Zasady projektowania, budowa i eksploatacja Automatycznych skrzyni biegów

Streszczenie

W trakcie trwającego nieprzerwalnie od ponad stu lat rozwoju motoryzacji do-Ğwiadczamy progresywnych zmian w konstrukcji systemu przeniesienia napĊdu. Istotnym punktem tych zmian są skrzynie przekładniowe. W dziedzinie rozwoju tego rodzaju mechanizmów waĪnym punktem było opracowanie takiej, która w sposób samoczynny i upraszczający prowadzenie pojazdu bĊdzie dokonywała doboru prze-łoĪeĔ.

W opracowaniu opisany został od strony technicznej układ napĊdowy pojazdu osobowego, a w szczególnoĞci współpraca silnika spalinowego ze skrzynią biegów. Podane zostały podstawowe zasady projektowania nowoczesnych skrzyni przekła-dniowych oraz przykładowe badania, pozwalające oceniü stan techniczny skrzyni biegów bazując na analizie wybranych parametrów olejów ATF.

Słowa kluczowe: automatyczna skrzynia biegów, współpraca silnika ze skrzynią biegów, zasady projektowania ASB

1. WstĊp

Podstawową wadą pierwszych samochodów był mały moment obrotowy generowany przy ni-skich obrotach silnika. ÓwczeĞni inĪynierowie doskonaląc pojazd samochodowy zastosowali po-czątkowo sprzĊgło, a nastĊpnie sprzĊgło i skrzynkĊ biegów (SB).

Pierwszą skrzynkĊ biegów (była to skrzynka trzystopniowa) skonstruował i zastosował w 1891 roku, w swoim pojeĨdzie, napĊdzanym dwucylindrowym silnikiem 1.2 V2 francuski konstruktor René Panhard. Opracowana przez Francuza SB jest protoplastą obecnie produkowanych skrzynek mechanicznych. Jej konstrukcja nie była wielce skomplikowana: na dwóch wałkach zostały zamo-cowane koła zĊbate o prostych zĊbach i róĪnych Ğrednicach. Niektóre z nich miały moĪliwoĞü przesuniĊcia ich wzdłuĪ osi wałka i zazĊbienie z kołem umocowanym na wałku sąsiednim co umoĪliwiało zmianĊ poszczególnych przełoĪeĔ. NapĊd na koła tylne przenoszony był za pomocą przekładni łaĔcuchowej. Skrzynka nie posiadała synchronizatorów, co w konsekwencji wymagało do ich obsługi wysokich zdolnoĞci, stąd funkcjĊ kierowcy mogły pełniü tylko wysokokwalifikowa-ne osoby. Aby maksymalnie uproĞciü funkcje związawysokokwalifikowa-ne z prowadzeniem pojazdu usilnie moderni-zowano skrzynki biegów. W roku 1904 w warsztacie braci Sturtevant w Bostonie (USA) opraco-wano prekursorskie rozwiązanie ʊ automatyczną skrzynkĊ biegów (ASB) [10]. Miała ona dwa biegi do jazdy w przód i sterowanie za pomocą mechanizmu odĞrodkowego. Gdy obroty silnika rosły, nastĊpowało samoczynne przełączenie z biegu niĪszego na wyĪszy, gdy spadały –

mecha-nizm włączał niĪszy bieg. Konstrukcja była bardzo zawodna, głównie z powodu niskiej jakoĞci materiałów, którymi dysponowali jej twórcy. Budując w kilka lat póĨniej swój model T, Henry Ford zdawał sobie sprawĊ z niskiej kultury technicznej ówczesnych kierowców i zaprojektował dla nich SB z przekładnią planetarną, o dwóch biegach do jazdy w przód i z biegiem wstecznym, ste-rowaną pedałami, wiĊc nie w pełni automatyczną, ale niebywale prostą w obsłudze. Wielki znawca motoryzacji, inĪynier Witold Rychter, wspominał w jednej ze swoich ksiąĪek, Īe bez niczyjej po-mocy opanował prowadzenie Forda T w pół godziny [6].

Automatyczne skrzynki biegów w najprostszym wydaniu składały siĊ z: ʹ sprzĊgła hydraulicznego,

ʹ oraz przekładni planetarnej.

W okresie miĊdzywojennym firmy REO i General Motors opracowały systemy półautoma-tyczne, w których tradycyjne sprzĊgło współpracowało z przekładnią planetarną o sterowaniu hy-draulicznym. Chrysler natomiast szedł zupełnie inną drogą, stosując samoczynne sprzĊgło hydrau-liczne w połączeniu z mechaniczną przekładnią. Z podłogi przed kierowcą zniknął jeden pedał, ale drąĪek zmiany biegów pozostał. Połączenie obu pomysłów było juĪ tylko kwestią czasu [6].

W 1939 roku GM wprowadził w marce Oldsmobile automatyczną skrzynkĊ Hydra-Maticz samoczynną zmianą czterech przełoĪeĔ w zaleĪnoĞci od prĊdkoĞci jazdy, uchylenia przepustnicy oraz warunków drogowych. Dopłata do ASB w stosunku do klasycznej przekładni nie była wyso-ka, wynosiła zaledwie 57$. Spowodowało to błyskawiczny wzrost sprzedaĪy ASB w Stanach Zjed-noczonych. Sam tylko Oldsmobile sprzedał w latach piĊüdziesiątych milion pojazdów wyposaĪo-nych w skrzynkĊ Hydra-Matic [8, 6, 14]. LicencjĊ na tĊ przekładniĊ kupiło od GM wiele firm, łącznie z Rolls-Royce’em. Gdy w roku 1948 w Buicku Dynaflow zastosowano tzw. przemiennik momentu obrotowego, znacznie doskonalszy od prostego sprzĊgła hydraulicznego, wstĊpny etap rozwoju planetarnej przekładni automatycznej dobiegł koĔca [7].

