Vítejte zpět v Gearhead 101 – sérii o základech fungování automobilů pro automobilové nováčky.
Pokud sledujete Gearhead 101, víte, jak funguje motor automobilu, jak motor přenáší výkon, který vytváří, přes hnací ústrojí a jak manuální převodovka funguje jako jakýsi rozvaděč výkonu mezi motorem a hnacím ústrojím.
Ale většina lidí v dnešní době (alespoň pokud žijete ve Spojených státech) řídí auta s automatickým přenosy. Přemýšleli jste někdy o tom, jak může vaše auto zařadit správný rychlostní stupeň, aniž byste museli dělat cokoli kromě sešlápnutí plynového pedálu nebo brzdy?
No, drž se zadků. Chystáme se vás provést jedním z nejúžasnějších částí mechanického (a fluidního) inženýrství v historii lidstva:automatickou převodovkou.
(Vážně, nepřeháním:jakmile pochopíte, jak fungují automatické převodovky, budete žasnout nad tím, že na to lidé dokázali přijít bez počítačů.)
Než se pustíme do podrobností o tom, jak automatická převodovka funguje, udělejme si rychlý přehled toho, proč vozidla potřebují převodovku – jakéhokoli druhu – na prvním místě.
Jak je uvedeno v našem úvodu o tom, jak funguje motor automobilu, motor vašeho vozidla vytváří rotační výkon. Abychom mohli pohnout autem, musíme tuto rotační sílu přenést na kola. To je to, co dělá hnací ústrojí vozu – jehož součástí je převodovka.
Ale tady je problém:motor se může točit pouze v rámci určité rychlosti, aby fungoval efektivně. Pokud se točí příliš nízko, nebudete schopni uvést auto do pohybu z klidu; pokud se točí příliš rychle, motor se může sám zničit.
Potřebujeme nějaký způsob, jak znásobit výkon produkovaný motorem, když je potřeba (rozjezd z klidu, jízda do kopce atd.), ale také snížit množství výkonu vysílaného z motoru, když to není potřeba ( jít z kopce, jet opravdu rychle, dupnout na brzdy).
Zadejte přenos.
Převodovka zajišťuje, že se váš motor otáčí optimální rychlostí (ani příliš pomalu, ani příliš rychle), a zároveň poskytuje vašim kolům správné množství výkonu, které potřebují k pohybu a zastavení vozu, bez ohledu na situaci, ve které se nacházíte. mezi motorem a zbytkem hnacího ústrojí a funguje jako elektrický rozvaděč pro auto.
Dříve jsme se podrobně věnovali tomu, jak toho manuální převodovky dosahují prostřednictvím převodových poměrů. Vzájemným propojením různých velikostí převodových stupňů můžete zvýšit množství výkonu přenášeného do zbytku vozu, aniž byste tolik měnili rychlost otáčení motoru. Pokud ještě nerozumíte myšlence převodových poměrů, doporučuji vám, abyste se před pokračováním podívali na video, které jsme zařadili minule; nic jiného nebude dávat smysl, pokud tomuto konceptu nerozumíte.
S manuální převodovkou ovládáte, které rychlostní stupně jsou zařazeny, stisknutím spojky a řazením na místo.
U automatické převodovky brilantní inženýrství určuje, který rychlostní stupeň je zařazen, aniž byste museli dělat něco jiného, než sešlápnout plyn nebo brzdový pedál. Je to automobilová magie.
Nyní byste tedy měli mít základní povědomí o účelu převodovky:zajišťuje, že se váš motor otáčí optimální rychlostí (ani příliš pomalu, ani příliš rychle), a zároveň poskytuje vašim kolům správné množství výkonu k pohybu a zastavení. auto, bez ohledu na situaci.
Pojďme se podívat na části, které to umožňují v případě automatické převodovky:
Pouzdro převodovky
Ve skříni převodovky jsou umístěny všechny části převodovky. Vypadá to jako zvon, takže ho často uslyšíte nazývaný „pouzdro na zvon“. Skříň převodovky je obvykle vyrobena z hliníku. Kromě ochrany všech pohyblivých ozubených kol převodovky má zvonek u moderních automobilů různé senzory, které sledují vstupní rychlost otáčení z motoru a výstupní rychlost otáčení do zbytku automobilu.
Měnič točivého momentu
Přemýšleli jste někdy nad tím, proč můžete zapnout motor svého auta, ale nemůžete se pohnout kupředu? Je to proto, že tok energie z motoru do převodovky je odpojen. Toto odpojení umožňuje motoru pokračovat v chodu, i když zbytek hnacího ústrojí vozu nedostává žádný výkon. U manuální převodovky odpojíte napájení motoru od hnacího ústrojí sešlápnutím spojky.
