|
Układy automatycznego przełączania
biegów Silnik
tłokowy, benzynowy lub wysokoprężny najlepiej pracuje w wąskim zakresie
obrotów albo w ogóle przy stałych optymalnych obrotach wału korbowego.
Stąd tendencja do zwiększania liczby przełożeń, automatyzowania zmiany
biegów lub stosowania przekładni bezstopniowych. Na czym polega zmiana przełożenia w skrzyni biegów i jakie urządzenie to wykonuje? Rozpatrzmy typową skrzynkę biegów klasycznego układu napędowego; [rys. 1].
Przełożenie dla wszystkich (poza bezpośrednim) biegów do jazdy w przód realizowane jest zawsze przez zespół czterech kół zębatych. Dwa z nich stanowią tzw. przełożenie stałe [4] (zawsze zwalniające), pozostałe dwa to koła, które dobiera się według potrzeby właściwej wartości przełożenia. Łączne przełożenie dla takiego biegu jest iloczynem przełożeń poszczególnych par kół zębatych. W skrzyni biegów takiego rodzaju mamy zazwyczaj trzy do pięciu takich zestawów do wyboru. Konstrukcja skrzyni biegów w formie klasycznej nakazuje zastosowanie tylu dodatkowych par kół, ile potrzebnych jest w niej przełożeń, plus oczywiście bieg bezpośredni, który nie wymaga zastosowania żadnych kół zębatych. Wszystkie koła zębate, które są osadzone na wałku głównym [2], obracają się na nim swobodnie, ślizgowo, nie przenosząc momentu obrotowego. Gdy włączamy bieg, tylko jedno wybrane koło zębate zostaje związane z wałkiem głównym. Pozostałe koła pomimo otrzymywania napędu od wałka pośredniego [3] obracają się z innymi niż wałek główny prędkościami, ale nie przenoszą nań momentu obrotowego, ponieważ wałek główny może obracać się tylko z jedną prędkością obrotową nadaną mu przez koło włączonego biegu. Wybór właściwego przełożenia, a więc również właściwego koła zębatego, które należy połączyć z wałkiem głównym odbywa się poprzez przesunięcie tulei sprzęgającej synchronizatora [5], poprzedzone wykonaniem kilku niezbędnych czynności:
Każdy układ sterowania manualna skrzynką biegów składa się z mechanizmu zewnętrznego, znajdującego się poza obudową skrzynki biegów oraz z mechanizmu wewnętrznego, znajdującego się w samym korpusie skrzyni;[rys.2].
Wewnętrzny mechanizm zmiany biegów oparty jest niemal we wszystkich skrzynkach biegów o tę samą zasadę: na wodzikach lub jednym wspólnym wodziku (w skrzynkach przekładniowych samochodów osobowych) znajdują się widełki wyłączające [6], współpracujące bezpośrednio z tulejami sprzęgającymi synchronizatorów [5]. Widełki przesuwają się wraz z wodzikami [7] lub w przypadku niektórych skrzyń biegów samochodów osobowych suwają się na jednym wspólnym nieruchomym wodziku włączając lub wyłączając bieg. Jedne widełki obsługują jedną tuleję sprzęgającą synchronizatora [5], a więc maksymalnie dwa biegi. Aby istniała możliwość wyboru dowolnego biegu (w tym również wstecznego) wszystkie wodziki, lub w przypadku jednego wodzika – wszystkie widełki – zakończone są tzw. przesuwkami [8], czyli specjalnie wykonanymi zakończeniami umożliwiającymi poruszanie się w nich wybieraka [9]. Wybierak najczęściej osadzony jest na specjalnym wałku wybieraka [10] umieszczonym prostopadle do osi symetrii wodzików i wykonuje ruchy w dwóch stopniach swobody – może suwać się wzdłuż osi symetrii wałka oraz obracać się wokół niego w pewnym zakresie tego obrotu. Te ruchy są niezbędne do wybrania właściwej przesuwki, a następnie do wybrania na niej jednego z dwóch biegów. Wszystkie opisane wyżej czynności wykonuje kierowca po dokonaniu niezbędnej analizy sytuacji na drodze. Uwzględnia przy tym szereg czynników , z których najistotniejsze to: opory toczenia pojazdu (obciążenie pojazdu, rodzaj drogi itp.), aktualna chwilowa prędkość obrotowa wału korbowego silnika (jeśli w pojeździe jest obrotomierz, to z jego wskazań, jeśli go nie ma, to „na wyczucie”), aktualnie wybrany bieg, ocena chwilowej sytuacji na drodze czyli potrzeba wyboru innego niż jest przełożenia – redukcja lub podwyższenie biegu. I tutaj przechodzimy do sedna problemu. Do tej pory kierowca musiał sam osobiście wykonać wszystkie te operacje. Teraz może zrobić to za niego ta sama tradycyjna skrzynka biegów przy pomocy odpowiednich siłowników (pneumatycznych lub elektromagnetycznych) obsługujących dwa opisane wyżej stopnie swobody wybieraka [9] oraz siłownika uruchamiającego sprzęgło cierne. Układ automatycznego przełączania jest zawsze urządzeniem dodatkowym, znajdującym się na zewnątrz skrzynki biegów. Oczywiście należy sobie zdać sprawę z tego, że same siłowniki są ślepe. Nie wiedzą kiedy i w którym kierunku mają zadziałać. A więc potrzebny jest odpowiedni układ analizujący i wykonawczy. Wykorzystuje on sygnały czujników albo realizuje decyzje kierowcy. Same przełączenia następują wewnątrz skrzyni identycznie, jak przy ręcznej zmianie biegów. Wobec automatycznej skrzyni biegów przewaga jest ogromna – nie ma strat na przekładni hydrokinetycznej, a jednocześnie kierowca ma do dyspozycji automat, który pozwala mu na pełną kontrolę nad zachowaniami samochodu. Układ działa niezawodnie pod warunkiem, że siłowniki zmieniające biegi działają szybko, a oprogramowanie i rozwiązania techniczne urządzenia sterującego pozwalają na ręczne wydawanie komend automatowi. W automatycznych skrzyniach biegów nie występują przerwy w działaniu siły napędowej podczas zmiany przełożeń. W opisywanym rozwiązaniu dodatkowe urządzenia przełączające, pracujące z regulacją elektroniczną, skracają do absolutnego minimum przerwę niezbędną do zmiany przełożenia, tak, że doświadczony kierowca może ją zauważyć w sprzyjających warunkach. Przykładem tak działającego systemu – w grupie samochodów użytkowych - może być układ Geatronic szwedzkiej firmy Volvo. Zastosowana w nim skrzynia przekładniowa jest zwykłą skrzynią mechaniczną typu SR 1700 o trzech biegach podstawowych, zintegrowaną z dwubiegowym zespołem zmiany rozpiętości przełożeń (multiplikator) i dwubiegowym zespołem zmiany zakresu przełożeń, co pozwala uzyskać 12 biegów w jeździe do przodu. Zmiany biegów realizowane są tutaj przez siłowniki pneumatyczne. Dopływ i odpływ powietrza sterowany jest zaworami elektromagnetycznymi, otwierającymi się pod wpływem otrzymywanych impulsów elektronicznych. Elektronicznym zarządzaniem objęte jest również sprzęgło rozłączane siłownikiem pneumatycznym. W przypadku ręcznego albo automatycznego wyboru biegu sprzęgło się rozłącza, a po dodaniu gazu w celu ruszenia lub kontynuacji jazdy ponownie się włącza. Włączenie sprzęgła następuje zawsze samoczynnie (nie ma pedału sprzęgła w kabinie) i z uwzględnieniem obrotów silnika oraz bieżących oporów jazdy. Geatronic połączony jest z regulatorem prędkości jazdy, znanym pod różnymi nazwami, takimi jak: Tempomat, Tempostat, Cruise Control itp. Stałą prędkość jazdy można zaprogramować na dwa sposoby: albo wpisując do pamięci aktualną prędkość jazdy, albo nastawiając pożądaną prędkość przyciskiem. Sterownik elektroniczny układu Geatronic komunikuje się z centralną jednostką sterującą silnika, uzyskując dzięki temu takie dane, jak ciśnienie w kolektorze dolotowym, temperatura powietrza dolotowego, temperatura płynu chłodzącego i prędkość obrotowa silnika, przydatne do podjęcia decyzji o zmianie biegu. Wyświetlacz umieszczony na tablicy wskaźników pokazuje numer aktualnie użytkowanego biegu oraz realizowany program jazdy. Wygląd zewnętrznego mechanizmu wykonawczego przełączania biegów Scania przedstawia rys. 3.
W grupie samochodów osobowych, gdzie często mamy do dyspozycji zblokowany układ napędowy, również wprowadzono zautomatyzowanie tradycyjnej mechanicznej skrzynki biegów. Zastosowano tutaj wykonawczy układ elektryczny ze znacznym wykorzystaniem „myślącej” elektroniki. Taką skrzynię mają m.in. Alfa Romeo (system Selespeed)[rys.4].
BMW (system Drivelogic) i Mercedes (system Sequentronic)[rys.5].