W Europie skrzynki automatyczne nie cieszyły siĊ tak duĪym powodzeniem. Europejscy kie-rowcy byli i są bardzo wybredni. Nie wystarcza im mechanizm samoczynnie dobierający przełoĪe-nia z prostym sterownikiem „P-R-N-D”. Europejczycy chcieli skrzynkĊ dającą im szanse na spor-tową lub górską jazdĊ serpentynami z moĪliwoĞcią rĊcznej zmiany biegów, chcieli czerpaü przy-jemnoĞü z jazdy. Skrzynka musiała takĪe dawaü moĪliwoĞü ciągniĊcia np. przyczepy za samocho-dem. To wszystko wymusiło na konstruktorach dalszy rozwój skrzynek automatycznych. Szybko rozwijająca siĊ na całym ĝwiecie motoryzacja rodziła coraz to nowe rozwiązania. Do klasycznych przełoĪeĔ „P-R-N-D” przez lata dokładano nowe funkcje, miĊdzy innymi tryb LOW do jazdy pod górĊ lub ruszania pod obciąĪeniem, np. z załadowaną przyczepą; tryb sportowy wymuszający na skrzynce póĨną zmianĊ biegów;tryb zimowy zmniejszający uĞlizgi kół; czy teĪ tryb do jazdy eko-nomicznej, powodujący małą dynamikĊ pojazdu.

2. Zasada działania skrzynki biegów

Skrzynką biegów nazywa siĊ zespół mechanizmów słuĪących do uzyskiwania zmian przełoĪeĔ dynamicznych i kinematycznych, pomiĊdzy wałem korbowym silnika i przekładnią główną chodu umoĪliwiając szeroki zakres zmiany mocy silnika oraz zabezpieczający moĪliwoĞci samo-chodu do [3, 4]:

ʹ ruszenia z miejsca w (okreĞlonych warunkach); ʹ poruszania siĊ z załoĪoną prĊdkoĞcią maksymalną;

ʹ jazdĊ do przodu i do tyłu oraz trwałe odłączenie wału korbowego silnika (praca silni-ka na biegu luzem);

ʹ optymalizacjĊ ekonomiki eksploatacji;

ʹ optymalizacjĊ ergonomii i łatwoĞü posługiwania siĊ systemem sterowania samocho-dem.

Automatyczna zmiana przełoĪeĔ uzyskiwana w ASB znacznie ułatwia jazdĊ w ulicznych kor-kach; wystarczy zmniejszyü nieco nacisk na pedał hamulca, by auto samo toczyło siĊ do przodu. Nie trzeba co chwila włączaü pierwszego biegu i koncentrowaü siĊ na operowaniu sprzĊgłem, nie ma równieĪ ryzyka przypadkowego zgaszenia silnika.

Współczesne przekładnie automatyczne to skomplikowane urządzenia, składające siĊ z kilku-set elementów systemu mechaniczno-hydraulicznego i kolejnych kilkukilku-set w module elektronicz-nym. Dawne konstrukcje o trzech lub czterech przełoĪeniach zastąpiły skrzynki szeĞcio-, siedmio-, a nawet oĞmiobiegowe, których pracĊ kierowca moĪe dostosowywaü do swoich upodobaĔ, a elek-tronika sterująca przekładnią sama analizuje styl jazdy kierowcy i odpowiednio dostosowuje do niego swoje parametry. Nowoczesne ASB dają moĪnoĞü hamowania silnikiem, co w starszych, klasycznych skrzynkach było nieosiągalne [7].

Rysunek 2. Przekrój przez 7 – stopniową skrzynkĊ Audi S-Tronic ħródło: Opracowanie własne.

Obecnie, na rynku klientom oferowana jest bogata gama ASB, poza klasycznymi stopniowymi przekładniami AT są przekładnie ze zwykłym sprzĊgłem i mechaniczną skrzynką biegów, ale z samoczynnym, elektrohydraulicznym sterowaniem, a w ostatnich latach rynek zdobywają elek-tronicznie sterowane przekładnie dwusprzĊgłowe (rysunek 2). To jakby dwie skrzynki biegów we wspólnej obudowie, z których jedna obsługuje biegi nieparzyste, a druga – parzyste. DziĊki współ-pracy obu sprzĊgieł zmiana dokonuje siĊ błyskawicznie, wrĊcz nieodczuwalnie dla jadących, a zu-Īycie paliwa jest niĪsze niĪ w samochodzie z klasycznym układem napĊdowym [7].

Coraz surowsze normy czystoĞci spalin i koniecznoĞü oszczĊdzania paliwa implikują rosnącą popularnoĞü pojazdów hybrydowych i elektrycznych, powodując tym samym, Īe samochody z ma-nualną skrzynką zmiany biegów i trzema pedałami wychodzą z uĪytku. JuĪ teraz 90% klientów w USA i Kanadzie, a 95% w Japonii wybiera pojazdy z ASB. W Europie zaledwie 20%, ale z kaĪ-dym rokiem widoczny jest duĪy progres, wskazujący na rosnącą liczbĊ klientów wybierających zamiast manualnej, automatyczną skrzynkĊ.

2.1. PrzełoĪenia skrzynki biegów

Na znajdujący siĊ w ruchu pojazd działają dwie, znajdujące siĊ w równowadze siły [9]: ʹ siła napĊdowa F

ʹ oraz siła oporów ruchu pojazdu F0.

Siła napĊdowa jest otrzymywana na kołach napĊdzanych samochodu w wyniku obracania ich momentem napĊdowym przenoszonym od silnika do kół pojazdu przez mechanizmy napĊdowe. Siła ta, działająca zawsze w kierunku ruchu pojazdu, jest równa (rysunek 5) [9]:

(1)

gdzie: M — moment napĊdowy na kole; r — promieĔ kola.

