koly a samočinně ovládaná třecí kotoučová spojka. Přerušení přenosu točivého momentu (vypnutí spojky) se děje pomocí hydraulického nebo pneumatického ovládacího zařízení. Jednotlivé rychlostní stupně se řadí ručně 4.4. Automatické převodovky Automatické neboli samočinné převodovky zjednodušují obsluhu vozidla, neboť řazení převodových stupňů se děje automaticky. Do řízení automatické převodovky může řidič ručně zasahovat pomocí volící páky. Toho se využívá například při prudkém klesání (možnost zařadit nižší stupeň, tj. vyšší převod) nebo předjíždění, kdy je potřeba rychle zařadit nejvýhodnější převodový stupeň. Automatické převodovky musí splňovat i další požadavky: - blokování převodového ústrojí při parkování (tzv. parkovací uzávěra) - nastartování motoru jen při neutrální nebo parkovací poloze řadící páky - plynulý rozjezd vozidla - plynulé řazení převodových stupňů bez znatelného trhnutí vozidla - při rychlém a úplném otevření škrticí klapky karburátoru musí být zařazen nižší převodový stupeň umožňující vyšší akceleraci - doba zařazení příslušného převodového stupně musí být závislá od zatížení motoru a rychlosti vozidla - při běhu motoru naprázdno nesmí docházet k samovolnému pohybu vozidla - účinné brzdění motorem 24

25 Obvyklé označení poloh na volící páce: P parkování R reverse (zpětný chod) N neutrál (spouštění motoru, běh naprázdno) D drive (normální jízda) L low (jízda do stoupání) + - ruční přeřazení na vyšší rychlostní stupeň - ruční přeřazení na nižší rychlostní stupeň Nastavení automatických převodovek se liší, například při startování musí být zařazený mód P parkování a současně sešlápnutý brzdový pedál. Ve většině případů nabízí řidiči tři jízdní režimy ekonomický, sportovní a komfortní. Výhodou automatických převodovek je, že řidič nemusí ovládat spojkový pedál ani řadící páku a může se tak lépe soustředit na jízdu. Snadnější je i rozjíždění do kopce, které může působit problémy nezkušenějším řidičům. Naopak nevýhodou je jejich nižší účinnost, z čehož plyne i vyšší spotřeba. Mechanické převodovky dosahují 96% až 97% účinnosti, automatické převodovky mají 85% až 96%. Vyšší hmotnost a složitější konstrukce, díky použití hydrodynamického měniče a vyšší cena ve srovnání s manuálními převodovkami. Mezi nejčastější problémy patří zanedbání údržby, tedy pozdní výměna olejové náplně nebo nedostatek oleje v převodovce. Vzhledem ke složitosti se opotřebovávají řadící spojky a brzdy, které se neobejdou bez opravy skutečného odborníka, jak to bylo například možné u starších typů manuálních převodovek. 25

26 Obrázek 9: Řez automatickou převodovkou klasické konstrukce (AutoEXPERT 1999) Automatická převodovka s hydrodynamickým měničem momentu a převodovými koly s čelním ozubením V principu jde o hydrodynamickou spojku doplněnou o třetí lopatkový věnec, tzv. reakční člen nebo také rozvaděč. Reakční člen slouží k usměrnění proudu kapaliny z turbíny do lopatkového kola nebo naopak. Častější bývá první případ, protože je reakční člen blízko osy výstupního hřídele a není složité ho spojit se stojící skříní. Moment na výstupním hřídeli se rovná momentu motoru a momentu reakčního kola. Lopatky ve všech kolech nejsou radiální, ale vhodně zakřivené. Čím více se lopatky zakřiví, tím většího znásobení momentu se dosáhne. Řazení se děje v závislosti na sešlápnutí pedálu akcelerace a na otáčkách motoru, které snímá odstředivý regulátor. Klasická konstrukce hydrodynamického měniče momentu je vyobrazena na obrázku č. 10. Výhody: - odstraňuje přenos rázů a kmitů způsobených motorem do převodového ústrojí - zmenšuje prokluz kol při prudkém rozjezdu - nízká hmotnost a cena ve srovnání s elektrickým přenosem výkonu 26