Firma Renault zaproponowała swoim klientom podobne rozwiązanie zainstalowane na pięciostopniowej skrzyni biegów z urządzeniem zmieniającym te biegi samoczynnie albo ręcznie – na życzenie kierowcy. Urządzenie to nazwano Quick-shift, a zastosowano je w modelu Twingo Cinetic [rys. 6].
Firma Opel zastosowała automatyzację skrzyni biegów pod nazwą Easytronic w modelu Corsa C oraz w modelu Astra III pod nazwą MTA (Manual Transmission Automatically Shifted). [Rys. 7] przedstawia uproszczony widok skrzyni easytronic.
W tradycyjnej, manualnej skrzyni biegów zamontowano dodatkowe następujące moduły: 1. moduł automatycznego uruchamiania sprzęgła, składający się z pompy hydraulicznej napędzanej krokowym silnikiem elektrycznym poprzez przekładnię ślimakową i układ korbowy. Moduł ten tłoczy płyn hydrauliczny (zastosowano płyn hamulcowy) ze zbiornika do siłownika łożyska wyciskowego sprzęgła; 2. moduł przełączania biegów, składający się z dwóch krokowych silników elektrycznych. Pierwszy z nich poprzez przekładnię ślimakową przesuwa poosiowo popychacz selekcji położenia wybieraka, drugi natomiast również poprzez przekładnię ślimakową obracając się w lewo lub w prawo przesuwa wybierak w pozycję biegu. Ruchy poszczególnych elementów układu sterującego zaznaczono strzałkami. 3. elektroniczny moduł sterujący MTA, który zamontowano w module sprzęgła. Układ MTA automatycznie steruje sprzęgłem i zmienia biegi według zadanego programu, zapisanego w pamięci modułu sterującego MTA. Za pomocą szyny CAN moduł sterujący MTA jest elektrycznie połączony z modułami sterującymi: o silnikiem o ABS lub ABS i Traction Control o modułem BCM o zestawem wskaźników Dzięki temu mogą być wymieniane niezbędne dane, np. o oporach ruchu, prędkości pojazdu i innych parametrach jazdy. Zamiast dźwigni zmiany biegów zastosowano elektroniczną dźwignię selekcyjną, która komunikuje się z modułem sterującym MTA przez szeregowy interfejs. W modelu Astra możliwe jest przełączanie biegów za pomocą opcjalnie dostarczanego mechanizmu zmiany biegów na kole kierownicy Active Selekt. W tym przypadku odpowiedni sygnał magistrali jest przekazywany z CIM do modułu sterującego MTA. Dźwignia zmiany biegów pracuje w układzie przedstawionym na [rys. 8] i [rys. 9].
Wybór trybu automatycznego odbywa się przez lekkie przesunięcie dźwigni w lewo. Na wyświetlaczu pojawi się „A”(Corsa) lub „A1”(Astra). Jeśli kierujący chce przejść do trybu manualnego, przesuwa kolejny raz lekko dźwignię zmiany biegów w lewo, na wyświetlaczu pojawia się „M” oraz numer włączonego biegu. Przesunięcie dźwigni do „+” podwyższa bieg, w kierunku do „-„ redukuje na niższy. Przesunięcie dźwigni w prawo wybiera „N”, czyli rozłącza napęd. Ruch dźwigni z wciśniętym guziczkiem w kierunku „R” włącza bieg wsteczny. Ciekawym rozwiązaniem w modelu Astra III jest dodatkowy tryb pracy z programem zimowym. Jego uruchomienie polega na wciśnięciu przycisku * (z gwiazdką) co powoduje, że ruszanie pojazdu odbywa się domyślnie na drugim biegu, zapobiegając poślizgowi kół jezdnych. Na wyświetlaczu pojawia się wówczas „A2”. W pojeździe zastosowano również rozwiązanie znane z pojazdów wyposażonych w automatycznie skrzynie biegów – kickdown. Jeżeli pedał przyspieszenia zostanie gwałtownie wciśnięty do dołu, to poniżej określonej prędkości jazdy i prędkości obrotowej wału korbowego silnika skrzynia biegów przełącza się na niższy bieg. Można wówczas wykorzystać pełną moc silnika w celu gwałtownego przyspieszenia. W trybie kickdown ręczna zmiana biegów nie jest możliwa. Przy zbliżeniu się do górnej granicy prędkości obrotowej silnika skrzynia biegów w trybie kickdown przełącza się na wyższy bieg, również w trybie ręcznym. Bez trybu kickdown automatyczne przełączanie w trybie ręcznym nie byłoby możliwe. Ciekawą propozycją dla klientów jest Citroen C3 ze zautomatyzowaną skrzynią biegów SensoDrive. [rys. 10]