Siła napĊdowa działająca na samochód jest sumą sił napĊdowych działających na wszystkie kola napĊdzane. Dodatkowo działają jeszcze: siła nacisku masy pojazdu na podłoĪe N oraz siła tarcia tocznego Ft [9].

Na siłĊ oporów ruchu składa siĊ kilka czynników, a mianowicie [9]:

ʹ opory toczenia, wynikające ze współpracy ogumionych kół pojazdu z nawierzchnią drogi;

ʹ opory powietrza, wywołane parciem powietrza na powierzchniĊ czołową pojazdu podczas jego ruchu;

ʹ opory wzniesienia, działające na pojazd podczas jazdy pod górĊ;

ʹ opory bezwładnoĞci, działające wtedy, gdy pojazd porusza siĊ ruchem przyspieszo-nym.

Rysunek 5. Siły w kole: F- siła napĊdowa, F0- siła oporów ruchu pojazdu, Ft- siła tarcia tocznego, N - siła nacisku masy pojazdu na podłoĪe, M- moment napĊdowy na kole, r- promieĔ kola ħródło: [27].

WartoĞü momentu, który trzeba przyłoĪyü do kół napĊdzanych samochodu, zaleĪy od aktual-nych oporów ruchu pojazdu. RozwaĪając wartoĞci, jakie moĪe osiągnąü prĊdkoĞü obrotowa silnika n oraz odpowiadający jej zakres momentu obrotowego silnika M0, łatwo stwierdziü, Īe wartoĞci te nie odpowiadają zakresowi prĊdkoĞci obrotowej kół samochodu, ani zakresowi momentu M po-trzebnego do pokonania oporów ruchu. PrĊdkoĞü obrotowa silnika jest kilkakrotnie wiĊksza niĪ prĊdkoĞü obrotowa kół napĊdzanych n, natomiast moment obrotowy silnika M0 jest kilkakrotnie mniejszy niĪ moment potrzebny na kołach do pokonania oporów ruchu przy stałej prĊdkoĞci po-jazdu [9].

NiezbĊdne jest zwiĊkszenie momentu obrotowego silnika, przy jednoczesnym zmniejszeniu prĊdkoĞci obrotowej. Uzyskuje siĊ to przez zastosowanie przekładni głównej, stanowiącej jeden z mechanizmów przeniesienia napĊdu. DziĊki temu moment na kołach i prĊdkoĞü obrotowa kół wynoszą odpowiednio [9]:

(2) gdzie: is — stałe przełoĪenie przekładni głównej,

JeĪeli pojazd bĊdzie zmuszony do pokonania narastającego wzniesienia drogi, wzrastając bĊdą opory ruchu. Na rysunku 6 zmienne wzniesienie drogi przedstawia pĊk krzywych oporów ruchu. WartoĞci wzniesienia są podane w procentach. Ze wzrostem oporów ruchu (wzrost pochyłoĞci dro-gi) maleje prĊdkoĞü, przy której zachodzi równowaga miĊdzy siłą napĊdową, a siłą oporów ruchu (punkty A, B, C. D), a wiĊc maleje prĊdkoĞü samochodu. Punkt E wyznacza najmniejszą prĊdkoĞü, przy której jest jeszcze moĪliwa równowaga tych sił. Przy jeszcze mniejszej prĊdkoĞci jazdy lub przy jeszcze wiĊkszych oporach ruchu niedobór siły napĊdowej (niedobór momentu) na kołach spowoduje zatrzymanie siĊ pojazdu [9].

Rysunek 6. a) wykres sił napĊdowych i sił oporów ruchu, zmiana oporów wzniesienie; b)wykres sił napĊdowych i sił oporów ruchu, zmiana siły napĊdowej na róĪnych biegach ħródło: [9].

Zapobiega temu zastosowanie skrzynki biegów zapewniającej odpowiednie dodatkowe przełoĪenie (rysunek 6b). ZwiĊkszenie przełoĪenia miĊdzy silnikiem, a kołami powoduje wzrost momentu na kołach kosztem zmniejszenia prĊdkoĞci obrotowej kół, czyli kosztem zmniejszenia prĊdkoĞci jazdy (krzywa II biegu). Pomimo zmniejszenia prĊdkoĞci jazdy silnik nadal pracuje wniezmienionym zakresie prĊdkoĞci obrotowej. Ponowne zwiĊkszenie przełoĪenia (krzywa I biegu) powoduje znaczne zmniejszenie moĪliwoĞci zakresu prĊdkoĞci jazdy, lecz równie znacznie zwiĊksza siłĊ napĊdową pojazdu. Krzywa III biegu okreĞla siłĊ napĊdową na najwyĪszym biegu, czyli zazwyczaj bez zmiany przełoĪenia (tzw. bieg bezpoĞredni). Na tym biegu warunki jazdy są takie, jak by silnik był połączony z przekładnią główną z pominiĊciem skrzynki biegów [9].

Zastosowanie zmiennych przełoĪeĔ w układzie napĊdowym znakomicie ułatwia ruszanie irozpĊdzanie pojazdu, umoĪliwiając znaczne zwiĊkszenie siły napĊdowej przy niewielkich prĊdkoĞciach jazdy. UĪycie podczas ruszania I biegu (w warunkach przedstawionych na rysunku 6b) zapewnia moĪliwoĞü całkowitego sprzĊgniĊcia wału korbowego silnika z dalszą czĊĞcią układu napĊdowego (bez poĞlizgu sprzĊgła) juĪ przy prĊdkoĞci pojazdu około 8 km/h, podczas gdy sprzĊgniĊcie takie na III biegu byłoby moĪliwe dopiero przy prĊdkoĞci około 25 km/h. DziĊki temu sprzĊgło pracuje w znacznie lĪejszych warunkach [9].