27 Kombinace hydrodynamické spojky a hydrodynamického měniče je tzv. hydrodynamický měnič Trilok. Hydrodynamická spojka nemůže odvádět větší momenty, ale při vyšších otáčkách má lepší účinnost. Problémem hydrodynamických spojek je trvalý přenos i minimálního výkonu, vozidlo se může samovolně rozjet, pokud nezařadíme parkovací režim, kdy je výstupní hřídel mechanicky zablokován. Obrázek 10: Hydrodynamický měnič momentu: 1 pohon od motoru, 2 - turbína, 3 čerpadlo, 4 reakční člen, 5 volnoběžka, 6 skříň převodovky, 7 výstupní hřídel Automatická převodovka s hydrodynamickým měničem momentu a planetovou převodovkou Používá se nejčastěji. Je tvořen blokovatelným hydrodynamickým měničem momentu a dvoustupňovou až čtyřstupňovou planetovou převodovkou. Může být s mechanickohydraulickým ovládáním a elektronicko-hydraulickým ovládáním (v současné době nejčastější). U automatických převodovek s elektronicko-hydraulickým ovládáním jsou do elektronické řídící jednotky vedeny signály od různých snímačů (např. otáček výstupního hřídele převodovky, otáček motoru, zatížení motoru, teploty motoru, polohy škrtící klapky, polohy voliče aj.). Na základě takto získaných informací řídící jednotka určí výstupní signál pro zařazení nejvýhodnějšího rychlostního stupně nebo zablokování případně odblokování měniče. Příslušný převodový stupeň se zařadí sepnutím (vypnutím) jednotlivých pásových brzd a lamelových spojek v planetové převodovce. 27

28 Graf 3: Charakteristika hydrodynamického měniče točivého momentu: M t točivý moment, n t výstupní otáčky turbíny, η účinnost Z charakteristiky je patrné, že výstupní moment turbíny M t se mění v závislosti na otáčkách turbíny n t. Největší moment leží při n t =0, nejmenší M t =0 při propustných otáčkách n p Automatická převodovka DSG Požadavky na zvýšení počtu převodových stupňů a zrychlení řazení, případně řazení bez přerušení přenosu výkonu, měly za následek vývoj převodovek se sekvenčním řazením. Nejlepší řešení tohoto požadavku pro sériovou produkci představil Volkswagen po názvem DSG. Převodovka DSG (německy: das Direktschaltgetriebe, anglicky: Direct Shift Gear) je moderním typem automatických převodovek, u kterých je hydrodynamický měnič točivého momentu nahrazen dvěma spojkami, takže dokáže řadit bez ztráty výkonu. DSG se skládá ze dvou dílčích převodovek. V pricipu jde o upravenou mechanickou tříhřídelovou převodovku rozdělenou na dvě převodovky se dvěma spojkami (v olejové lázni) a dvěma vstupními a výstupními hřídeli. Vstupní hřídele jsou z důvodu úspory místa vloženy do sebe (jeden hřídel je dutý a druhý je v něm centricky umístěn). Jedna převodovka tvoří větev s lichými (včetně zpětného chodu) a druhá větev se sudými převodovými stupni. V dnešní době se nejvíce používají převodovky se šesti rychlostními stupni (výjimkou jsou převodovky pro závodní motory, které mají i sedm rychlostních stupňů). Řazení probíhá tak, že se vždy podle otáček motoru a polohy plynového pedálu zařadí jeden stupeň (první větev převodovky), který je spojen s motorem pomocí příslušné mokré spojky a zároveň se zařadí stupeň následující (v druhé větvi převodovky), který je ale zařazen naprázdno, protože je druhá mokrá spojka 28