Jak ale odpojíte napájení motoru od zbytku hnacího ústrojí u automatické převodovky, která nemá spojku?
S měničem točivého momentu, samozřejmě.
Tady začíná černá magie automatických převodovek (ještě jsme se nedostali ani k planetovým převodům).
Měnič točivého momentu je umístěn mezi motorem a převodovkou. Je to věc vypadající jako kobliha, která sedí uvnitř velkého otvoru pouzdra zvonku převodovky. Má dvě hlavní funkce, pokud jde o přenos točivého momentu:
Tyto dvě funkce plní díky hydraulické síle poskytované převodovou kapalinou uvnitř vaší převodovky.
Abychom pochopili, jak to funguje, potřebujeme vědět, jak fungují různé části měniče točivého momentu.
Části měniče točivého momentu
Ve většině moderních vozidel jsou čtyři hlavní části měniče točivého momentu:1) čerpadlo, 2) stator, 3) turbína a 4) spojka měniče točivého momentu.
1. Čerpadlo (alias oběžné kolo). Čerpadlo vypadá jako ventilátor. Má spoustu lopatek vyzařujících z jeho středu. Čerpadlo je namontováno přímo na skříni měniče točivého momentu, která je zase přišroubována přímo k setrvačníku motoru. V důsledku toho se čerpadlo otáčí stejnou rychlostí jako klikový hřídel motoru. (Budete si to muset zapamatovat, až si projdeme, jak funguje měnič točivého momentu.) Čerpadlo „pumpuje“ převodovou kapalinu směrem ven ze středu směrem k . . .
2. Turbína. Turbína je umístěna uvnitř skříně měniče. Stejně jako čerpadlo vypadá jako ventilátor. Turbína se připojuje přímo na vstupní hřídel převodovky. Není připojen k čerpadlu, takže se může pohybovat jinou rychlostí než čerpadlo. To je důležitý bod. To umožňuje motoru otáčet se jinou rychlostí než zbytek hnacího ústrojí.
Turbína se může otáčet díky převodové kapalině, která je posílána z čerpadla. Lopatky turbíny jsou navrženy tak, aby tekutina, kterou přijímá, se pohybovala směrem ke středu turbíny a zpět k čerpadlu.
3. Stator (neboli reaktor). Stator je umístěn mezi čerpadlem a turbínou. Vypadá to jako lopatka ventilátoru nebo vrtule letadla (vidíte zde vzor?). Stator dělá dvě věci:1) posílá převodovou kapalinu z turbíny zpět do čerpadla efektivněji a 2) násobí točivý moment přicházející z motoru, aby pomohl uvést vůz do pohybu, ale poté, co auto jede na dobrou úroveň, posílá menší točivý moment. klip.
Dosahuje toho díky chytrému inženýrství. Za prvé, lopatky na reaktoru jsou navrženy tak, že když převodová kapalina opouštějící turbínu narazí na lopatky statoru, kapalina je odkloněna ve stejném směru, ve kterém se otáčí čerpadlo.
Za druhé, stator je připojen k pevnému hřídeli na převodovce přes jednosměrnou spojku. To znamená, že stator se může pohybovat pouze jedním směrem. To zajišťuje, že tekutina z turbíny je směrována jedním směrem. Stator se začne otáčet teprve tehdy, když rychlost kapaliny z turbíny dosáhne určité úrovně.
Tyto dva konstrukční prvky statoru usnadňují práci čerpadla a vytvářejí větší tlak kapaliny. To zase vytváří zesílený točivý moment na turbíně a protože je turbína připojena k převodovce, může být do převodovky a zbytku vozu poslán více točivého momentu. Páni.
4. Spojka měniče točivého momentu. Díky tomu, jak funguje dynamika kapalin, dochází ke ztrátě výkonu, protože převodová kapalina jde z čerpadla do turbíny. To má za následek, že se turbína otáčí mírně nižší rychlostí než čerpadlo. To není problém, když se auto rozjíždí (ve skutečnosti je rozdíl v rychlosti to, co umožňuje turbíně dodávat větší točivý moment do převodovky), ale jakmile jede, tento rozdíl vede k určité energetické neefektivitě.
K potlačení této ztráty energie má většina moderních měničů točivého momentu spojku měniče točivého momentu, která je připojena k turbíně. Když vůz dosáhne určité rychlosti (obvykle 45-50 mph), spojka měniče točivého momentu sepne a způsobí, že se turbína roztočí stejnou rychlostí jako čerpadlo. Když je spojka měniče sepnuta, řídí počítač.
Takže to jsou části měniče točivého momentu.