2.2. Budowa i zasada działania przekładni planetarnej

W przekładniach planetarnych (przekładnia zĊbata, w której jedno lub wiĊcej kół nie ma usta-lonej osi obrotu) uzyskuje siĊ zmianĊ biegów bez przerwy w przekazywaniu napĊdu. Zapewnia to płynny rozbieg i samochód jest bardziej zrywny, ułatwia automatyzacjĊ przełączania biegów i po-zwała na eliminacjĊ sprzĊgła z układu napĊdowego. Ponadto istotną zaletą planetarnych skrzynek biegów jest cichobieĪnoĞü i duĪa trwałoĞü wynikająca ze stałego zazĊbienia kół zĊbatych [3, 13].

Przekładnia obiegowa (pojedynczy rząd planetarny) ʊ rysunek 8 składa siĊ z kół głównych 1 i 3 (zwanych takĪe centralnymi lub słonecznymi) oraz kół obiegowych 2 (planetarnych) zainstalo-wanych na jarzmie 4. Kół obiegowych jest zwykle para lub wiĊcej. W przekładni takiej mamy trzy moĪliwoĞci przeniesienia mocy, a co za tym idzie trzy róĪne wartoĞci przełoĪenia[13]:

1. Jarzmo 4 jest unieruchomione – napĊd przenoszony jest z koła 1 na koło 3 za po-Ğrednictwem kół obiegowych 2, w tym przypadku ze stałymi osiami.

(3) 2. Koło 3 jest unieruchomione – napĊd przenoszony jest z koła 1 na jarzmo 4, za

poĞrednictwem kół obiegowych 2.

(4) 3. Koło 1 jest unieruchomione – napĊd przenoszony jest z koła 3 na jarzmo 4, za

poĞrednictwem kół obiegowych 2.

(5) Przekładnia obiegowa moĪe uzyskaü duĪo wiĊksze przełoĪenia niĪ zwykła przekładnia zĊbata. Przekładnia taka jest powszechnie stosowana w automatycznych skrzynkach biegów.

Rysunek 8. Schemat przekładni obiegowej ħródło: [13].

Zmiana przełoĪenia kinematycznego w układzie napĊdowym samochodu umoĪliwia ruch sa-mochodu w duĪym przedziale prĊdkoĞci oraz zmianĊ kierunku prĊdkoĞci obrotowej wału napĊdo-wego w celu jazdy samochodu do tyłu, a takĪe trwałe odłączenie silnika od mechanizmów napĊ-dowych przy uruchamianiu silnika spalinowego i jego pracy na biegu jałowym w czasie krótko-trwałych postojów samochodu [3].

Skrzynki biegów stopniowe są sterowane rĊcznie przez kierowcĊ, półautomatycznie lub auto-matycznie. Manualnie sterowanie zmiany biegów polega na wybraniu przez kierowcĊ biegu

i chwili jego włączenia, a czynnoĞci przełączenia dokonuje on siłą swych miĊĞni. Przy półau-tomatycznym sterowaniu zmiany biegów wybór biegu oraz chwila jego włączenia zaleĪą od kie-rowcy, a czynnoĞü włączania jest wykonywana przez niego minimalnym wysiłkiem fizycznym [3].

W celu zapewnienia łatwoĞci i szybkoĞci przełączanie biegów, bez wywoływania dodatko-wych obciąĪeĔ dynamicznych i cichobieĪnoĞci pracy nowoczesne skrzynki biegów są konstruowa-ne jako przekładnie wyposaĪokonstruowa-ne w przekładnie kół zĊbatych o specjalnym profilu i gładkoĞci zĊ-bów w celu zapewnienia maksymalnej cichobieĪnoĞci o kołach zĊbatych zazĊbionych na stałe. Za-łączenie (wyłączanie) właĞciwego przełoĪenia (biegu) odbywa siĊ za pomocą tulei przesuwnej (sprzĊgła kłowego) lub za pomocą synchronizatora. Zadaniem synchronizatora jest szybkie wy-równanie prĊdkoĞci elementów łączących sprzĊgła kłowego z elementami załączanej przekładni (kola zĊbatego) i załączenia sprzĊgła kłowego dopiero po wyrównaniu prĊdkoĞci obrotowych łą-czonych elementów [3].

2.3. Sterowanie automatyczną skrzynką biegów

Kierowca wprowadza bezpoĞrednio do sterownika skrzynki sygnały z dĨwigni zmiany biegów. Automatycznie wprowadzana jest temperatura oleju przekładniowego, obroty wału turbiny i wału wyjĞciowego skrzyni biegów (sygnał prĊdkoĞci pojazdu) [3].