29 vypnutá. Automaticky nebo povelem od řidiče se spojky prohodí a tak je zařazen další stupeň, u první větve se ihned zařadí převod následující. Při poklesu otáček je tomu naopak, zařadí se stupeň o jeden nižší. Ke změně převodu dochází velmi rychle, protože jsou příslušné rychlostní stupně již zařazené, jen se připojí přes mokrou spojku k motoru, změna převodu trvá cca ms při nepřerušeném přenosu výkonu. Oba výstupní hřídele zabírají přímo na ozubení stálého převodu, pokud není stálý převod s diferenciálem ve společné skříni, je nutné provést spojení dalším ozubeným kolem. Řadit je možné díky elektrohydraulickému systému buď plně automaticky, nebo ručně pomocí páček nebo tlačítek (jedním se řadí nahoru, druhým dolů). Obrázek 11: DSG převodovka, Audi 29

30 Na obrázku č. 11 je vyobrazeno přeřazování z prvního na druhý rychlostní stupeň u DSG převodovky Automatická převodovka PowerShift Jedná se o dvouspojkovou převodovku fungující na principu dvou paralelních manuálních převodovek. Jedna převodovka je určena pro liché převodové stupně a zpětný chod, zatímco druhá převodovka je určena pro sudé převodové stupně. Byla vyvinuta společností Getrab pro automobilky Ford, Volvo, Mitsubishi a další. Konstrukce převodovky vychází z technologie používané u manuálních převodovek, avšak s tím rozdílem, že dvě mokré spojky jsou navzájem spojeny vlastním spojkovým hřídelem. Jeden hřídel se otáčí uvnitř druhého. Tyto mokré spojky pracují nezávisle na sobě. Obě spojky fungují střídavě, tj. jedna je vždy připravena k záběru, zatímco druhá se rozpojuje. V okamžiku, kdy má motor plný výkon a tah na první rychlostní stupeň, je druhý rychlostní stupeň připraven k zařazení. Po zařazení druhého stupně je připraven třetí a tak dále. To přispívá k zachování přenosu výkonu a točivého momentu bez jakéhokoli přerušení, což vede k mimořádně rychlému a hladkému řazení při zachování akcelerace i během změny převodových stupňů. Funkce spojky je ovládána elektro-hydraulickou řídicí jednotkou. Ta zajišťuje, že zatímco je jedna spojka rozpojená, druhá je v záběru a naopak. Každá spojka funguje jako kluzná. Píst přitlačuje lamely spojky k sobě a v důsledku vznikajícího tření do sebe lamely zapadnou. Převodovka Powershift poskytuje řidiči také možnost sekvenčního řazení. Rozdíl spočívá v tom, že u Powershiftu i manuální řazení probíhá bez jakýchkoli ztrát času nebo výkonu. Díky využití dvou mokrých spojek dokáže převodovka zpracovat vysoký točivý moment a v zásadě u ní neexistují žádná omezení, pokud jde o volbu převodového poměru. Standardní převodovky navržená pro vozy Volvo, je dimenzována tak, aby zvládala točivý moment až 450 Nm. 30

31 Obrázek 12: PowerShift převodovka, Volvo 1 dvě mokré spojky, 2 olejové čerpadlo, 3 vnitřní vstupní hřídel (první, třetí, pátý rychlostní stupeň a zpětný chod), 4 vnější vstupní hřídel (druhý, čtvrtý a šestý rychlostní stupeň), 5 hydraulicky kontrolovaný systém řazení, 6 snímač polohy řazení, 7 vysokotlaký olejový filtr, 8 řídící jednotka Výhodou převodovky Powershift je nižší spotřeba paliva o cca 8 % v porovnání s běžnou automatickou převodovkou a nižší emise CO2. Důvodem nižší spotřeby je mimo jiné ta skutečnost, že převodovka PowerShift nevyžaduje měnič točivého momentu, žádné planetové převody, ani větší počet hydraulicky ovládaných spojek. Nedochází tedy k dodatečným ztrátám točivého momentu, které jsou s těmito součástmi spojeny Variátor (CVT) CVT (angl. Coutinuously Variable Transmission) je označení bezstupňové samočinné převodovky s tlačným ocelovým řemenem, jejímž základem je variátor. Je to typ převodovky s plynule proměnným převodovým poměrem, tedy s plynulou změnou převodového poměru mezi vstupní hřídelí (na kterou přímo přenáší otáčky motoru) a výstupní hřídelí (přenášející výkon motoru na kola) variátorové převodovky v obou 31