Pojďme to všechno shrnout dohromady a podívat se, jak by vypadala činnost měniče točivého momentu, když přejdete z mrtvého bodu na cestovní rychlost:
Zapnete auto a běží na volnoběh. Čerpadlo se točí stejnou rychlostí jako motor a posílá převodovou kapalinu směrem k turbíně, ale protože se motor v mrtvém bodě netočí příliš rychle, turbína se netočí tak rychle, takže nemůže dodávat kroutící moment k převodovce.
Šlápneš na plyn. To způsobí, že se motor otáčí rychleji, což způsobuje rychlejší otáčení čerpadla měniče točivého momentu. Protože se čerpadlo otáčí rychleji, převodová kapalina se z čerpadla pohybuje dostatečně rychle, aby se turbína roztočila rychleji. Lopatky turbíny posílají kapalinu ke statoru. Stator se ještě netočí, protože rychlost převodové kapaliny není dostatečně vysoká.
Ale kvůli konstrukci lopatek statoru, když jimi tekutina prochází, odvádí tekutinu zpět do čerpadla ve stejném směru, ve kterém se čerpadlo otáčí. To umožňuje čerpadlu pohybovat kapalinou zpět do turbíny vyšší rychlostí a vytváří větší tlak kapaliny. Když kapalina míří zpět do turbíny, děje se tak s větším točivým momentem, což způsobuje, že turbína dodává větší točivý moment do převodovky. Auto se rozjede vpřed.
Tento cyklus pokračuje znovu a znovu, jak vaše auto zrychluje. Když dosáhnete cestovní rychlosti, převodová kapalina dosáhne tlaku, který způsobí, že se lopatky reaktoru konečně roztočí. Při otáčení reaktoru se točivý moment snižuje. V tomto okamžiku nepotřebujete k pohybu auta velký točivý moment, protože auto se pohybuje v dobrém klipu. Spojka měniče točivého momentu se zapne a způsobí, že se turbína roztočí stejnou rychlostí jako čerpadlo a motor.
Dobře, takže měnič točivého momentu je to, co umožňuje nebo zabraňuje přenosu výkonu z motoru na převodovku a násobí točivý moment na převodovku, aby se auto dostalo z mrtvého bodu. Je čas podívat se na části převodovky, které umožňují automatické řazení vozu.
Planetary Gears
Jak vaše vozidlo dosahuje vyšších rychlostí, potřebuje k udržení vozu menší točivý moment. Převodovky mohou zvýšit nebo snížit množství točivého momentu přenášeného na kola vozu díky převodovým poměrům. Čím nižší je převodový poměr, tím větší točivý moment je dodáván. Čím vyšší je převodový poměr, tím menší točivý moment je dodáván.
U manuální převodovky musíte pro změnu převodových poměrů posunout řazení.
U automatické převodovky se převodové poměry automaticky zvyšují a snižují. A to je možné díky důmyslné konstrukci planetového převodu.
Planetové kolo se skládá ze tří součástí:
Jediná planetová převodovka může dosáhnout jízdy vzad a pěti úrovní jízdy vpřed. Vše závisí na tom, která ze tří součástí soukolí se pohybuje nebo drží na místě.
Podívejme se na to v akci s různými součástmi, které fungují buď jako vstupní ozubené kolo (převodovka, která generuje výkon), výstupní ozubené kolo (převodovka, která přijímá výkon), nebo jsou drženy na místě.
Sun Gear:vstupní ozubené kolo / Planetový nosič:výstupní ozubené kolo / Ozubené věnce:drženo v klidu
V tomto scénáři je centrální kolo vstupním kolem. Ozubený věnec se nepohybuje. S pohybujícím se centrálním kolem a věncovým kolem drženým na místě se budou planetová kola otáčet na svých vlastních nosných hřídelích a procházet kolem vnitřku věnce, ale v opačném směru než centrální kolo. To způsobí, že se unašeč otáčí ve stejném směru jako centrální kolo. Nosič se tak stává výstupním ozubeným kolem.
Tato konfigurace vytváří nízký převodový poměr, což znamená, že vstupní kolo (v tomto případě centrální kolo) se otáčí rychleji než výstupní kolo (planetový unašeč). Ale množství točivého momentu, který planetový nosič vytváří, je mnohem větší, než dodává centrální kolo.
Tento druh konfigurace by se použil, když se vůz teprve rozjíždí.
Sluneční ozubené kolo:drženo v klidu / Planetový nosič:výstupní ozubené kolo / Ozubené věnce:vstupní ozubené kolo
V tomto scénáři je centrální kolo drženo nehybně, ale ozubený věnec se stává vstupním ozubeným kolem (to znamená, že dodává energii do ozubeného systému). Protože je centrální kolo drženo, rotující planetová kola se budou pohybovat kolem centrálního kola a unesou s sebou planetový nosič.
Planetový unašeč se pohybuje ve stejném směru jako věnec a je výstupním kolem.