Podobnie jak w omawianym wyżej można wyróżnić tu zastosowanie trzech modułów: 1. moduł automatycznego uruchamiania sprzęgła, składający się z urządzenia mechanicznego napędzanego silnikiem elektrycznym, wyposażonego w układ kompensacji zużycia sprzęgła, działający na tradycyjne widełki wyłączające i łożysko wyciskowe; 2. urządzenie wykonawcze skrzynki biegów, wyposażone w dwa silniki elektryczne z wbudowanymi czujnikami położenia, system przełożenia sił i układ mechanizmów, układ „rampy”, umożliwiający równoczesny wybór i włączanie biegu. 3.moduł sterownika elektrycznego zwany tu kalkulatorem. Kalkulator jest typu Flash EEPROM z możliwością zdalnego programowania za pomocą przyrządów Lexia lub Proxia. Spełnia on następujące funkcje: o zmiana przełożenia w drodze sterowania elektrycznego urządzeń wykonawczych; o Sterowanie i autoadaptacyjność procesu zmiany biegów w trybie AUTO ; o zapamiętywanie charakterystyk urządzeń wykonawczych w procesie uczenia; o sterowanie wyświetlaniem w zestawie wskaźników; o dialog poszczególnych kalkulatorów w sieci CAN ; o autodiagnostykę i tryb awaryjny. Ponadto układ sterowania skrzynki biegów wykorzystuje następujące elementy: [rys. 11] o czujnik obrotów wejściowych skrzynki biegów o selektor biegów o małym skoku o przełączniki biegów przy kierownicy i nastawnik programu o wyświetlacz w zestawie wskaźników o specjalny kalkulator sterujący silnikiem, prowadzący dialog z kalkulatorem skrzynki biegów.
Działanie urządzenia jest dość podobne do omawianego wcześniej easytronic. Istotne różnice skupiają się na: 1. rozwiązaniu mechanizmu wyłączania sprzęgła opartego tu na zastosowaniu układu mechanicznego uruchamianego silnikiem elektrycznym; 2. zastosowaniu przełącznika wyboru trybu pracy Auto/Manual poza dźwignią zmiany biegów; 3. zastosowaniu magnetycznego czujnika obrotów wejściowych skrzyni biegów, wykorzystującego zęby koła drugiego biegu; 4. kalkulator w programie Auto posiada oprogramowanie do jazdy ekonomicznej, sportowej, na śniegu, podjazdu pod górę i zjazdu w dół. Podobnie jak w poprzednim rozwiązaniu pojazd posiada funkcję kickdown, ponadto w trybie Auto podczas poślizgu kół (informacja z ABS) wynikającego z sytuacji na drodze lub hamowania, następuje automatyczny wybór programu „śnieg” i redukcja na bieg niższy. W obu przypadkach – ręcznego lub automatycznego wyboru przełożeń - ruchy wybieraka w skrzyni biegów są obsługiwane przez elektryczne siłowniki otrzymujące sygnał z dźwigni zmiany biegów lub z komputera. Cierne sprzęgło uruchamiane jest w obu przypadkach siłownikiem sterowanym automatycznie, nie jest więc potrzebny pedał sprzęgła. W omawianych rozwiązaniach, ze względu na zastosowaną automatykę, pedału sprzęgła po prostu nie ma. Podczas rozruchu silnika sprzęgło automatycznie zostaje rozłączone. Nowatorskie rozwiązanie zautomatyzowanej tradycyjnej skrzyni biegów ma jeszcze jedną bardzo ważną zaletę. Polega ona na możliwości hamowania silnikiem – naturalnej dla takich konstrukcji – w przeciwieństwie do automatycznej, planetarnej skrzyni biegów wyposażonej w przekładnię hydrokinetyczną, gdzie hamować silnikiem raczej się nie uda. Wszystkie wytwarzane obecnie układy automatycznego przełączania biegów sprawują też pewną kontrolę nad prawidłowością decyzji kierowcy i odmawiają wykonania nadmiernej redukcji przełożenia albo przełączania na bieg zbyt wysoki. Analizują również polecenia sprzeczne i dokonują optymalnego wyboru trybu pracy.
Komentarze użytkowników omawianych rozwiązań
na licznych forach internetowych wymownie świadczą, że mimo wielu
problemów technicznych, które i tak występują w pojazdach, rozwiązanie ze
zautomatyzowaną manualną skrzynką biegów cieszy się dużym
zainteresowaniem. Użytkownicy podkreślają walory takich pojazdów
szczególnie w ruchu miejskim, w którym wygoda obsługi jest nie do
przecenienia, szczególnie podczas ruchu w korkach w godzinach szczytu
komunikacyjnego. |