32 směrech (nahoru i dolu). Nejčastěji se variátor používá u strojních zařízení, některých typů automobilů, skútrů a motocyklů. Oproti klasické převodovce je variátor méně náročný na údržbu. Při rozjezdu řemen běží na řemenici variátoru na malém průměru a na velkém průměru u řemenice spojky. Tím je nastaven nejnižší možný převodový poměr a nejvyšší kroutící moment. Během zrychlování by měly být otáčky motoru pokud možno stálé a to v oblasti nejvyššího točivého momentu motoru. Integrovaný řídící systém nastavuje kola variátoru tak, aby z široké škály možných převodových poměrů byl vždy nastaven optimální celkový převod. Po dosažení vyšší rychlosti nastane opačná situace. Řemen běží na velkém průměru řemenice variátoru a na malém průměru u řemenice spojky, která se po rozjezdu odstředivou silou odpojila. Další zrychlování je možné jen zvyšováním otáček motoru. Obrázek 13: Variátor Obrázek 14: Řez převodovkou Multitronic od Audi, ( 32

33 Párová kuželová kola Funkce variátoru je přenos kroutícího momentu a otáček jako u řemenice. Pozn.: Řemenice je součást řemenového převodu, která přenáší energii z rotujícího hřídele na řemen nebo naopak. Jde o kolo, na kterém je řemen připevněn. Rozdíl od klasické řemenice je ten, že se využívá proměnného poloměru (průměru) řemenice na straně hnaného i hnacího kola Konstrukce využívá páru kuželových kol na hnací i hnané straně. Kola jsou orientována vrcholy proti sobě tak, aby bylo vytvořeno úžlabí pro řemen. Změnou vzdálenosti mezi kuželovými koly je dosaženo změny průměru, přes který je veden řemen. Poloha kuželů na straně hnané i hnací hřídele musí být taková, aby obvodová vzdálenost převodu, byla shodná s délkou řemenu Protilehlá kuželová kola Využívá se dvou rotujících kuželových kol, které jsou uloženy zrcadlově ve dvou osách ve stejné rovině. Přenos kroutícího momentu je mezi povrchem jednotlivých kuželů realizován řemenem nebo vloženým kolem. Obrázek 15: Variátor s protilehlými kuželovými koly 33

34 5. PŘEVODOVÉ MAZACÍ OLEJE Převodové oleje musí splňovat tyto požadavky: - zmenšovat opotřebení povrchu zubů a zabraňovat jejich poškozování - snižovat třecí ztráty - odvádět třecí teplo - mazat ložiska - chránit povrchy zubů a ložisek před korozí běhen provozu i za klidu - zmenšovat hlučnost a chvění soukolí - tlumit rázy mezi zuby a odplavovat nečistoty - mít dobrou viskózně-teplotní charakteristiku (Jan, Ždánský, 2004) Do převodových olejů se přidávají speciální přísady, tzv. aditiva. Ty slouží k zajištění již zmíněných požadavků na základě jejich fyzikálních či fyzikálně chemických vlastností. Každý převodový olej má svoji životnost. Proto je nutná výměna v určitých intervalech daných výrobcem. Nejlépe se výměna provádí po jízdě, kdy má olej vyšší teplotu a nižší viskozitu Viskozitní klasifikace Ke klasifikaci olejů se standardně používá systém podle normy SAE (ang.: Society of Automative Engineers). Dělíme je na zimní, letní, jednostupňové a vícestupňové. Čím je číslo viskozitní třídy vyšší, tím je olej více viskózní. U každé viskozitní třídy je definována minimální viskozita při vysoké teplotě 100 C (garance, že olej bude i při vysoké teplotě dostatečně viskózní a udrží se v mazacím prostoru). Písmeno "W" (z anglického Winter) u nižších viskózních tříd upozorňuje na to, že je u viskozitní třídy navíc definována maximální hodnota viskozity při nízkých teplotách (garance, že i při nízkých teplotách mazivo příliš neztuhne). ( Oleje s vyšší viskozitní třídou jsou vhodnější pro značné namáhání za vysokých teplot. V tabulce č.1 je vidět označení viskozitních tříd včetně základních hodnot. 34