Tato konfigurace vytváří o něco vyšší převodový poměr než první konfigurace. Ale vstupní kolo (věcové kolo) se stále točí rychleji než výstupní kolo (planetový unašeč). To vede k tomu, že planetové soukolí dodává více točivého momentu neboli výkonu do zbytku hnacího ústrojí. Tato konfigurace bude pravděpodobně ve hře, když vaše auto zrychluje z mrtvého bodu nebo když jedete do kopce.
Sun Gear:vstupní ozubené kolo / Planetový nosič:výstupní ozubené kolo / Ring Gear:vstupní ozubené kolo
V tomto scénáři centrální kolo i věnec fungují jako vstupní ozubená kola. To znamená, že oba se točí stejnou rychlostí a stejným směrem. To způsobí, že se planetová kola neprotáčí na svých jednotlivých hřídelích. Proč? If the ring gear and the sun gear are the input members, the internal teeth of the ring gear will try to rotate the planetary gears in one direction, while the external teeth of the sun gear will try to drive them in the opposite direction. So they lock into place. The whole unit (sun gear, planetary carrier, ring gear) moves together at the same speed and they transfer the same amount of power. When the input and the output transfer the same amount of torque, it’s called direct drive.
This arrangement would be in play when you’re cruising around 45-50 mph.
Sun Gear:held stationary / Planetary Carrier:input gear / Ring Gear:output gear
In this scenario, the sun gear is held stationary, and the planetary carrier becomes the input gear that delivers power to the gear system. The ring gear is now the output gear.
As the planet carrier rotates, the planetary gears are forced to walk around the held sun gear, which drives the ring gear faster. One complete rotation of the planet carrier causes the ring gear to rotate more than one complete revolution in the same direction. This is a high gear ratio and provides more output speed but less torque. This arrangement is also known as “overdrive.”
You’d be in this configuration when you’re driving on the freeway at 60+ mph.
An automatic transmission usually has more than one planetary gear set. They work together to create multiple gear ratios.
Because the gears are in constant mesh in a planetary gear system, gear changes are made without engaging or disengaging gears, like you do on a manual transmission.
But how does an automatic transmission tell which parts of the planetary gear system should act as the input gear, the output gear, or be held stationary, so we can get those varying gear ratios?
With the help of brake bands and clutches inside the transmission.
Brake Bands and Clutches
Brake bands are made of metal lined with organic friction material. The brake bands can tighten to hold the ring or sun gear stationary or loosen to let them spin. Whether a brake band tightens or loosens is controlled by a hydraulic system.
A series of clutches also connect to the different parts of a planetary gear system. Transmission clutches in automatic transmissions are made up of multiple metal and friction discs (which is why they’re sometimes referred to as a “multi disc clutch assembly”). When the discs are pressed together, it causes the clutch to engage. A clutch can cause a planetary gear part to become an input gear or it could cause it to become stationary. It just depends on how it’s connected to the planetary gear. Whether a clutch engages or not is driven by a combination of mechanical, hydraulic, and electrical design. And it all happens automatically.
Now the intricacies of how the various clutches work together to hold and drive different components is pretty complicated. Too complicated to describe it in text. It’s best understood visually. I highly recommend checking out this video that walks you through it:
As you can see, there are a lot of moving parts inside an automatic transmission. It uses a combination of mechanical, fluid, and electrical engineering to give you a smooth ride from dead stop to highway cruising speed.
So let’s walk through a big picture overview of the power flow in an automatic transmission.
The engine sends power to the torque convertor’s pump .
The pump sends power to the torque converter’s turbine via transmission fluid.
The turbine sends the transmission fluid back to the pump via the stator .
The stator multiples the power of the transmission fluid, allowing the pump to send more power back to the turbine. A vortex power rotation is created inside the torque converter.
The turbine is connected to a central shaft that connects to the transmission. As the turbine spins, the shaft spins, sending power to the first planetary gear set of the transmission.
Depending on which multiple disc clutch or brake band is engaged in the transmission, the power from the torque converter will either cause the sun gear , the planetary carrier , or the ring gear of the planetary gear system to move or stay stationary.
Depending on which parts of the planetary gear system are moving or not determines the gear ratio . Whatever planetary gear arrangement you have (sun gear acting as input, planetary carrier acting as output, ring gear stationary — see above) will determine the amount of power the transmission sends to the rest of the drive train.
That, broadly speaking, is how an automatic transmission works. There are sensors and valves that regulate and modify things, but that’s the basic gist of it.
It’s something that’s easier understood visually. I highly recommend watching the following video. The background we went through will make it much easier to understand:
What did I tell you? The automatic transmission is pretty dang amazing.
Now as you feel the car shift gears as you cruise down the freeway, you’ll have a good idea of what’s going on under the hood.