Realizowany przez sterownik zakres pracy skrzynki biegów jest monitorowany za pomocą wy-Ğwietlacza w oknie tekstowym zestawu wskaĨników lub za pomocą okienek podĞwietlanych, znaj-dujących siĊ obok dĨwigni wybieraka zakresu pracy automatycznej skrzyni biegów (rysunek 9) [3]. Uruchamianie silnika jest moĪliwe tylko na zakresie P, ale wyjĞcie z zakresu P i przejĞcie przy juĪ pracującym silniku do zakresu N jest moĪliwe pod warunkiem naciĞniĊcia do oporu pedału hamulca. Na zakresie pracy N moĪna zwolniü pedał hamulca. Jednak w kaĪdym przypadku, gdy chcemy załączyü dowolny zakres pracy skrzyni biegów P, R, N, D lub przejĞü na wybieranie tak zwane „impulsowe”, naleĪy w pełni załączyü hamulec roboczy. Wybór sterowania impulsowego wykonuje siĊ przez ustawienie dĨwigni w połoĪeniu D i przesuniĊciu jej w prawo. Przesuwając dĨwigniĊ do tyłu na wyĞwietlaczu zamiast oznaczenia funkcji D wyĞwietlony zostanie numer załą-czonego biegu. Zwalniając hamulec pojazd rusza. Samochód moĪe rozpoczynaü jazdĊ na biegach 1, 2 i 3. Sterowanie impulsowe pozwała na wybranie przełoĪenia zgodnie z Īyczeniem kierowcy. ZmianĊ biegów w czasie pracy w zakresie impulsowym, przyspieszanie samochodu uzyskuje siĊ przez przesuwanie stopniowe dĨwigni aĪ do najwyĪszego biegu. RedukcjĊ biegów wykonuje siĊ przesuwając dĨwigniĊ w kierunku symbolu „ʊ”. W czasie pracy na zakresie impulsowym sterow-nik skrzynki biegów moĪe uniemoĪliwiü lub narzuciü wybór biegu w zaleĪnoĞci od sytuacji jeĪeli prĊdkoĞü obrotowa silnika zbliĪa siĊ do obrotów maksymalnych, w skrzyni zostaje załączony wyĪ-szy bieg lub jeĪeli prĊdkoĞü obrotowa silnika zbliĪa siĊ do obrotów minimalnych, w skrzyni zostaje załączony niĪszy bieg [3].

Na wprowadzenie przez kierowcĊ sprzecznej z algorytmem systemu sterowania komendy ste-rownik reaguje, informując kierowcĊ parosekundowym mruganiem wyĞwietlacza i nie realizuje zadanego błĊdnie zakresu pracy, pozostając na dotychczasowym zakresie lub przechodzi automa-tycznie na inny optymalny z punktu widzenia programu. Sterownik ma „programy przystosowaw-cze”, które na podstawie pewnych mierzonych na bieĪąco parametrów pracy korygują

automatycz-nie np. wartoĞci ciĞautomatycz-nieĔ załączania, które trzeba zastosowaü, poautomatycz-niewaĪ nastąpiło zuĪycie uszczel-nienia siłownika i Īeby uzyskaü ten sam czas przełączania biegu naleĪy zwiĊkszyü ciĞnienie do-prowadzane do siłownika [3].

Sterownik ASB oprócz programu dla sprawnej skrzyni biegów ma równieĪ program pracy awaryjnej. Moduł diagnostyczny bĊdący jednym z elementów sterownika kaĪdorazowo po uru-chomieniu silnika diagnozuje skrzynkĊ biegów informując kierowcĊ o jej sprawnoĞci. W razie wy-krycia problemów wyĞwietlany jest komunikat. W przypadku mało istotnej usterki sterownik uru-chamia „awaryjny tryb pracy” (np. za wysoka temperatura ATF ʊ mruga wyĞwietlacz zakresu pracy impulsowej) lub do tzw. „trybu zredukowanego” (gdy problem dotyczy wykrycia powaĪniej-szej usterki), a funkcja związana z usterką zostaje zastąpiona lub wyłączona [3].

3. Zasady projektowania skrzynek biegów

Wymagania dotyczące łatwoĞci posługiwania siĊ systemem sterowania powinny zapewniaü skracanie do minimum czasu odłączenia silnika do kół napĊdowych w czasie przyspieszania i płynnoĞü łączenia czĊĞci napĊdzanych i napĊdzających [3].

SB, w zaleĪnoĞci od sposobu uzyskiwania zmiany przełoĪeĔ dzielimy na [3, 5, 11]:

ʹ stopniowe — dające moĪliwoĞü uzyskiwania ograniczonej, zwykle niewielkiej, liczby przełoĪeĔ, zmienianych skokami. Do tego typu skrzynek biegów naleĪą skrzynki bie-gów z przekładniami zĊbatymi o osiach stałych i obiegowych; w grupie skrzynek stopniowych wystĊpują równieĪ zautomatyzowane skrzynki biegów;

ʹ bezstopniowe — w okreĞlonych granicach moĪna uzyskiwaü nieskoĔczoną liczbĊ przełoĪeĔ, zmiennych w sposób ciągły. Do tego rodzaju skrzynek biegów naleĪą miĊdzy innymi skrzynki CVT.

ʹ mieszane — mające równoczeĞnie cechy skrzynek stopniowych i bezstopniowych. Generalną tendencją w rozwoju we wszystkich sposobach transformacji momentu obrotowego silnika na koła napĊdowe jest robotyzacja czynnoĞci wykonywanych przez kierowcĊ, a związanych ze zmianą przełoĪenia i pełną automatyzacją procesu zmiany biegów [3].

W wielu rozwiązaniach ze stopniową zmianą biegów wykonywanych manualnie, fizyczny wy-siłek kierowcy jest wspomagany przez mechanizmy wspomagająca [3].

Sterowaniem automatyczną zmianą biegów nazywa siĊ takie, w którym zmiana przełoĪeĔ od-bywa siĊ samoczynnie bez udziału kierowcy, najczĊĞciej pod wpływem zmieniających siĊ oporów jazdy i prĊdkoĞci samochodu nie wykraczającym poza pole podaĪy momentu obrotowego silnika. Szerokie zastosowanie mają systemy sterowania, dające kierowcy moĪliwoĞü wyboru jazdy eko-nomicznej (E) lub sportowej (S) [3].