35 Tabulka 1: Viskozitní klasifikace ( Výkonnostní klasifikace Nejčastěji používá klasifikace - norma API (ang.: American Petroleum Institute), která byla zavedena v roce Dělí oleje do šesti tříd, z toho se v dnešní době používají jen tři, ostatní jsou zastaralé (GL 2, GL 3 a GL 6). GL 1 : pro manuální převodovky, minerální olej GL 4 : pro mazání převodů s ozubenými koly se středním namáháním GL 5 : pro hypoidní převody se značným namáháním GL 6 : pro hypoidní převody s velmi vysokým namáháním 35

36 6. ZÁVĚR Hlavním cílem této práce je utvořit ucelený přehled nejpoužívanějších typů převodového ústrojí, jejich funkčních vlastností a provedení. V první kapitole jsem se věnovala základnímu koncepčnímu uspořádání a výpočtům. V další kapitole jsem uvedla nejčastěji používané typy převodového ústrojí, včetně moderních automatických převodovek. Poslední kapitolu jsem věnovala problematice převodových mazacích olejů. Současný vývoj převodového ústrojí směřuje ke snižování nákladů a zvyšování efektivnosti práce. U moderních konstrukcí automatických převodovek dochází ke snižování spotřeby paliva následkem plynulejší změny převodového stupně, díky udržování otáček motoru v ideálním rozmezí. V České republice se v dnešní době u osobních automobilů stále nejvíce používají klasické manuální převodovky. Oproti USA, kde je nejpoužívanějším typem automatická převodovka. Budoucí trend postupuje k plně automatickým systémům řazení. 36

37 7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Jan, Z., Ždánský, B. Automobily 2. 3.vyd. Brno: Nakladatelství Avid s.r.o. Brno, s. Šalamoun, Č., Suchý, M., Svoboda, J., Převody mechanické a hydraulické. 1.vyd. Praha, 1991: Vydavatel České vysoké učení technické v Praze, 243 s. VLK, F. Podvozky motorových vozidel. 2. vyd. Brno, 2000: Vydavatelství Prof. Ing. F. Vlk, DrSc s. ISBN Vlk, F. Převodová ústrojí motorových vozidel. 2. vyd. Brno, 2003: Vydavatelství Prof. Ing. F. Vlk, DrSc., 312 s. ISBN Vlk, F. Převodová ústrojí motorových vozidel. 1. vyd. Brno, 2000: Vydavatelství Prof. Ing. F. Vlk, DrSc., 312 s. ISBN Historie manuálních převodovek. Databáze online. Dostupné na: Převodové oleje. Databáze online. Dostupné na: Převodovka. Databáze online. Dostupné na: Variátor. Databáze online. Dostupné na: 37

38 8. SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Uspořádání hnacího ústrojí u osobních automobilů Obrázek 2: Čelní kola - s přímými, šikmými a šípovitými zuby Obrázek 3: Kuželová kola - s přímými, šikmými, šípovitými a zakřivenými zuby Obrázek 4: Schéma tříhřídelové převodovky s popisky ozubených kol Obrázek 5: Dvouhřídelová pětistupňová převodovka Obrázek 6: Tříhřídelová převodovka čtyřstupňová převodovka Obrázek 7: Planetová převodovka Obrázek 8: Rychlostní stupně jednoduchého planetového soukolí Obrázek 9: Řez automatickou převodovkou klasické konstrukce (AutoEXPERT 1999) 26 Obrázek 10: Hydrodynamický měnič momentu: Obrázek 11: DSG převodovka, Audi Obrázek 12: PowerShift převodovka, Volvo Obrázek 13: Variátor Obrázek 14: Řez převodovkou Multitronic od Audi, ( 32 Obrázek 15: Variátor s protilehlými kuželovými koly

39 9. SEZNAM GRAFŮ Graf 1: F-v diagram pro vozidlo s dvoustupňovým převodem (Vlk, 2003) Graf 2: F-v diagram pro vozidlo s pětistupňovou převodovkou (Vlk, 2003) Graf 3: Charakteristika hydrodynamického měniče točivého momentu: SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Viskozitní klasifikace (