W odniesieniu do skrzynek biegów stawiane są nastĊpujące wymagania [3, 4]:

ʹ uzyskanie róĪnych sił napĊdowych i korzystnych własnoĞci trakcyjnych samochodu przy załoĪonej charakterystyce silnika;

ʹ łatwe i szybkie przełączanie biegów; ʹ cichobieĪnoĞci pracy;

ʹ zwarta i prosta konstrukcja; ʹ małe wymiary i ciĊĪar; ʹ prostota obsługi;

ʹ niezawodnoĞü pracy, w tym:

ʹ zabezpieczenie przed jednoczesnym włączeniem dwóch biegów lub przypadkowym włączeniem biegu wstecznego;

ʹ zabezpieczenie przed samoczynnym wyłączaniem biegów; ʹ duĪa sprawnoĞü mechaniczna, szczególnie na biegach wyĪszych; ʹ duĪa trwałoĞü.

Pierwsze spoĞród przedstawionych wyĪej wymagaĔ musi byü zapewnione za pomocą prawi-dłowego doboru przełoĪeĔ przekładni i przełoĪeĔ kół na róĪnych biegach. ZwiĊkszenie liczby bie-gów daje moĪliwoĞü pracy silnika w zakresach bardziej bliskich do optymalnych ze wzglĊdu na moc i ekonomicznoĞü pracy. Jednak komplikuje siĊ przy tym konstrukcja skrzynki biegów, zwiĊk-sza siĊ jej ciĊĪar i wymiary, utrudnia siĊ kierowanie samochodu. Oprócz tego ze zwiĊkszeniem liczby biegów w wiĊkszoĞci skrzynek biegów zwiĊksza siĊ czas przerwy w przepływie mocy do kół napĊdowych, co w wielu przypadkach zamiast oczekiwanego polepszenia własnoĞci dynamicznych moĪe doprowadziü do ich pogorszenia [4].

Obecnie w samochodach osobowych najczĊĞciej stosowane są skrzynki szeĞciobiegowe lub siedmiobiegowe, rzadziej oĞmiobiegowe.

Ogólną cechą współczesnych tendencji konstrukcyjnych dotyczących układu transformacji momentu obrotowego jest scalanie w jeden zespół konstrukcyjny sprzĊgła, skrzyni biegów, prze-kładni głównej z mechanizmem róĪnicowym [3].

Najpopularniejszą w chwili obecnej konstrukcją są skrzynki dwusprzĊgłowe. Natomiast naj-nowoczeĞniejszym rozwiązaniem są skrzynki wielosprzĊgłowe.

Według tendencji z ostatnich 20 lat, liczba pojazdów wyposaĪonych w róĪnego rodzaju ASB bĊdzie w Europie wzrastaü (rysunek 9). Wynika to z coraz wiĊkszego przekonania Europejczyków do tego typu przekładni oraz ze wzglĊdów technicznych i ekologicznych [2].

Rysunek 9. Procentowy udział ASB w pojazdach Audi w poszczególnych segmentach ħródło: [2].

4. Badania stanowiskowe

UĪytkownikom pojazdów wyposaĪonych w ASB naleĪy poleciü dokładne zapoznanie siĊ z fa-bryczną instrukcją obsługi lub skonsultowanie siĊ z autoryzowaną stacją obsługi (ASO) danej mar-ki i pogłĊbienie wiedzy w temacie posiadanego modelu skrzynmar-ki biegów, ze szczególnym uwzglĊdnieniem sposobu pomiaru poziomu i oceny oleju w skrzynce, a takĪe tematu doboru typu oleju ATF (Automatic Transmission Fluid, z ang. olej do automatycznych skrzynek biegów ) i ter-minów jego wymiany, w tym takĪe filtrów oraz innych czynnoĞci obsługowych.NaleĪy przy tym byü dalece nieufnym co do "bezobsługowoĞci" tego typu skrzynekoraz informacji, Īe jakieĞ ele-ment czy teĪ oleje są "doĪywotnie". NaleĪy bezwzglĊdnie ustaliü co producent, ASO czy instrukcja rozumie przez "bezobsługowoĞü", gdyĪ przewaĪnie jest to okres gwarancji mechanicznej samo-chodu. Skrzynka automatyczna jest układem hybrydowym, mechaniczno hydrauliczno elektronicz-nym, i kaĪdy jej element podlega zuĪyciu [15].

Podstawową i jednoczeĞnie najistotniejszą czynnoĞcią obsługową, która jednoczeĞnie wydłuĪa czas bezawaryjnej pracy przekładni jest właĞciwy dobór oleju ATF oraz terminowa jego wymiana. JeĪeli skrzynka ma działaü długo i nie sprawiaü problemów, to w wiĊkszoĞci pojazdów pierwszą wymianĊ oleju ATF naleĪy przeprowadziü po przebiegu ok. 60.000 ÷ 100.000 km, a kaĪdą nastĊp-ną juĪ co ok. 30.000 ÷ 40.000 km [7].

Prawidłowo dobrany olej ATF ma za zadanie [7]: ʹ smarowanie wszystkich elementów; ʹ odprowadzanie ciepła;

ʹ wytwarzanie ciĞnienia niezbĊdnego do sterowania skrzynią; ʹ chronienie przed korozją i zuĪyciem – tłumienie hałasu i drgaĔ; ʹ eliminowanie poĞlizgów.

CzĊstotliwoĞü wymiany oleju ATF jest uzaleĪniona od sposobu eksploatacji pojazdu oraz wy-tycznych producenta pojazdu lub skrzynki biegów. Dla przykładu w pojeĨdzie Volvo S40 (rok modelowy 2007) wyposaĪonym w silnik ZS 2.4l i piĊciostopniową skrzynkĊ Geartronic wymiana oleju przewidziana jest w interwałach 120.000 km przy normalnej eksploatacji, natomiast, gdy po-jazd wykorzystywany jest do nauki po-jazdy lub jako taksówka, wymiana oleju zalecana jest w inter-wałach 60.000 km.

Dla potwierdzenia słusznoĞci tezy, iĪ konieczna jest regularna wymiana eksploatowanego ole-ju podjĊto siĊ próby przeprowadzenia badaĔ trybologicznych, a dokładniej pomiaru trwałoĞci war-stwy granicznej eksploatowanego oleju przekładniowego Genuine Volvo ATF #1161640 o specyfi-kacji JWS 3309, pozyskanego z automatycznej skrzynki przekładniowej Geartronic typ AW55-51 z pojazdu Volvo S40 (rok modelowy 2007) po przebiegu 128.414 km oraz porównanie wyników z olejem fabrycznie nowym.

Badania wykonano na stanowisku wyposaĪonym w aparat czterokulowy, bĊdący najpopular-niejszą maszyną tribologiczną słuĪącą do oceny właĞciwoĞci smarnych olejów i smarów plastycz-nych. Konstrukcja wĊzła testowego jak równieĪ wymogidotyczące samej maszyny badawczej i metody badaĔ zostały okreĞlone szczegółowo w normach krajowych [16].

Badania polegały na pomiarze Ğrednic Ğladów zuĪycia powstałych na powierzchniach trzech badanych nieruchomych kulek (rysunek 10) dla poszczególnych wartoĞci obciąĪenia nadanego.

WĊzeł tarcia w aparacie czterokulowym utworzony jest z czterech kulek stalowych łoĪysko-wych, o Ğrednicy ½” o okreĞlonej dokładnoĞci i tolerancji wykonania, ułoĪonych w formie czworo-Ğcianu foremnego. Trzy dolne kulki są unieruchomione w uchwycie, a czwarta górna jest dociskana do nich pod nadanym obciąĪeniem i wprawiona w ruch obrotowy [16].

Rysunek 10. Schemat czterokulowego wĊzła tarcia ħródło: Opracowanie własne.

4.1. Wyniki badaĔ

Przebadano dwie próbki oleju ATF – olej nowy oraz eksploatowany. PoniĪej przedstawiono wyniki badaĔ dla przebadanych próbek olei.

Dla oleju przepracowanego przeprowadzono dziewiĊü biegów badawczych (tabela 1) przy ob-ciąĪeniach nadanych od 490,5 [N] do 784,8 [N]. Dla obciąĪeĔ 490,5 [N] oraz 618,03 [N] przepro-wadzono po trzy biegi, z których kaĪdy trwał wymagane przez PN 10 sekund. Przy obciąĪeniu P=784,8 [N] na trzy biegi wszystkie zakoĔczyły siĊ niepowodzeniem. Dla próby zespawania wy-konano cztery biegi przy obciąĪeniach od 981 [N] do 1962 [N]. Trzy pierwsze postąpienia trwały 10 sekund, natomiast w ostatnim biegu po upływie 3 sekund nastąpiło zespawanie kulek.

Dla oleju nowego przeprowadzono osiemnaĞcie biegów badawczych (tabela 2) przy obciąĪe-niach nadanych od 490,5 [N] do 981 [N]. Dla obciąĪeĔ 490,5 [N] oraz 618,03 [N] przeprowadzo-no po trzy biegi, z których kaĪdy trwał wymagane przez PN 10 sekund. Przy obciąĪeniu P=784,8 [N] na trzy biegi powodzeniem zakoĔczył siĊ jeden, rozszerzono wiĊc próbĊ do szeĞciu biegów, z których połowa trwała 10 sek. Przy kolejnym postąpieniu wynoszącym 981 [N] na trzy biegi, wszystkie trwały 10 sekund. Biorąc wiĊc pod uwagĊ fakt niepowodzenia 3 prób przy niĪszym ob-ciąĪeniu podjĊto kolejne 3 próby, z których, wszystkie zakoĔczyły siĊ niepowodzeniem. Przystą-piono do próby zespawania. Wykonano trzy biegi przy kolejnych obciąĪeniach: 1236,06 [N], 1569,6 [N] oraz 1962 [N]. Dwa pierwsze biegi trwały wymagane przez PN 10 sekund, przy trze-cim po 2,4 sekundy nastąpiło zespawanie kulek. Dla pewnoĞci powtórzono próbĊ i po upływie 3,2 sekundy ponownie nastąpiło zespawanie kulek.

Tabela 1.Wyniki biegów przeprowadzonych dla oleju przepracowanego Lp. ObciąĪe-nie nada-ne P Numer pró-by Czas trwania pró-by Powodzenie bie-gu [N] - [s] - 1. 490,5 1 10 3333 2. 2 10 3333 3. 3 10 3333 4. 618,03 1 10 3333 5. 2 10 3333 6. 3 10 3333 7. 784,8 1 1,1 2222 8. 2 1,15 2222 9. 3 1,05 2222 10. 981 1 10 nie zespawało 11. 1236,06 1 10 nie zespawało 12. 1569,6 1 10 nie zespawało 13. 1962 1 3,0 zespawało

ħródło: Opracowanie własne.

Kolejnym etapem badaĔ był pomiar Ğrednicy skaz. W sposób jednoznaczny dostrzec moĪna róĪnice w wielkoĞciach skaz. Dla oleju nowego przy obciąĪeniach 490,5 [N] oraz 618,03 [N] nie przekraczają one 0,4 [mm], a przy 784,8 [N] przekraczają juĪ 1 [mm]. Z kaĪdym postąpieniem wielkoĞü skaz roĞnie w sposób zdecydowany: dla P=981 [N] ĺG >PP@GO 3 >1@ ĺ d=2,59 [mm], dla P=1.569,6 [N] ĺ d=3,27 [mm]. Dla oleju przepracowanego wyniki pomia-rów przedstawiają siĊ w sposób nastĊpujący: przy obciąĪeniu 490,5 [N] nie przekraczają 0,4 [mm], ale juĪ dla P=618,03 [N] ĺ d=1,86 [mm] i dla nastĊpnych obciąĪeĔ kolejno: dla P=784,8 [N] ĺ d=1,62 [mm]; dla P=981 [N] ĺG >PP@GO 3 >1@ĺG [mm], dla P=1.569,6 [N] ĺ d=2,92 [mm].

Tabela 2. Wyniki biegów przeprowadzonych dla oleju nowego Lp. ObciąĪe-nie nadane P Numer pró-by Czas trwania pró-by Powodzenie bie-gu [N] - [s] - 1. 490,5 1 10 3333 2. 2 10 3333 3. 3 10 3333 4. 618,03 1 10 3333 5. 2 10 3333 6. 3 10 3333 7. 784,8 1 2,1 2222 8. 2 10 3333 9. 3 1,2 2222 10. 4 10 3333 11. 5 10 3333 12. 6 0,9 2222 13. 981 1 10 3333 14. 2 10 3333 15. 3 10 3333 16. 4 0,6 2222 17. 5 0,4 2222 18. 6 0,8 2222 19. 1236,06 1 10 nie zespawało 20. 1569,6 1 10 nie zespawało 21. 1962 1 2,4 zespawało 22. 2 3,2 zespawało

5. Podsumowanie

W pracy przedstawiono problematykĊ projektowania, budowy i eksploatacji automatycznych skrzynek biegów. Ocena ich stanu technicznego jest istotnym elementem właĞciwej eksploatacji oraz obsług technicznych. Jednym z elementów pozwalającym właĞciwie oceniü aktualny stan techniczny jest analiza parametrów technicznych olejów ATF. Na podstawie przeprowadzonych badaĔ stwierdzono, Īe eksploatowany olej ATF charakteryzuje siĊ obniĪonymi parametrami w sto-sunku do oleju fabrycznie nowego, co przejawia siĊ róĪnicami w wielkoĞciach skaz na kulkach uĪytych do badaĔ. Przedstawione wyniki badaĔ jednoznacznie wskazują, iĪ regularna wymiana oleju jest konieczną czynnoĞcią obsługową, która zapewni poprawne ich uĪytkowanie.

Bibliografia

1. Chejdys G., Oleje do dwusprzĊgłowych skrzyĔ przekładniowych. Auto Moto Serwis nr 2/2009, Wydawnictwo InstalatorPolski, Warszawa 2009: s. 34÷35.

2. Duszy J.,ĩeby jeĨdziło samo. Auto Technika Motoryzacyjna nr 7–8, Wydawnictwo Moto Media Forum, Warszawa 2008:s. 42÷45.

3. Hebda M.,Eksploatacja samochodu. Wydawnictwo ITE, Radom 2005. 4. JaĞkiewicz Z., Mechaniczne skrzynki przekładniowe. WKiŁ, Warszawa 1975.

5. JedliĔski R., Podwozia samochodów. Wydawnictwa Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2007. 6. KurczyĔski A., Kodeks drogowy – przewodnik dla kandydatów na kierowców. Wydawnictwo

KRAM, Warszawa 2008.

7. Motofakty.pl, (2011, Maj 15). Historia samochodów z automatem. [Online]. DostĊpne: http://www.motofakty.pl/artykul/historia_samochodow_z_automatem.html.

8. Panhardnet Int., (2011, Maj 15). Panhard et Levassor : 1891 – 1967. [Online]. DostĊpne: http://www.citroenet.org.uk/panhard-et-levassor/panhard-01.html.

9. Rychter T., Budowa pojazdów samochodowych. WSiP, Warszawa 1984.

10. Samochody UĪywane 4x4, (2011, Maj 15). Historia automatycznych skrzyĔ biegów. [Onli-ne]. DostĊpne: http://uzywane4x4.pl/articles.php?article_id=19.

11. StudziĔski K. Samochód – Teoria, konstrukcja i obliczanie. WKiŁ, Warszawa 1980. 12. Tripod, (2011, StyczeĔ 4). [Online]. DostĊpne:

http://www.starchief57.tripod.com/images/Hydra-Matic.jpg.

13. Wikipedia, (2011, Maj 15). Przekładnia obiegowa. [Online]. DostĊpne: http://www.pl.wikipedia.org/wiki/Przekładnia_obiegowa.

14. WordiQ.com, (2011, Maj 15). Fully-automatic transmission - Definition. [Online]. DostĊpne: http://www.wordiq.com/definition/Fully-automatic_transmission.

15. Ĩródła własne.

PRINCIPLES FOR THE DESIGN, CONSTRUCTION AND OPERATION AUTOMATIC TRANSMISSION

Summary

Uninterrupted in the course of over a hundred years of progressive development of automotive experience changes in system design transmission. An important point of these changes are the gearboxes. The development of such mechanisms, an im-portant point was to develop the kind that in an automatic and simplified driving will be making the selection of gears.

The paper described the technical side of the passenger vehicle drive system, in par-ticular the cooperation of the combustion engine with the gearbox. Are given the basic design principles of modern gearboxes and sample test, to assess the condition of the transmission based on an analysis of selected parameters of the ATF oil.

Keywords: automatic transmission, engine cooperation with the gearbox, design principles ASB PracĊ zrealizowano w ramach projektu „Techniki wirtualne w badaniach

stanu, zagroĪeĔ bezpieczeĔstwa i Ğrodowiska eksploatowanych maszyn”.

Numer projektu: WND-POIG.01.03.01-00-212/09. Marcin Łukasiewicz

Sławomir Bielecki

Wydział InĪynierii Mechanicznej

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Aleja Profesora Sylwestra Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz